Americium and Curium Burnup in a Fusion Reactor

• A large amount of spent nuclear fuel (SNF) from nuclear power plants has been accumulated globally to date, and there is still no established strategy for handling it. While SNF can be partitioned, the predominant isotope Uranium-238 can be used to produce secondary fuel in fast nuclear reactors, and plutonium be burned in thermal nuclear reactors as a part of MOX fuel. Fission products can be disposed in geological repositories, as they decay in 200—300 years — much sooner than SNF. A major challenge is to handle minor actinides (MAs), particularly americium and curium, which are long-lived elements and are currently not recycled. They have different nuclear properties and cannot be treated like plutonium. It is possible to have americium and curium effectively burned up (fissioned) through irradiation with fusion neutrons. This paper explores the idea of employing fusion power plants for recycling those elements. An appropriate model was generated, which used americium and curium quantities small enough to avoid any strong impact on the reactor systems and operation. At the same time, the model allowed for high MA burnup rates. Nuclear facility used in the model was a torus-shaped thermonuclear reactor with plasma major and minor radii of 1000 and 300 cm, respectively. Such facility could take up additional 10 t of fuel (americium plus curium) with no significant impact on its physical characteristics. The americium and curium burnup rates, calculated with the MNCPX code, were within acceptable limits. Fission neutrons were found to contribute to the production of tritium, which may be important from the standpoint of the reactor’s self-sufficiency in tritium supply. Calculations proved that the reactivity of the reactor as a fission burner was low, enabling a safe operation. In addition to the MA incineration and tritium breeding capacities, fission reactions provided for a moderate (tens of percent) power gain.  

• В настоящее время во всём мире накоплено большое количество отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) с атомных электростанций, и до сих пор нет установленной стратегии обращения с ним, в то время как ОЯТ может быть сепарировано, преобладающий изотоп 238U может быть использован для получения вторичного топлива в быстрых ядерных реакторах, а плутоний может сжигаться в ядерных реакторах в качестве части МОКС-топлива. Продукты деления можно утилизировать в геологических хранилищах, так как они распадаются через 200—300 лет, гораздо раньше, чем ОЯТ. Основная проблема заключается в обработке минорных актинидов (МА), особенно америция и кюрия, которые являются долгоживущими элементами и в настоящее время не перерабатываются. Они обладают различными ядерными свойствами и не могут использоваться так же, как плутоний. Можно эффективно сжигать америций и кюрий (расщеплять) путём облучения термоядерными нейтронами. В настоящей статье исследуется идея создания термоядерных электростанций для переработки этих элементов. Была создана соответствующая модель, в которой использовались количества америция и кюрия, достаточно малые, чтобы избежать какого-либо сильного воздействия на реакторные системы и их работу. В то же время модель допускала высокие показатели выгорания МА. Ядерная установка, используемая в модели, представляла собой термоядерный реактор в форме тора с большим и малым радиусами плазмы 1000 и 300 см соответственно. Такая установка могла бы потреблять дополнительно 10 т топлива (америций плюс кюрий) без существенного влияния на её физические характеристики. Скорости выгорания америция и кюрия, рассчитанные с помощью кода MNCPX, находились в требуемых пределах. Было обнаружено, что нейтроны деления способствуют производству трития, что может быть важно с точки зрения самодостаточности реактора в поставках трития. Расчёты показали, что реактивность реактора была низкой, что обеспечивало безопасную эксплуатацию. В дополнение к мощностям сжигания МА и размножения трития реакции деления обеспечивали умеренный (десятки процентов) прирост мощности. 

Subject headings

NATURVETENSKAP  -- Fysik -- Fusion, plasma och rymdfysik (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Physical Sciences -- Fusion, Plasma and Space Physics (hsv//eng)

Publication and Content Type

ref (subject category)

art (subject category)