Magnox — это тип ядерного энергетического/производственного реактора , который был разработан для работы на природном уране с графитом в качестве замедлителя и углекислым газом в качестве теплоносителя . Он принадлежит к более широкому классу газоохлаждаемых реакторов . Название происходит от магниево - алюминиевого сплава (называемого Magnesium non- oxidising ) , используемого для оболочки топливных стержней внутри реактора. Как и большинство других « ядерных реакторов первого поколения », Magnox был разработан с двойной целью: производить электроэнергию и плутоний-239 для зарождающейся программы ядерного оружия в Великобритании . Название относится конкретно к проекту Соединенного Королевства, но иногда используется в общем смысле для обозначения любого похожего реактора.
Как и в других реакторах, производящих плутоний, сохранение нейтронов является ключевым элементом конструкции. В Magnox нейтроны замедляются в больших блоках графита . Эффективность графита как замедлителя позволяет Magnox работать на природном урановом топливе, в отличие от более распространенного коммерческого легководного реактора , которому требуется слегка обогащенный уран . Графит легко окисляется на воздухе, поэтому активная зона охлаждается CO2 , который затем закачивается в теплообменник для генерации пара , приводящего в действие обычное паровое турбинное оборудование для производства электроэнергии. Активная зона открыта с одного конца, поэтому топливные элементы можно добавлять или удалять во время работы реактора.
Возможность «двойного использования» конструкции Magnox привела к тому, что Великобритания накопила большой запас плутония топливного /«реакторного» качества с помощью перерабатывающего завода B205 . Низко-промежуточная характеристика выгорания конструкции реактора стала причиной изменений в нормативных классификациях США после испытания детонации плутония «реакторного» качества, проведенного США и Великобританией в 1960-х годах. Несмотря на усовершенствования конструкции в последующие десятилетия, когда производство электроэнергии стало основной эксплуатационной целью, реакторы Magnox никогда не были способны конкурировать с более высокой эффективностью и более высоким « выгоранием » топлива реакторов с водой под давлением .
Всего было построено всего несколько десятков реакторов этого типа, большинство из них в Великобритании с 1950-х по 1970-е годы, и очень немногие были экспортированы в другие страны. Первым реактором Magnox, который был запущен в эксплуатацию, был Calder Hall (на площадке Sellafield ) в 1956 году, который часто считают первой в мире коммерческой атомной электростанцией, [1] в то время как последним в Великобритании, который был закрыт, был реактор 1 в Wylfa (на Англси ) в 2015 году. По состоянию на 2016 год [обновлять], Северная Корея остается единственным оператором, который продолжает использовать реакторы типа Magnox, в Ядерном научно-исследовательском центре в Йонбёне . Конструкция Magnox была заменена усовершенствованным газоохлаждаемым реактором , который охлаждается аналогичным образом, но включает изменения для улучшения его экономических показателей.
Первым полномасштабным ядерным реактором Великобритании был реактор Windscale Pile в Селлафилде . Котел был разработан для производства плутония-239 , который вырабатывался в многонедельных реакциях, происходящих в топливе из природного урана . В нормальных условиях природный уран недостаточно чувствителен к собственным нейтронам , чтобы поддерживать цепную реакцию . Для повышения чувствительности топлива к нейтронам используется замедлитель нейтронов , в данном случае высокоочищенный графит . [2] [3]
Реакторы состояли из огромного куба этого материала («кучи»), составленного из множества более мелких блоков и просверленных горизонтально, чтобы сделать большое количество топливных каналов . Урановое топливо помещалось в алюминиевые канистры и вталкивалось в каналы спереди, проталкивая предыдущие топливные канистры через канал и выталкивая их из задней части реактора, где они падали в бассейн с водой. Система была разработана для работы при низких температурах и уровнях мощности и охлаждалась воздухом с помощью больших вентиляторов. [2] [3]
Графит горюч и представляет серьезную угрозу безопасности. Это было продемонстрировано [ сомнительно – обсудить ] 10 октября 1957 года, когда загорелся блок 1 на теперь уже двухблочной площадке. Реактор горел три дня, и масштабного загрязнения удалось избежать только благодаря установке систем фильтрации, которые ранее высмеивались как ненужные « глупости ». [4]
Когда ядерный истеблишмент Великобритании начал обращать внимание на ядерную энергетику , потребность в большем количестве плутония для разработки оружия оставалась острой. Это привело к попытке адаптировать базовую конструкцию Windscale к версии для производства энергии, которая также производила бы плутоний. Чтобы быть экономически полезной, завод должен был бы работать на гораздо более высоких уровнях мощности, а чтобы эффективно преобразовывать эту энергию в электричество, он должен был бы работать при более высоких температурах.
На этих уровнях мощности риск возгорания усиливается, и воздушное охлаждение больше не подходит. В случае конструкции Magnox это привело к использованию углекислого газа (CO2 ) в качестве охладителя. В реакторе нет возможности регулировать поток газа через отдельные каналы во время работы на мощности, но поток газа регулировался с помощью заглушек потока, прикрепленных к опорной стойке, которая находилась в диагональной сетке . Эти заглушки использовались для увеличения потока в центре активной зоны и уменьшения его на периферии. Основной контроль над скоростью реакции обеспечивался несколькими (48 в Chapelcross и Calder Hall) стержнями управления из борсодержащей стали, которые можно было поднимать и опускать по мере необходимости в вертикальных каналах.
При более высоких температурах алюминий уже не является структурно прочным, что привело к разработке оболочки твэла из сплава магнокс . К сожалению, магнокс становится все более реактивным с ростом температуры, и использование этого материала ограничило рабочие температуры газа до 360 °C (680 °F), что намного ниже желаемого для эффективного производства пара. Этот предел также означал, что реакторы должны были быть очень большими, чтобы генерировать любой заданный уровень мощности, что еще больше усиливалось использованием газа для охлаждения, поскольку низкая теплоемкость жидкости требовала очень высоких скоростей потока.
Топливные элементы Magnox состояли из очищенного урана, заключенного в свободно прилегающую оболочку Magnox, а затем нагнетались гелием . Внешняя часть оболочки обычно была оребрена для улучшения теплообмена с CO 2 . Сплав Magnox реагирует с водой, что означает, что его нельзя оставлять в охлаждающем пруду после извлечения из реактора на длительные периоды времени. В отличие от компоновки Windscale, конструкция Magnox использовала вертикальные топливные каналы. Это требовало, чтобы топливные оболочки были соединены вместе встык или располагались одна поверх другой, чтобы их можно было вытащить из каналов сверху.
Как и проекты Windscale, более поздние реакторы Magnox позволяли получить доступ к топливным каналам и могли дозаправляться во время работы . Это было ключевым критерием для проекта, поскольку использование природного урана приводит к низким коэффициентам выгорания и необходимости частой дозаправки. Для использования энергии топливные контейнеры оставались в реакторе как можно дольше, в то время как для производства плутония они извлекались раньше. Сложное оборудование для дозаправки оказалось менее надежным, чем реакторные системы, и, возможно, невыгодным в целом. [6]
Вся сборка реактора была помещена в большой сосуд высокого давления. Из-за размера кучи только сама активная зона реактора была помещена в стальную сборку высокого давления, которая затем была окружена бетонным защитным сооружением (или «биологическим щитом»). Поскольку в ядре не было воды, и, следовательно, не было возможности парового взрыва, сооружение смогло плотно обернуть сосуд высокого давления, что помогло сократить расходы на строительство. Чтобы уменьшить размер защитного сооружения, в ранних проектах Magnox теплообменник для газа CO2 размещался снаружи купола, подключенный через трубопровод. Хотя у этого подхода были сильные стороны в том, что обслуживание и доступ в целом были более простыми, основным недостатком было «сияние» излучения, особенно из незащищенного верхнего канала.
Конструкция Magnox была эволюцией и никогда по-настоящему не была завершена, и более поздние блоки значительно отличались от более ранних. По мере увеличения потоков нейтронов для повышения плотности мощности возникли проблемы с нейтронной хрупкостью, особенно при низких температурах. Более поздние блоки в Oldbury и Wylfa заменили стальные сосуды под давлением на предварительно напряженные бетонные версии, которые также содержали теплообменники и паровую установку. Рабочее давление варьируется от 6,9 до 19,35 бар для стальных сосудов и 24,8 и 27 бар для двух бетонных конструкций. [7]
Ни одна британская строительная компания в то время не была достаточно крупной, чтобы построить все электростанции, поэтому были задействованы различные конкурирующие консорциумы, что усугубляло различия между станциями; например, почти на каждой электростанции использовалась различная конструкция топливного элемента Magnox. [8] Большинство построек Magnox страдали от превышения сроков и роста стоимости. [9]
Для первоначального запуска реактора источники нейтронов располагались внутри активной зоны, чтобы обеспечить достаточное количество нейтронов для инициирования ядерной реакции. Другие аспекты конструкции включали использование формирующих или сглаживающих стержней или стержней управления для выравнивания (в некоторой степени) плотности потока нейтронов по всей активной зоне. Если бы они не использовались, поток в центре был бы очень высоким по сравнению с внешними областями, что приводило бы к чрезмерным центральным температурам и более низкой выходной мощности, ограниченной температурой центральных областей. Каждый топливный канал имел бы несколько элементов, уложенных друг на друга, чтобы сформировать стрингер . Это требовало наличия запорного механизма, позволяющего извлекать и обрабатывать стопку. Это вызывало некоторые проблемы, поскольку используемые пружины Nimonic содержали кобальт, который облучался, давая высокий уровень гамма-излучения при извлечении из реактора. Кроме того, к некоторым элементам были прикреплены термопары, которые необходимо было снимать при выгрузке топлива из реактора.
Природа «двойного назначения» конструкции Magnox приводит к компромиссам в конструкции, которые ограничивают ее экономические показатели. Когда конструкция Magnox была развернута, работа над усовершенствованным газоохлаждаемым реактором (AGR) уже велась с явным намерением сделать систему более экономичной. Главным среди изменений было решение запустить реактор при гораздо более высоких температурах, около 650 °C (1200 °F), что значительно повысило бы эффективность при работе паровых турбин, извлекающих энергию . Это было слишком горячо для сплава Magnox, и AGR изначально планировалось использовать новую оболочку на основе бериллия , но она оказалась слишком хрупкой. Ее заменили оболочкой из нержавеющей стали , но она поглощала достаточно нейтронов, чтобы повлиять на критичность, и, в свою очередь, потребовала, чтобы конструкция работала на слегка обогащенном уране, а не на природном уране Magnox, что привело к увеличению расходов на топливо. В конечном итоге экономичность системы оказалась немногим лучше, чем у Magnox. Бывший экономический советник казначейства Дэвид Хендерсон описал программу AGR как одну из двух самых дорогостоящих ошибок проекта, спонсируемых британским правительством, наряду с «Конкордом» . [10]
Источник: [11]
Первые реакторы Magnox в Колдер-Холле [12] были разработаны в первую очередь для производства плутония для ядерного оружия . [13] Производство плутония из урана путем облучения в котле генерирует большое количество тепла, которое необходимо утилизировать, и поэтому производство пара из этого тепла, которое можно было бы использовать в турбине для выработки электроэнергии или в качестве технологического тепла на близлежащем заводе Windscale , рассматривалось как своего рода «бесплатный» побочный продукт важного процесса.
Реакторы Колдер-Холла имели низкую эффективность по сегодняшним меркам, всего 18,8%. [14]
В 1957 году британское правительство приняло решение о развитии ядерной энергетики и о программе строительства для достижения мощности в 5000–6000 МВт к 1965 году, что составляло четверть потребностей Великобритании в электроэнергии. [13] Хотя сэр Джон Кокрофт сообщил правительству, что электроэнергия, вырабатываемая ядерной энергетикой, будет дороже, чем электроэнергия, вырабатываемая с помощью угля, правительство решило, что атомные электростанции как альтернатива угольным электростанциям будут полезны для снижения переговорной силы профсоюзов шахтеров, [9] и поэтому решило двигаться вперед. В 1960 году правительственный документ сократил программу строительства до 3000 МВт, [13] признав, что угольная генерация на 25% дешевле. [9] В заявлении правительства Палате общин в 1963 году говорилось, что ядерная генерация более чем в два раза дороже угольной. [9] «Плутониевый кредит», который присваивал стоимость произведенному плутонию, использовался для улучшения экономической ситуации, [15] хотя операторам электростанций этот кредит никогда не выплачивался.
После извлечения из реактора отработанные топливные элементы хранятся в охлаждающих прудах (за исключением Wylfa, где имеются сухие хранилища в атмосфере углекислого газа), где остаточное тепло передается воде пруда, а затем удаляется системой циркуляции, охлаждения и фильтрации воды пруда. Тот факт, что топливные элементы могут храниться в воде только ограниченное время, прежде чем оболочка Magnox испортится, и поэтому их неизбежно придется перерабатывать , добавил к расходам программы Magnox. [16]
В более поздних обзорах критиковалась постоянная разработка проекта за проектом вместо стандартизации наиболее экономичной конструкции, а также за упорную разработку реактора, который получил только два экспортных заказа. [17]
Ретроспективная оценка затрат с использованием низкой ставки дисконтирования капитала в 5% показала, что затраты на электроэнергию Magnox были почти на 50% выше, чем могли бы обеспечить угольные электростанции. [18]
В то время считалось, что реакторы Magnox обладают значительной степенью внутренней безопасности из-за их простой конструкции, низкой плотности мощности и газового охладителя. Из-за этого они не были снабжены вторичными защитными элементами. Принципом проектирования безопасности в то время был принцип «максимально вероятной аварии», и предполагалось, что если бы установка была спроектирована так, чтобы выдерживать ее, то все другие меньшие, но похожие события были бы охвачены. Аварии с потерей охладителя (по крайней мере, те, которые рассматривались в проекте) не привели бы к крупномасштабному отказу топлива, поскольку оболочка Magnox удерживала бы большую часть радиоактивного материала, предполагая, что реактор был быстро остановлен ( SCRAM ), поскольку остаточное тепло могло бы быть удалено естественной циркуляцией воздуха. Поскольку охладитель уже является газом, взрывное нарастание давления от кипения не представляет риска, как это произошло при катастрофическом паровом взрыве во время аварии на Чернобыльской АЭС . Отказ системы остановки реактора для быстрого отключения реактора или отказ естественной циркуляции не рассматривались в проекте. В 1967 году на АЭС Чапелкросс произошло расплавление топлива из-за ограниченного потока газа в отдельном канале, и хотя персонал станции справился с этой проблемой без серьезных происшествий, это событие не было предусмотрено и не планировалось, а выброс радиоактивности оказался выше, чем предполагалось при проектировании станции.
Несмотря на веру в их изначально безопасную конструкцию, было решено, что станции Magnox не будут строиться в густонаселенных районах. Ограничение по размещению было решено таково, что любой сектор 10 градусов будет иметь население менее 500 в пределах 1,5 миль (2,4 км), 10 000 в пределах 5 миль (8,0 км) и 100 000 в пределах 10 миль (16 км). Кроме того, население вокруг участка во всех направлениях будет меньше шестикратного ограничения 10 градусов. Ограничения по разрешениям на планирование будут использоваться для предотвращения любого большого роста населения в пределах пяти миль. [19]
В старой конструкции стального корпуса под давлением котлы и газоходы находятся за пределами бетонной биологической защиты. Следовательно, эта конструкция испускает значительное количество прямого гамма- и нейтронного излучения , называемого прямым «излучением», от реакторов. [20] Например, наиболее облученные члены населения, проживающие вблизи реактора Dungeness Magnox в 2002 году, получили 0,56 мЗв , что превышает половину максимального предела дозы облучения для населения, рекомендованного Международной комиссией по радиологической защите , только от прямого «излучения». [21] Дозы от реакторов Oldbury и Wylfa , которые имеют бетонные корпуса под давлением, которые инкапсулируют весь газовый контур, намного ниже.
Всего в Великобритании, где и был разработан проект, было построено 11 электростанций с общим числом блоков 26. Кроме того, один был экспортирован в Токай в Японии [22] , а другой в Латину в Италии [19] . Северная Корея также разработала собственные реакторы Magnox на основе британского проекта, который был обнародован на конференции «Атомы для мира» .
Первая электростанция Magnox, Calder Hall , была первой в мире атомной электростанцией, вырабатывающей электроэнергию в промышленных масштабах [12] (электростанция в Обнинске, Россия, начала поставлять электроэнергию в сеть в очень малых некоммерческих количествах 1 декабря 1954 года). Первое подключение к сети состоялось 27 августа 1956 года, а официальное открытие станции было осуществлено королевой Елизаветой II 17 октября 1956 года. [23] Когда станция закрылась 31 марта 2003 года, первый реактор проработал почти 47 лет. [24]
Первые две станции (Колдер Холл и Чапелкросс ) изначально принадлежали UKAEA и в первую очередь использовались на раннем этапе своей деятельности для производства оружейного плутония с двумя загрузками топлива в год. [25] С 1964 года они в основном использовались в коммерческих топливных циклах, а в апреле 1995 года правительство Великобритании объявило, что все производство плутония для оружейных целей прекращено. [26]
Более поздние и более крупные установки принадлежали CEGB и работали на коммерческих топливных циклах. [27] Однако Хинкли-Пойнт А и две другие станции были модифицированы таким образом, чтобы оружейный плутоний мог быть извлечен для военных целей, если возникнет такая необходимость. [28] [29]
На ранних этапах эксплуатации было обнаружено, что имело место значительное окисление компонентов из мягкой стали под воздействием высокотемпературного охладителя на основе диоксида углерода, что потребовало снижения рабочей температуры и выходной мощности. [30] Например, реактор Latina был снижен в 1969 году на 24%, с 210 МВт до 160 МВт, за счет снижения рабочей температуры с 390 до 360 °C (с 734 до 680 °F). [31]
Управление по выводу из эксплуатации ядерных объектов (NDA) 30 декабря 2015 года объявило, что блок 1 АЭС Wylfa — последний в мире работающий реактор Magnox — был закрыт. Блок вырабатывал электроэнергию на пять лет дольше, чем изначально планировалось. Два блока в АЭС Wylfa должны были быть закрыты в конце 2012 года, но NDA приняло решение закрыть блок 2 в апреле 2012 года, чтобы блок 1 мог продолжать работать, чтобы полностью использовать имеющиеся запасы топлива, которое больше не производилось. [32]
Небольшой экспериментальный реактор мощностью 5 МВт , созданный по проекту Magnox в Йонбёне в Северной Корее , продолжает работать по состоянию на 2016 год . [обновлять]
Magnox — это также название сплава , в основном из магния с небольшим количеством алюминия и других металлов, используемого в оболочке необогащенного уранового металлического топлива с неокисляющим покрытием для удержания продуктов деления. Magnox — это сокращение от Mag nesium n on- ox idising. Этот материал имеет преимущество в виде низкого сечения захвата нейтронов , но имеет два основных недостатка:
Топливо Magnox включало охлаждающие ребра для обеспечения максимальной теплопередачи, несмотря на низкие рабочие температуры, что делало его производство дорогим. Хотя использование металлического урана вместо оксида делало переработку более простой и, следовательно, более дешевой, необходимость перерабатывать топливо вскоре после извлечения из реактора означала, что опасность продуктов деления была серьезной. Для устранения этой опасности требовались дорогостоящие средства удаленной обработки.
Термин «магнокс» может также вольно означать:
Управление по выводу из эксплуатации (NDA) отвечает за вывод из эксплуатации британских электростанций Magnox, стоимость которых оценивается в 12,6 млрд фунтов стерлингов. Ведутся дебаты о том, следует ли принять стратегию вывода из эксплуатации сроком на 25 или 100 лет. Через 80 лет радиоактивные материалы с коротким сроком жизни в выгруженном ядре распадутся до такой степени, что доступ человека к конструкции реактора станет возможным, что облегчит работы по демонтажу. Более короткая стратегия вывода из эксплуатации потребует применения роботизированной техники демонтажа активной зоны. [33] Текущий план вывода из эксплуатации, рассчитанный примерно на 100 лет, называется Safestore. Также рассматривалась 130-летняя стратегия отложенного Safestore с предполагаемой экономией в 1,4 млрд фунтов стерлингов, но она не была выбрана. [34]
Кроме того, площадка в Селлафилде , где, помимо прочего, перерабатывалось отработанное топливо Магнокс, имеет предполагаемую стоимость вывода из эксплуатации в размере 31,5 млрд фунтов стерлингов. Топливо Магнокс было произведено в Спрингфилде около Престона ; предполагаемая стоимость вывода из эксплуатации составляет 371 млн фунтов стерлингов. Общая стоимость вывода из эксплуатации деятельности Магнокс, вероятно, превысит 20 млрд фунтов стерлингов, в среднем около 2 млрд фунтов стерлингов на одну производственную площадку реактора.
Calder Hall был открыт в 1956 году как первая в мире коммерческая атомная электростанция и является важной частью промышленного наследия Великобритании. NDA рассматривает вопрос о сохранении реактора Calder Hall 1 в качестве музейного объекта.
Все площадки реакторов Magnox в Великобритании (за исключением Calder Hall) эксплуатируются компанией Magnox Ltd , дочерней компанией NDA.
Reactor Sites Management Company (RSMC), NDA Site Licence Company (SLC), изначально имела контракт на управление Magnox Ltd от имени NDA. В 2007 году RSMC была приобретена американским поставщиком услуг ядерного топливного цикла EnergySolutions у British Nuclear Fuels . [35]
1 октября 2008 года компания Magnox Electric Ltd разделилась на две компании с ядерной лицензией: Magnox North Ltd и Magnox South Ltd. [36]
Северные участки Магнокс
Сайты Magnox South
В январе 2011 года Magnox North Ltd и Magnox South Ltd объединились в Magnox Ltd. [ 37] После возникновения проблем с закупками и управлением по контракту Magnox Ltd станет дочерней компанией NDA в сентябре 2019 года. [38] [39]
страна, построившая первую гражданскую атомную электростанцию
Центральный совет по производству электроэнергии согласился на небольшую модификацию проекта Хинкли-Пойнт и следующих двух станций в своей программе, чтобы обеспечить возможность извлечения плутония, пригодного для военных целей, в случае возникновения такой необходимости.
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )