Formeringsreaktor

Formeringsreaktor, breeder-reaktor eller avlsreaktor er en atomreaktor som er i stand til å produsere mer fissilt materiale enn den bruker. Reaktoren kan gjøre dette fordi det blir produsert et overskudd av nøytroner i fisjonsprosessen som det fertile stoffet, eksempelvis uran-238 eller thorium-232, tar til seg gjennom nøytronabsorpsjon og etterfølgende transmutasjon. Uran-238 konverter til plutonium-239 og thorium-232 til uran-233. Formeringsreaktor kan dermed hente ut ca 100 ganger mer energi fra uranet enn konvensjonelle lettvannsreaktorer.

Sammenstilling av kjernen til en eksperimental formeringsreaktor i Idaho, 1951

Historie

Oppdagelsen av kjernefysisk fisjon sent i 1930-årene gav håp om at energien fra atomkjernen kunne erstatte den begrensete tilgangen til fossilt drivstoff med en ren og relativt billig energi. Selv om tilgangen til uran og thorium var stor kunne de ikke brukes direkte i fisjonsprossesen. Tidlige tester viste at det bare var enkelte isotoper av uran og plutonium som kunne brukes.

Tidlig i 1940-årene var det kjent at isotopene uran-233, uran-235 og plutonium-239 ville fisjonere når det ble bombardert med nøytroner med en energi på <1 eV og med energier på rundt 1 MeV, disse isotopene ble kalt fissile isotoper. Det ble også oppdaget at uran-238 og thorium-232 fisjonerte når energinivået på nøytronene var 1 MeV eller mer, men disse kunne ikke opprettholde en kjedereaksjon slik som de fissile isotopene kunne. I uran var det bare 0,7 % av det fissile isotopen uran-235, den resterende massen, ca 99 % var stort sett uran-238. Det ble også kjent at uran-238 og thorium-232 kunne ta til seg et nøytron når energien er lavere enn 1 MeV og danne isotopene plutonium-239 og uran-233 som er fissile isotoper, uran-238 og thorium-232 ble derfor kalt fertilt stoff.

Det ble også kjent at plutonium-239 sendte ut flere nøytroner enn det som ble absorbert i det raske spekteret av nøytronstråling enn det som var tilfelle med termiske nøytroner. Det høye nummeret av nøytronstråling fra plutonium-239 betydde at det var flere nøytroner tilgjengelig til å omdanne uran-238 til plutonium-239, dermed utviklet ideen om at en hurtig formeringsreaktor kunne bli brukt til å omdanne mer plutonium-239 enn det som ble konsumert.

Typer formeringsreaktor

Verdens første eksperimental formeringsreaktor experimental breeder reactor I (EBR-I) etter en delvis nedsmelting i 1955.

Det finnes mange typer formeringsreaktorer, disse kan deles inn i to kategorier, Termiske formeringsreaktorer og Hurtige formeringsreaktorer.

• Termisk formeringsreaktor bruker termiske nøytroner, det vil si nøytroner som er i likevekt med omgivelsene (ca. 0,025 elektronvolt og som dermed holder en fart på 2.2 km/s). Nøytronene bremses opp ved hjelp av en nøytronmoderator. Det er thorium som er best egnet i denne typen reaktorer og kan produserer uran-233 fra thorium-232: ${}_{\ 90}^{232}\mathrm {Th} +\mathrm {n} \rightarrow {}_{\ 90}^{233}\mathrm {Th} +\gamma \ {\xrightarrow {\beta ^{-}}}\ {}_{\ 91}^{233}\mathrm {Pa} \ {\xrightarrow {\beta ^{-}}}\ {}_{\ 92}^{233}\mathrm {U}$ Uran- og plutoniumsbasert brensel vil ikke kunne produsere nok nøytroner per fisjon i en termisk formeringsreaktor til å fungere som en formeringsreaktor, til dette må det brukes en hurtigreaktor.
• Hurtig formeringsreaktor bruker hurtige nøytroner (ca 1 MeV og oppover, det vil si nøytroner som beveger seg raskere enn 14,000 km/s). Disse reaktorene kan produsere plutonium-239 fra utarmet uran (uran-238). I tillegg kan de produsere uran-233 fra thorium-232 noe som gjør disse reaktorene mer fleksible enn termiske formeringsreaktorer. I hurtige reaktorer kan ikke vann bli brukt som kjølemedia fordi vann fungere som en moderator og bremser hastigheten til nøytronene, istedenfor blir natrium som er flytende tilstand på mellom 97,72 og 883°C brukt i hurtig reaktorer. Natrium bremser ikke opp nøytronene like mye som vann. I tillegg kan bly bli brukt som kjølemedia. Smeltet salt og gasskjølte reaktorer blir også vurdert.