nükleer yakıt üretimi ve nükleer atık dönüşümünde

I. ULUSAL PARÇACIK HIZLANDIRICILARI ve UYGULAMALARI KONGRESi
25-26 EKiM 2001, TAEK, ANKARA
NÜKLEER YAKIT ÜRETİMİ VE NÜKLEER ATIK DÖNÜŞÜMÜNDE
HIZLANDIRICI KAYNAKLI SİSTEMLE FÜZYON-FİSYON (HİBRİD)
SİSTEMLERİN KARŞILAŞTIRILMASI
Adnan SÖZEN, H.Mehmet ŞAHİN, Mustafa ÜBEYLİ
Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi
Makine Bölümü, Enerji Anabilim Dalı
06500, Beşevler, Ankara
ÖZET
Konvansiyonel nükleer reaktörlerde nükleer enerji üretimi için gerekli olan yakıt
üretiminin ve nükleer atıkların dönüşümlerinin yapılması için iki farklı sistem
üzerinde çalışılmaktadır. Bunlardan birincisi füzyon kaynaklı füzyon-fisyon
hibrid reaktörleri, ikincisi ise hızlandırıcı kaynaklı sistemlerdir. Bu çalışmada iki
sistemin karşılaştırılması sunulmaktadır.
Anahtar Kelimeler: Hızlandırıcı, Hibrid reaktörler, nükleer yakıt.
COMPARISON OF ACCELERATOR DRIVEN SYSTEM WITH FUSIONFISSION (HYBRID) SYSTEMS IN PRODUCTION OF NUCLEAR FUEL
AND TRANSMUTATION OF NUCLEAR WASTES
ABSTRACT
Two different systems have been studied for transmutation of nuclear wastes and
nuclear fuel necessary for nuclear energy production in conventional reactors.
First of these systems is fusion driven fusion-fission hybrid reactors and second
one is accelerator driven systems. In this study, comparison of these two systems
are presented.
Key words: Accelerator, hybrid reactors, nuclear fuel.
1
reaktörleri ile hızlandırıcı kaynaklı
1. GİRİŞ
hibrid reaktörlerdir.
Konvansiyonel nükleer reaktörlerde
nükleer enerji üretimi için gerekli
2. FÜZYON-FİSYON
olan yakıt üretiminin ve nükleer
HİBRİD
SİSTEMİ
atıkların dönüşümlerinin yapılması
için
iki
farklı
sistem
üzerinde
Füzyon-fisyon hibrid sistemi, füzyon
çalışılmaktadır. Sadece fisil olmayan
ve
(harici) nötron kaynakları, çok iyi
kombinasyonu
kurulmuş LWR (Hafif Su Reaktörü)
birbirlerini tamamlar. Hibrid reaktör,
teknolojisi üzerine kurulu nükleer
yüksek
enerji üretimi için gerekli miktarda
nötronlarının yakalanmasıyla füzyon
nükler yakıt sağlayabilir. Fisil yakıt
plazmayı çevreleyen mantodaki fertil
üreticileri olarak iki ana zengin
malzemelerin (238U veya
nötron kaynağı mevcuttur. Bunlar:
malzemelere
1) (D,T)
veya
reaksiyonları
işlemlerinin
olup,
özellikleri
orandaki
(239Pu
bir
füzyon
232
Th) fisil
veya
233
U)
(D,D)
füzyon
dönüşümü prensibine dayanır. Fertil
üzerine
kurulu
malzemelerin önemli bir miktarı
füzyon reaktörleri,
2) Oldukça
fisyon
özellikle yüksek enerjili (14 MeV)
yüksek
enerjili
D-T
nötronların
ışıması
altında
protonların (1 GeV civarında)
fisyona uğrayabilir. Hibrid reaktörün
bombardımanı
bir diğer potansiyeli ise yüksek
altında,
ağır
çekirdeğin parçalanması temeline
etkinlikle
dayanan
Aktinitler,
elektro-nükleer
besleyiciler.
Fisil
yakıt
aktinitleri
yakmasıdır.
LWR(Hafif
Su
reaktörü)’lerde radyoaktif malzeme
üretilmesi,
nükleer
olarak
önemli
miktarlarda
atıkların dönüşümünün yapılması ve
üretilmektedirler. Oldukça yüksek
aynı zamanda enerji üretilmesi için
enerjili füzyon nötronları, bunların
iki
çalışmalar
çoğunu değerli bir yakıt olarak
füzyon
yakabilmekte ve bazılarını yeni çok
sistem
üzerinde
yapılmaktadır.
kaynaklı
Bunlar
füzyon-fisyon
hibrid
yüksek
2
nükleer
kalitede
transplutonyum
fisil
malzemesine
dönüştürebilmektedir.
besleyici,
başlangıç
Hızlı
malzemelerin
bir
fisil
malzemelere
dönüşmesini ve aynı zamanda fisyon
için
değerli
yapmalarını
malzemesine
ihtiyaç
Rubbia'nın tanımladığı hızlandırıcı
duyarken, hibrid reaktör doğal veya
kaynaklı hibrid reaktör ise, yüksek
harcanmış
yoğunlukta
plutonyum
uranyum
ve
toryumu
sağlamaktadır.
1
GeV'luk
proton
direk
olarak
kullanır. Hibrid reaktörün bir diğer
hızlandırıcının
avantajı ise, LWR’lerin harcanmış
bağlandığı toryum ağırlıklı yakıt
yakıtını gençleştirerek, yakıt çevrim
karışımı kullanan, kurşun-soğutmalı
prosedürünü ortadan kaldırmasıdır.
ve kritikaltı bir nükleer reaktörü
Aynı
içerir.
zamanda,
izotoplarının
plutonyum
oluşumu
Hızlandırıcılı
sistemlerde,
devam
sürekli veya sık sık yakıtın yeniden
ederken, belli bir ışıma periyodundan
işlenmesini gerektirmeksizin uzun
sonra harcanmış yakıtın fisil stoku
dönem reaktör çalışması boyunca
LWR’nin yeni yakıt şarjı seviyesine
sabit çoğalım faktörünün güvenliği
getirilecektir(1).
için
hızlı
nötronların
gerekmektedir.
3.
HIZLANDIRICI
kullanımı
Hızlandırıcı
tarafından üretilen nötronlar reaktör
KAYNAKLI
kontrolü için gerekli olan gecikmiş
SİSTEM
nötronlara
Hızlandırıcı
kaynaklı
olan
gereksinimi
sistemde,
azaltmaktadır. Hızlandırıcılı hibrid
yüksek enerjili yüklü parçacıklar,
reaktörler de, enerji üretimi için
tercihen protonlar hedef malzeme
değişik
olarak
seçilen
yakıtların
kullanımını
ağır
metali
sağlamaktadır ve günümüz termal
etmek
için
reaktörlerinde üretilen aktinitlerin
kullanılmaktadır. Bu sayede oldukça
dönüşümüne izin vermektedir. Şekil
yüksek
1 hibrid reaktör dizaynının tasarımını
bomdardıman
enerjili
çıkarılmaktadır.
nötronlar
nötronlar
Yüksek
hedef
açığa
enerjili
şematik
malzemeyi
olarak
göstermektedir.
Nötronlar 15 cm yarıçapında , 50 cm
çevreleyen yakıt bölgesindeki fertil
yüksekliğinde,
3
kalın,
doğal
ve
silindirik
bir Pb hedefine gelen 1
GeV'luk
proton
tarafından
2600
Yakıt
bölgesi
2500
kurşunu soğutucu olarak kullanan 25
2400
üretilmektedir.
cm
genişlikte
hekzagon
g/MW
ışını
olarak
düzenlenmiş 3.8 mm yarıçapında
2300
2200
2100
çelik iğneler içerir(2).
2000
z
ekseni
0
a)
1
2
3
4
5
Zaman (yıl)
Işın
a)
Parçalanma
hedefi
(Kurşun)
2550
2500
g/MW
Çoğalım Bölgesi
(Yakıt ve kurşun)
Reflektör
(Kurşun)
2450
2400
2350
Şekil 1. Hızlandırıcı kaynaklı hibrid reaktör
dizaynının şematik görünüşü(2)
2300
0
1
2
4
b)
KARŞILAŞTIRILMASI
Şekil 2. Değişik yakıt şarjlarında
hızlandırıcı kaynaklı sistemde a) 239Pu
miktarının b) 233U miktarının zamana
göre değişimi (2)
Şekil 2 ve 3'te hızlandırıcı kaynaklı
bir sistemle füzyon-fisyon (hibrid)
233
U ve
239
Pu
233
U üretim
miktarlarının zamana göre değişimi
yakıtları üretilmektedir.
verilmekte dir. Her iki sistemde de
miktarı her iki sistemde de zamanla
üretken
232
Th ve
238
5
Zaman (yıl)
3. İKİ SİSTEMİN
sisteminde üretilen
3
U yakıtlarından
azalmaktadır.
önemli miktarda fisil 233U ve 239Pu
239
Pu
üretimi
ise
hızlandırıcı sistemde artarken hibrid
sistemde azalmaktadır. Bu farklılık
4
g/MW
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
239
Dolayısıyla
hızlandırıcılı
Pu
üretimi
sistemde
zamanla
artmaktadır. Ayrıca her iki sistemde
konvansiyonel
edilen
0
1
2
3
reaktörlerden
harcanmış
gençleştirme
4
elde
yakıtın
işlemleri
yapılarak
dönüşümleri sağlanmakta ve bu yolla
Zaman (yıl)
a)
enerji
üretimi
yapılabilmektedir.
Harcanmış yakıtlarda yüksek enerjili
nötronlar
800
fisyon
tesir
kesitleri çok büyük olan minör
700
g/MW
altında
aktinitler
600
bulunmaktadır.
Hızlandırıcılı
ve
500
harcanmış
yakıtların
400
uğratılarak
300
hibrid
enerji
sistemle
fisyona
elde
edilmesi
mümkündür. Örneğin PWR(Basınçlı
0
b)
1
2
3
4
Su
Zaman (yıl)
TRU(transuranik
bulunan
Şekil 3. Füzyon-fisyon hibrid
sisteminde a)233U miktarının b) 239Pu
miktarının zamana göre değişimi(3,4)
hızlandırıcı
sistemdeki
Reaktörü)
enerji
atığındaki
elementleri)'da
yaklaşık
olarak
PWR'de üretilen miktarın %40'ıdır.
Özellikle hızlandırıcılarda, toryumla
nötron
karışık
TRU'nun
yakıt
olarak
spektrumunun hibrid sistemdekinden
kullanımı genel bir strateji olarak
daha sert bir yapıda olmasından
düşünülmektedir(5).
kaynaklanmaktadır. Hibrid sistemde
239
Pu aynı zamanda düşük enerjili
nötronlarla
fisyona
4. SONUÇLAR VE İRDELEME
uğrarken,
hızlandırıcılı sistemde daha yüksek
Hızlandırıcı kaynaklı ve füzyon-
Z
( l)
enerjili nötronlardan
) dolayı fisyona
uğraması çok daha az olmaktadır.
fisyon
hibrid b)sistemi üzerinde
yapılan çalışmalar her iki sisteminde
5
fisil yakıt üretimi, nükleer atık
Nifenecker,
dönüşümü ve aynı zamanda enerji
Schapira,
elde
Hybrid
edilmesi
yönünde
çok
iyi
H.,
J.P.,
Viano,
"Fast
Reactors
J.B.,
Subcritical
for
Energy
sonuçlar verdiğini göstermektedir.
Production: Evolution of Physical
Bu iki sistemle:
Parameters
1) Konvansiyonel nükleer reaktörler
Radiotoxicities",
and
Induced
Nuclear
için gerekli fisil yakıtın üretken
Instruments & Methods in Physics
yakıtlardan temini,
Research A, vol. 443 pp.510-530,
2) Harcanmış
yakıtların
değerlendirilerek
(2000).
dönüşümünün
3.
Yapıcı,
H.,
Özceyhan,
V.,
sağlanması ve bu yolla enerji elde
"Numerical Neutronic Analysis of a
edilmesi,
Natural
3) Harcanmış
Cooled
Fusion
yeniden
Breeder Fueled With UO2", The
kullanılan
Arabian Journal for Science and
yakıtın
işlenmesinde
Lithium
proseslerin ortadan kaldırılması
Engineering, vol.25, no.2A, (2000).
ve bu yolla zaman ve maliyetin
4. Şahin, S., Yapıcı, H., "Neutronic
azaltılması
Analysis
mümkün
of
a
Thorium
Fusion
Breeder with Enhanced Protection
görülmektedir.
Against
Nuclear
Weapon
Proliferation", Annals of Nuclear
5. REFERANSLAR
Energy, vol.26, pp.13-27, (1999).
1. S., ŞAHİN, "Mainline fusion-
5. Revol, J. P., "An Accelerator-Driven
fission (hybrid) reactor concepts",
System For the Destruction of Nuclear
Ecole Polytechnique Federale de
Waste", Progress in Nuclear Energy,
Lausanne
Instutut
vol.38, No. 1-2, pp. 153-165, (2001).
Atomique
PHB-Ecublens,
de
Genie
1015
Lausanne, Switzerland.
2 David, S., Billebaud, A., Brandan,
M.E., Brissot, R., Giorni, A., Heuer,
D., Loiseaux, J.M., Meplan, O.,
6