Quanto o Protactinium pode degradar a eficiência do ciclo de combustível do tório?

Um dos contrapontos ao ciclo de combustível do tório é que o Protactinium, que é gerado nesse ciclo degrada a eficiência do reator e, portanto, precisa ser removido , pelo menos dos reatores de fluoreto líquido ou sal fundido. No entanto, até onde sei, o Protactinium não foi removido durante o funcionamento do primeiro reator de tório de combustível sólido, que era o terceiro núcleo usado na Shippingport; ou pelo menos não consigo mencionar a remoção do Protactinium (durante a operação) no relatório oficial de combustível .

Então, pergunta (s):

• Quantitativamente, quão ruim a eficiência do reator pode ser degradada pelo Protactinium não ser removido?
• Até que ponto essa degradação depende do tipo e de outros parâmetros (geometria etc.) do reator?

Essa é uma questão bastante complexa, pois existem várias variáveis ​​e muitos projetos propostos para os ciclos de combustível de tório também; mas parece que seu principal interesse é se deixar ou não o Pa-233 em solução afetará adversamente o ciclo nuclear do tório até o ponto em que faz mais sentido remover esse isótopo a ser reintroduzido após a deterioração beta do nosso tão necessário U- 233 combustível.

Para responder a essa pergunta brevemente, primeiro assumamos um reator térmico (como nos nêutrons são bem moderados e possuem energias ideais para a fissão do U-233). A seguir, vamos supor a composição com 98% de Th-232, 1% de Pa-233 e 1% de U-233.

As seções transversais de cada um desses isótopos (quão grandes são para um nêutron térmico) são aproximadamente: Th-232, 7,37 celeiros para absorção; Pa-233, 40 celeiros para absorção; U-233, 529 celeiros para a fissão. Se você não sabe o que é um 'celeiro', basicamente nada mais é do que descrever o tamanho 2D dos núcleos alvo, tanto quanto ter uma interação com o nêutron recebido. 1 celeiro = 10 ^-24 cm ² e recebeu esse nome porque, em escalas atômicas, como diz o velho ditado, "... é tão grande quanto um celeiro".

Essa informação pode ser usada para derivar a distância média que um nêutron percorrerá antes de ter uma "colisão / interação" com um desses átomos (também conhecido como caminho livre médio de transporte). A função é a seguinte:

Onde:

• $l$ é o caminho livre do meio de transporte;
• $\sigma$ é a seção transversal do isótopo;
• $N$ é a densidade numérica do isótopo;
• $A$ é o número de prótons e nêutrons no isótopo .

Como todos eles são muito semelhantes em número de prótons e nêutrons, podemos eliminar o termo . Além disso, essa função é usada principalmente para espalhar e calcular a perda de energia de um nêutron através de uma dada profundidade de material, mas também funciona bem para absorção, deixando-nos com:$\frac{2}{3A}$

Essa fórmula fornece a distância média (ish) que um nêutron percorre através de um material antes de ter uma interação com um átomo (absorção, fissão, dispersão etc.).

Com algumas trocas rápidas de números (pulando as densidades exatas de número e indo com a% de composições), podemos ver facilmente que a distância média percorrida pelo nêutron é superior a uma ordem de magnitude mais curta para o U-233 e o Th-232 vs. o Pa -233 isótopo, de modo que seus efeitos na 'eficiência' deste reator seriam desprezíveis.

Para responder suas perguntas:

• A formação de Pa-233 afeta a eficiência do reator? Sim.
• É essencial remover o Pa-233 para ter um ciclo viável de combustível de tório? Não.
• A geometria do reator afeta a eficiência? Sim, mas essa é outra questão. ;)

Espero que isto ajude!

A separação do protactínio é um bom benefício dos reatores de fluoreto de tório líquido, possibilitados pelo fato de o combustível (e o protactínio) estarem na forma líquida. É fácil bombear e fazer coisas de química.

O reator Shippingport era um reator de combustível sólido (óxido de tório) com água como refrigerante e moderador. Portanto, o protactínio teria ficado preso nos elementos combustíveis.

Outros ciclos de combustível (por exemplo, U-235) também geram venenos no reator. Na verdade, eles tornam inúteis os elementos sólidos de combustível antes de todo o combustível ter sido consumido. É possível derreter o combustível e recuperar o material fissionável útil. Esse processo não desfrutou do nível de adoção que, de outra forma, poderia ser devido à política, burocracia etc. Muitas vezes, o combustível usado é simplesmente descartado sem reprocessamento.

A resposta (acredite ou não) é não. Por quê? Porque agora o Protactinium está sendo discutido como um "aditivo" aos reatores nucleares para melhorar a queima de combustível. O custo da remoção do Protactinium não é necessário.

Ambos são fissionáveis. Então, resposta curta é não.