سوخت جدید راکتور هسته‌ای ایالات متحده را از معمولی به پریمیوم تغییر می‌دهد
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، یک راکتور هسته‌ای ایالات متحده از سوخت معمولی به سوخت پریمیوم با Southern Nuclear که چهار مجموعه آزمایش سرب (LTAs) را در راکتور Vogtle Unit ۲ در Waynesboro، جورجیا که حاوی اورانیوم غنی شده بالای ۵ درصد است، وارد کرده است.
سوخت هسته‌ای یکی از آن چیز‌هایی است که ما معمولا آن را بدیهی می‌دانیم. شما یک رآکتور هسته‌ای دارید، به سوخت نیاز دارد، شما سوخت را در آن قرار می‌دهید. QED. فرض کلی این است که پر کردن یک رآکتور با اورانیوم و پلوتونیوم مانند ریختن زغال سنگ در یک کوره دیگ بخار است - یک عملیات ساده که در مورد هسته‌ای، فقط کمی بیشتر درگیر است.
بیایید پیچیدگی زغال سنگ (و باور کنید که هست) را کنار بگذاریم و روی سوخت هسته‌ای تمرکز کنیم. برای اینکه شکافت هسته‌ای اتفاق بیفتد، سنگ معدن هسته‌ای نه تنها نیاز به پالایش دارد، بلکه باید غنی شود. یعنی درصد طبیعی وزن ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ به ۲۳۸ باید افزایش یابد.
اورانیوم طبیعی تنها حدود ۰.۷ درصد اورانیوم ۲۳۵ (U۲۳۵) است و تنها تعداد بسیار کمی از طرح‌های راکتور می‌توانند به هر درجه‌ای از آن استفاده کنند. مشکل این است که تعادلی که از اورانیوم ۲۳۸ (U۲۳۸) تشکیل شده است، قابل شکافت نیست. یعنی اتم‌ها برای تولید انرژی به درستی تقسیم نمی‌شوند، در حالی که اتم‌ها در U۲۳۵ این کار را انجام می‌دهند. بدتر از آن، برای اینکه U۲۳۵ یک واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای ایجاد کند، باید مقدار کافی از آن در غلظت کافی برای حفظ واکنش وجود داشته باشد. در مورد اکثر راکتور‌های هسته‌ای مدرن، این غلظت حدود ۳ تا ۵ ٪ U۲۳۵ تا U۲۳۸ است که به آن اورانیوم با غنای پایین (LEU) می‌گویند.
همه اینها فیزیک پایه دبیرستان است، بنابراین باید در کلاس به آن توجه می‌کردید. چیزی که نیست این است که این غنی سازی می‌تواند با انواع مختلف راکتور‌ها متفاوت باشد و به نتایج متفاوتی دست یابد.
برای مثال، زیردریایی‌های هسته‌ای از سوخت اورانیوم با غنای بالا (HEU) استفاده می‌کنند که ۲۰ تا ۹۳ درصد U۲۳۵ تا U۲۳۸ غنی شده است. دومی آنقدر بالاست که به زبان ساده وارد کلاس غنی سازی تسلیحاتی می‌شود.
یکی از دلایل انجام این کار اجازه دادن به راکتور‌هایی است که می‌توانند انرژی زیادی را در صورت نیاز پمپاژ کنند، و منظور من بسیار زیاد است. ناو هواپیمابر USS Enterprise دارای راکتور‌های هسته‌ای بود که آن را در آزمایش‌ها چنان محکم در آب فرو بردند که دستورات دائمی هرگز با گاز تمام نمی‌شد. همیشه
دلایل دیگر این است که این سوخت بسیار غنی شده به این معنی است که می‌توانید زیردریایی بسازید که هرگز نیازی به سوخت گیری نداشته باشد. در واقع، قایق‌های هسته‌ای مدرن نمی‌توانند سوخت گیری شوند. هیچ پیش بینی‌ای برای آن در طراحی آنها وجود ندارد. اگر مجبور به انجام این کار هستید، به این معنی است که زیردریایی را با مشعل باز کنید تا به رآکتور بروید. این سوخت همچنین به این معنی است که شما می‌توانید راکتور‌های بسیار فشرده‌ای بسازید که بسیار کارآمد هستند و نسبت به راکتور‌های تجاری کمتر در معرض آسیب‌های حرارتی و تشعشعی هستند.
با همکاری شرکت الکتریک وستینگهاوس، ساوث انکلیر از چنین چیزی بسیار دور است. کاری که آنها انجام می‌دهند این است که اندکی پوشش را فشار می‌دهند تا راکتور‌های معمولی بتوانند از مزایای راکتور‌های نسل بعدی که در حال ساخت هستند استفاده کنند که از سوخت LEU با سنجش بالا (HALEU) استفاده می‌کنند که غنی سازی آن ۵ تا ۲۰ درصد است.
تا به حال، راکتور‌های HALEU یا کار‌های تحقیقاتی یا طراحی‌های جدید عجیب و غریب با استفاده از فناوری نمک مذاب و پیشرفت‌های دیگر بوده‌اند. این آزمایش راکتور تجاری که به عنوان بخشی از برنامه سوخت مقاوم در برابر تصادف وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) توسعه یافته است، با هدف یافتن سوخت‌های غنی شده جدیدی است که می‌توانند در یک راکتور معمولی برای بهبود عملکرد، افزایش عمر سوخت و کاهش ضایعات سوزانده شوند.
این صرفاً اضافه کردن U۲۳۵ بیشتر به مخلوط نیست. هنگامی که یک سوخت به شدت غنی می‌شود، یک دستور العمل جدید برای ساخت گلوله‌های اورانیوم که به میله‌های سوخت می‌روند مورد نیاز است. سوخت‌های LEU اساساً یک سرامیک اورانیوم هستند، اما سوخت‌های با غنای بالا یک آلیاژ اورانیوم-زیرکونیوم یا آلیاژ اورانیوم-آلومینیوم هستند.
آنها همچنین از آنچه «سم‌های هسته‌ای قابل سوختن» نامیده می‌شوند، عناصری مانند بور-۱۰ و گادولینیم-۱۵۷ که نوترون‌ها را جذب می‌کنند و واکنش‌های هسته‌ای را تضعیف می‌کنند، ترکیب می‌کنند. این انرژی خروجی را حتی در طول عمر سوخت حفظ می‌کند. در اوایل، سموم واکنش‌ها را متوقف می‌کنند، اما با گذشت زمان سموم می‌سوزند و به سوخت باقی‌مانده اجازه می‌دهند تا با همان سرعت از بین برود.
سوخت آزمایشی این آزمایش توسط وستینگهاوس ساخته شده است. ADOPT نامیده می‌شود، یک طراحی بهبود یافته دی اکسید اورانیوم (UO۲) است که با کرومیا (Cr۲O۳) و آلومینا (Al۲O۳) دوپ شده است. این امر چگالی اورانیوم بیشتری تولید می‌کند، هدایت حرارتی را بهبود می‌بخشد و گاز آزاد شده توسط فرآیند شکافت را کاهش می‌دهد که می‌تواند به سوخت آسیب برساند. علاوه بر این، تعامل سوخت ADOPT با روکش فلزی روی میله‌های سوخت، احتمال خرابی روکش را کاهش می‌دهد.
به گفته وستینگهاوس، نوعی به نام سوخت LEU+ ADOPT می‌تواند غنی‌سازی تا ۸ درصد را انجام دهد و عملکرد راکتور معمولی را با کاهش نیاز به سوخت‌گیری تا حد زیادی بهبود بخشد. گلوله‌های سوخت ADOPT در Westinghouse Springfields Fuels Ltd در لی، لنکشایر، انگلستان، با پودر اورانیوم تهیه شده توسط آزمایشگاه ملی آیداهو تولید شد. پس از ساخته شدن در چهار مجموعه میله سوخت، اینها در نیروگاه Vogtle Unit ۲ قرار گرفتند و در آنجا نحوه واکنش آنها به قرار گرفتن در معرض تشعشعات شدید از طریق چرخه‌های راکتور چندگانه بررسی می‌شود.
پیت سنا، رئیس و مدیر عامل شرکت هسته‌ای جنوبی گفت: این دستاورد نه تنها برای انعطاف‌پذیری کل ناوگان عملیاتی ایالات متحده، بلکه برای فناوری‌های هسته‌ای آینده یک گام مهم رو به جلو است. هدف ما این است که واحد‌های خود را برای دوره‌های طولانی‌تر با خروجی بالاتر، و با سوخت غنی شده بالاتر، کار کنیم، حتی در موقعیت بهتری برای پاسخگویی به نیاز‌های رو به رشد انرژی ایالت جورجیا هستیم.