Reaktor prędki powielający (FBR)
Reaktor, który istnieje po to, by wytwarzać (powielać) nowe paliwo jądrowe, to reaktor prędki powielający. W reaktorach tego typu reakcje rozszczepienia jąder atomowych są spowodowane przede wszystkim przez neutrony prędkie, dlatego nie jest już możliwe zastosowanie wody jako chłodziwa, gdyż ta hamowałaby neutrony. Można w nich stosować tylko takie chłodziwa, które powodują nieznaczne spowolnienie neutronów, zwykle jest to ciekły sód, ale także gazy o dobrych właściwościach wymiany ciepła.
Na powyższym rysunku przedstawiono schematycznie najczęściej stosowaną konstrukcję basenową reaktora prędkiego powielającego. W basenie wypełnionym ciekłym sodem znajdują się: rdzeń reaktora otoczony płaszczem powielającym (patrz rysunek poniżej), sodowe pompy cyrkulacyjne oraz sodowy wymiennik ciepła. Sód przechodząc przez rdzeń pochłania neutrony i staje się promieniotwórczy. Zapis tej reakcji:
Sód-24 jest beta-promieniotwórczy, a jego czas połowicznego rozpadu wynosi ok. 15 h. W wymienniku, ciepło przejmowane z sodu promieniotwórczego – przepływającego przez rdzeń reaktora – jest przekazywane do drugiego obiegu sodowego, który jest nieaktywny i włączony pośrednio ze względów bezpieczeństwa. Sód z obiegu pośredniego ogrzewa wytwornice pary, w których jest wytwarzana para o ciśnieniu ok. 16 MPa i o temperaturze ok. 530 °C (układ trójobiegowy). Sód, ze względu na wysoką temperaturę wrzenia (>800 °C) znajduje się pod niskim ciśnieniem (0,5 MPa) i osiąga przy wypływie z rdzenia reaktora temperatury o maksymalnej wartości 600 °C.
Paliwo
Materiał paliwowy stanowi mieszaninę uranu U-238 i materiału rozszczepialnego w ilości 12 do 25%. Jako materiał rozszczepialny stosuje się pluton, a do pierwszego załadunku również niekiedy uran U-235. Materiałem paliworodnym jest uran naturalny lub zubożony. Materiał paliwowy i paliworodny jest zwykle stosowany w postaci dwutlenków (UO2, PuO2). Po wyjęciu z rektora wypalone zestawy paliwowe i napromienione zestawy paliworodne odsyła się, po pewnym okresie schładzania w basenie przechowawczym, do zakładów recyklingu paliwa. W zakładach tych po zdjęciu koszulek z elementów paliwowych i paliworodnych oddziela się chemicznie istniejący jeszcze uran i utworzony pluton. Uran zubożony wykorzystuje się ponownie w reaktorach prędkich jako materiał paliworodny, a pluton – jako materiał rozszczepialny.
Rdzeń reaktora powielającego zbudowany jest z dwóch części (patrz powyższy rysunek) – rdzenia z materiału rozszczepialnego oraz płaszcze otaczającego rdzeń – z materiału paliworodnego, czyli uranu naturalnego lub zubożonego.
Proces powielania paliwa
Jak przebiega dokładnie proces powielania? Izotop uranu U-238 jest w nim przekształcany w izotop plutonu Pu-239 w cyklu reakcji:
1) U-238 po pochłonięciu neutronu przekształca się U-239:
2) U-239 ulega rozpadowi beta minus do Np-239:
3) Np-239 ulega rozpadowi beta minus do Pu-239:
Obecnie następuje powrót do koncepcji reaktorów prędkich z uwagi na fakt, że mogą one zostać wykorzystane do usuwania wysokoaktywnych długożyciowych odpadów promieniotwórczych z reaktorów termicznych oraz pozbywania się zapasów zbędnego plutonu militarnego.