Tor. Cykl torowo-uranowy

Większość energetycznych reaktorów jądrowych na świecie wykorzystuje paliwo jądrowe, w którym uran wzbogacony jest do 5% w izotop U-235 (jest to jedyny izotop występujący w przyrodzie, rozszczepialny neutronami termicznymi). Pluton powstaje w reaktorze jądrowym w wyniku wychwytu neutronu przez izotop U-238, którego zawartość w uranie naturalnym wynosi 99,3%. Umownie nazywamy to pracą elektrowni jądrowej w cyklu uranowo-plutonowym (U-Pu). W ostatnich latach wzrasta jednak zainteresowanie cyklem torowo-uranowym (Th-U), w którym to powstaje inny materiał rozszczepialny, izotop U-233. Dlatego tor, pierwiastek, którego zawartość w skorupie ziemskiej jest około trzy do czterech razy większa niż uranu, nazywany jest materiałem paliworodnym.

Cykl torowy różni się od cyklu plutonowego zasadniczo dwoma względami. Po pierwsze okres połowicznego rozpadu Pa-233, wynoszący ok. 27 dni, jest znacznie dłuższy niż analogiczny okres Np-239, wynoszący 2,3 dnia. Konsekwencją tego jest fakt, że w reaktorze narasta stężenie protaktynu-233, zależne od strumienia neutronów i od gęstości mocy, przy czym izotop ten pochłania neutrony. Drugą różnicę stanowi reakcja (n,2n) dla Th-232, która poprzez Th-231 prowadzi do silnie γ-promieniotwórczych izotopów, z czym wiążą się dodatkowe problemy związane z osłonami. Z kolei w wyniku reakcji (n,2n) dla U-233 powstaje izotop U-232, który ulega rozpadowi α inicjując cały szereg rozpadów i przekształcając się w izotop Tl-208, który ulegając rozpadowi β przekształca się w izotop Pb-208. Reakcji tej towarzyszy emisja kwantów gamma o energii 2,614 MeV. Jest to bardzo przenikliwe promieniowanie i praca z nim możliwa jest tylko przy zachowaniu środków bezpieczeństwa.

Obydwie przytoczone różnice można potraktować jako wady cyklu torowego, ale także jako jego zalety. Dlaczego? Dzięki stosunkowo długiemu okresowi połowicznego rozpadu Pa-233 produkcja świeżego paliwa następuje po pewnym czasie od załadowania nowego paliwa. Dzięki temu możliwe jest wydłużenie kampanii paliwowej bez załadunku świeżego paliwa. Z kolei produkowany w cyklu Th-U izotop rozszczepialny U-233 nie może być wykorzystany jako jądrowy materiał terrorystyczny, a to za sprawą powstałych zanieczyszczeń silnie gamma promieniotwórczych, łatwych do wykrycia np. na przejściach granicznych.

Ważną różnicą jest także procentowy udział rozszczepienia w ogólnym bilansie neutronów. Dla U-233 aż 90% pochłoniętych neutronów prowadzi do rozszczepienia jądra, a tylko 10% do produkcji cięższych izotopów. Dla U-235 te liczby wynoszą odpowiednio 80% i 20% a dla Pu-239 70% i 30%. Konsekwencją tego jest to, że dla cyklu U-Pu powstaje znacznie więcej aktynowców (Np, Pu i Am) niż dla cyklu Th-U.

Zalety cyklu torowo-uranowego

Cykl Th-U posiada szereg zalet w porównaniu z cyklem U-Pu:

• Wydajność wytwarzania rozszczepialnego izotopu w cyklu Th-U jest około czterokrotnie większa niż w cyklu U-Pu. Cykl Th-U może być prowadzony w reaktorach na neutronach termicznych w odróżnieniu od cyklu U-Pu prowadzonego na neutronach prędkich powielających;
• Powstały w cyklu Th-U izotop rozszczepialny U-233 nie może być wykorzystany jako jądrowy materiał terrorystyczny dzięki silnie gamma promieniotwórczym produktom rozpadu U-232;
• Dzięki znacznemu opóźnieniu w powstawaniu U-233 w cyklu Th-U istnieje możliwość wykorzystania Pa-233 jako wypalającej się trucizny na początku cyklu paliwowego w reaktorze, a w końcu cyklu paliwowego jako źródła materiału rozszczepialnego. Efekt ten umożliwia zmniejszenie ilości U-235 w paliwie reaktora, zmniejszenie „wbudowanej” reaktywności na początku cyklu paliwowego oraz znaczne wydłużenie okresu pracy reaktora bez załadunku nowego paliwa;
• Możliwość uzyskania rozszczepialnego izotopu U-233 w procesie chemicznego przerobu napromienionego toru z nieznacznym zanieczyszczeniem innymi izotopami uranu;
• Znaczące zmniejszenie ilości długożyciowych transuranowców w wypalonym paliwie.