¿Por qué las barras de combustible de uranio son ineficientes?

Answer 1

Un reactor nuclear necesita un par de cosas para mantener una reacción crítica estable; combustible, moderador, barras de control y la geometría adecuada. Los problemas para el moderador, las barras de control y la geometría del núcleo son manejados por el diseño y la construcción, lo que deja el combustible.

Mientras opera un reactor puede estar en uno de tres estados: subcrítico, crítico y supercrítico. Crítico es el estado objetivo para la operación a largo plazo. Cuando es crítico, el proceso de fisión crea suficientes neutrones para producir la misma cantidad de fisión en cada generación. Esto permite que el reactor produzca la misma cantidad de energía continuamente durante largos períodos. Subcrítico significa que cada generación del reactor produce menos fisión y el reactor reduce su potencia. Este estado es cómo se apaga un reactor o pasa a un nivel de potencia más bajo. Súper crítico es lo contrario, cada generación crea un mayor número de fisión y aumentan los niveles de potencia.

Ahora mis números son especulativos, pero los conceptos son sólidos. Para que un reactor alcance un estado crítico, el núcleo debe cargarse con una cantidad mínima de combustible. Por el bien de los argumentos, digamos que 1% de U235 enriquecido es suficiente para alcanzar la criticidad con todas las barras de control eliminadas. Aquí podría cargar el núcleo con el combustible, retraer las barras de control y el reactor será supercrítico hasta que se estabilice y esté justo en el punto crítico. Desafortunadamente, con esta carga de combustible al alcanzar la criticidad, estará quemando parte de su cantidad mínima de combustible y el reactor se volverá hambriento y subcrítico y se apagará.

Los reactores combaten este problema enriqueciendo el combustible, para nuestra discusión digamos al 5%. Si cargó esto en el núcleo, ahora podría arrancar, pero esta cantidad de combustible es más que una necesidad de reacción crítica estable y podría terminar supercrítico más allá de su nivel de potencia deseado. Para gestionar esto, no todas las barras de control se extraen. Estas barras de control atrapan algunos de los neutrones para que el resultado sea una reacción crítica estable.

Por ahora tenemos un reactor crítico con combustible enriquecido al 5%. A medida que el reactor funciona con el tiempo, usamos parte de ese combustible, lo que significa que el reactor querrá volverse subcrítico y reducir la energía nuevamente. Cuando esto sucede, las barras de control se pueden extraer un poco para atrapar menos neutrones y mantener la reacción crítica estable. Este proceso continúa hasta que el reactor se acerca al límite del 1% y el combustible usado se retira y se reemplaza con combustible nuevo.

Con base en esta discusión, puede ver que del 5% de combustible enriquecido cargado podemos usar tal vez el 4% de eso y aproximadamente el 1% de ese combustible enriquecido permanece en el repostaje. Tenga en cuenta que los números aquí son especulativos y pueden diferir mucho según el diseño del reactor, pero el concepto básico es sólido.

Entonces, ¿por qué solo podemos usar ese 4% del combustible de uranio? Esto es por diseño como una mitigación de riesgos contra la proliferación nuclear. Los reactores militares nos enriquecen mucho más y pueden funcionar durante décadas sin necesidad de reabastecimiento de combustible, mientras que los reactores comerciales deben reabastecerse cada 2 años más o menos. Esto fue una compensación ya que los reactores comerciales tienen una flexibilidad mucho mayor para administrar el reabastecimiento de combustible, y al usar tasas de enriquecimiento más bajas hay menos requisitos de seguridad que el combustible altamente enriquecido, ya que no se puede desviar para usarlo en armas.

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Answer 2

Los reactores de reprocesamiento o reproductores pueden usar más energía en el combustible.

Los reactores reproductores pueden generar su propio combustible a partir del uranio gastado. Esto no solo reduce los desechos nucleares, sino que es mucho más barato y requiere menos energía que enriquecer U235 a partir de mineral de uranio. Elimine el combustible de uranio que está criando, solo deje un poco de plutonio o U235 y agregue reflectores de neutrones de acero inoxidable y prácticamente todos los reactores reproductores se convertirán en quemadores, consumiendo desechos de actínidos y dejando solo desechos de corta vida media. Esos dos deberían reducir mucho los costos.

El próximo año debería haber algunos en línea, como el ruso BN 800 y el indio kalpakkam 2. Hasta ahora, los costos de construcción de ambos parecen menores por gw que los PWR normales. así que una vez que estén en línea podemos probar o refutar el reclamo. Ambos son reactores reproductores rápidos de sodio fundido.

El costo de construcción de Kalpakkam 2 es de $ 1.85 millones por megavatio
El reactor de criador rápido Kalpakkam se prepara para la puesta en marcha en medio del laberinto burocrático

BN-800 es $ 2.56m por mw
http://bellona.org/news/nuclear-…

A modo de comparación, los 4 reactores de los EAU se ofertaron en alrededor de $ 3.57m por mw. Todavía PWR’s pero gen 3+. Los coreanos tienen un historial de bajo costo, construido en reactores de tiempo. Al igual que sus autos, electrónicos y barcos. Hasta ahora, el reactor n. ° 1 está completo en un 60-70%, y todavía está dentro del presupuesto y el cronograma.
http://en.wikipedia.org/wiki/Nuc …

Los reactores reproductores y otros reactores similares de iv-ish de la generación se han construido antes. Tenían problemas pero no problemas insuperables. Si fueran fundamentalmente imposibles, esos viejos reactores de prueba no funcionarían.

Hay varias razones por las cuales no se hicieron comunes.

Parte de esto es política.

“Pero la verdadera razón por la que usamos uranio sobre torio es el resultado de la política de tiempos de guerra. Los gobiernos de la era de la Guerra Fría (incluido el nuestro) respaldaron los reactores basados ​​en uranio porque producían plutonio, útil para fabricar armas nucleares”.
http://discovermagazine.com/2014 …

“El hombre que tomó las decisiones del mercado fue el difunto almirante Hyman G. Rickover, el padre cruel de la armada nuclear. Rickover, un visionario autocrático, temía que si aparecían demasiados reactores en el mercado, primero habría un caos costoso. en la Marina y luego en la industria nuclear civil. Creía que se necesitaba un concepto de reactor estandarizado. Rickover se decidió por los llamados reactores de agua ligera: son el estándar mundial para los reactores nucleares militares y civiles, con la única excepción de Los reactores de agua pesada de Canadá “.

http : //oilichelin / Alternative- …

Además, dado que los PWR son el estándar, y las agencias reguladoras son estrictas, por supuesto, obtener la aprobación de una mera modificación para un diseño PWR para su uso comercial es mucho más fácil, requiere menos tiempo y es menos costoso que un diseño nuevo. Muchas de las regulaciones están fosilizadas e inhiben la innovación, como las regulaciones que exigen ciertas medidas de seguridad que tienen sentido en un diseño PWR pero que no son necesarias en otros diseños.

Answer 3

En un reactor de combustible sólido moderno, casi todos usan una forma de combustible de óxido. Si bien esto tiene una buena estabilidad y captura de productos de fisión, tiene malas características de transferencia de calor. La transferencia térmica podría mejorarse con otras formas de combustible, permitiendo un flujo de refrigerante de salida a mayor temperatura, lo que a su vez conduciría a una mayor eficiencia térmica para el ciclo de energía.
Si está hablando del uso del uranio en reactores nucleares, eso es algo completamente diferente. Básicamente, todos los reactores, excepto algunos reactores reproductores (Rusia tiene uno en funcionamiento, al igual que India) utiliza el contenido fisible del uranio casi en su totalidad (bueno, al final del servicio, han utilizado alrededor del 80% y el otro 20% de su potencia ha venido del plutonio criado in situ). El isótopo de uranio-238 no es fisionable, solo fisiona un poco. Para hacer combustible nuclear útil a partir de él, necesita “reproducirse” a Pu-239.

Answer 4

Aferraré a la práctica de ingenieros nucleares, pero una limitación fundamental es el agotamiento del U-235 y los subproductos de las reacciones mitigarán otras reacciones.

El combustible de uranio se enriquece para que la reacción pueda tener lugar. Por lo tanto, en algún momento la reacción no puede sostenerse a pesar de que todavía hay energía potencial presente.

También tenga en cuenta que un par por ciento de la energía total posible sigue siendo una gran cantidad de energía: imagino que las armas nucleares son algo más eficientes en la “producción” de energía.

Answer 5

El combustible se envenena por los productos de fisión nuclear y, finalmente, el reactor no puede funcionar.

El combustible podría reprocesarse, pero generalmente no se hace, debido a los altos costos, los problemas para almacenar los productos de fisión y los peligros de haber separado el plutonio y el U235 que podrían ser robados.