TRISO - cząstki paliwa dla reaktorów HTGR

Jako wzorcowe paliwo dla reaktorów wysokotemperaturowych HTGR, w roku 1980 roku wybrano, z uwagi na nieproliferację, nisko wzbogacone (~10%) paliwo TRISO (TRiple coated ISOtropic).

TRISO - rozszepialne/paliworodne jądro w wielowarstwowej, odpornej powłoce ceramPaliwo TRISO - 0,5 mm jądro uranowe (uranowo-torowe) w wielowarstwowej odpornej powłoce ceramicznej wytrzymującej temperaturę 2000°C i ciśnienie 1000 atm

Są to malutkie kulki (cząstki paliwowe) o średnicy około 0,5 mm z materiału rozszczepialnego (ewentualnie z dodatkiem paliworodnego toru), pokryte wielowarstwową osłoną ceramiczną z czterech powłok: buforowej z porowatego węgla pirolitycznego, wewnętrznej z węgla pirolitycznego, osłonowej z węglika krzemu lub węglika cyrkonu i zewnętrznej z węgla pirolitycznego. Pierwsza warstwa buforowa ma za zadanie gromadzenie gazowych produktów rozszczepienia. Bardzo ważną rolę zatrzymywania produktów rozszczepienia ma twarda warstwa osłonowa (z SiC lub ZrC) pełniąca rolę koszulki.

Cząstka paliwa TRISO w trzech przekrojachCząstka paliwowa TRISO w powiększeniu. Jej odporna, ceramiczna powłoka wytrzymuje temperaturę do 2000°C i ciśnienie 1000 atm (fot U.S. Department of Energy)

Paliwo uranowe w reaktorach HTGR jest zwykle wzbogacane do 5%-8%. Jeżeli zamiast uranu używa się mieszaniny tlenków rozszczepialnego uranu i paliworodnego toru (UO2 + ThO2) lub węglików uranu i toru (UC + ThC), stosuje się wyższe wzbogacenie uranu do 15-18%.  Możliwości użycia innych rodzajów paliwa zostały pokazane na rysunku na dole strony.

Użyty w granulkach Th-232 nie jest rozszczepialny lecz paliworodny. Nie może być samodzielnym paliwem jądrowym i dopiero zmieszany z rozszczepialnym U-235 pod wpływem strumienia neutronów zamienia się w rozszczepialny U-233. Możliwość użycia toru jest bardzo korzystna, gdyż występuje on w skorupie ziemskiej sześciokrotnie częściej niż uran.

 

Niemieckie kule paliwowe wielkości piłki tenisowej
W kuli grafitowej nieco mniejszej od piłki tenisowej mieści się ponad 10 tys. granulek paliwa TRISO

Małe granulki paliwa TRISO są w reaktorach niemieckich równomiernie rozmieszczane wewnątrz kul grafitowych o średnicy 6 cm. 

 

Pryzmatyczne (sześciokątne) paliwo amerykańskieSześciokątne grafitowe bloki paliwa amerykańskiego są ustawiane w kolumny otaczające pierścieniem oś rdzenia reaktora

W reaktorach amerykańskich niemal milimetrowe kuleczki TRISO są pakowane w grafitowe gilzy umieszczane w pionowych kanałach sześciokątnych bloków grafitowych.

Różne źródła paliwa TRISOPaliwo TRISO może służyć głębszemu wypaleniu zużytego paliwa z najpowszechniejszych energetycznych reaktorów lekkowodnych oraz pozbyciu się plutonu z likwidowanych broni jądrowych

Do produkcji paliwa TRISO można używać wypalonego paliwa z reaktorów lekkowodnych LWR i plutonu z unieszkodliwianej broni jądrowej. Zatem budowanie i eksploatacja reaktorów HTGR zmniejsza ilość odpadów radioaktywnych i służy ochronie środowiska.

W reaktorach HTGR uzyskuje się znacznie większe wypalenie paliwa niż w reaktorach  PWR i BWR:

Reaktor Wypalenie
HTGR 100 000 MWd/t (lub więcej)
PWR 45 000 MWd/t
BWR 37 000-40 000 MWd/t
TRISO - rozszepialne/paliworodne jądro w wielowarstwowej, odpornej powłoce ceram
Cząstka paliwa TRISO w trzech przekrojach
Niemieckie kule paliwowe wielkości piłki tenisowej
Pryzmatyczne (sześciokątne) paliwo amerykańskie
Różne źródła paliwa TRISO