stringtranslate.com

Быстрый реактор со свинцовым теплоносителем

Схема быстрого реактора со свинцовым теплоносителем.

Быстрый реактор со свинцовым теплоносителем — это конструкция ядерного реактора , в которой используется расплавленный свинец или эвтектика свинца-висмута . Эти материалы могут использоваться в качестве основного теплоносителя, поскольку они обладают низким поглощением нейтронов и относительно низкими температурами плавления . Нейтроны меньше замедляются при взаимодействии с этими тяжелыми ядрами (таким образом, не являясь замедлителями нейтронов ), поэтому эти реакторы работают на быстрых нейтронах .

Концепция в целом похожа на быстрые реакторы с натриевым охлаждением , и большинство быстрых реакторов с жидким металлом использовали натрий вместо свинца. Было построено немного реакторов со свинцовым охлаждением, за исключением некоторых советских реакторов атомных подводных лодок в 1970-х годах. Однако ряд предлагаемых и один строящийся новый ядерный реактор имеют свинцовое охлаждение.

Конструкции топлива, изучаемые для этой схемы реактора, включают воспроизводимый уран в виде металла, оксида металла или нитрида металла . [1]

Конструкция реактора со свинцовым теплоносителем была предложена как реактор поколения IV . Планы будущей реализации этого типа реактора включают модульные конструкции мощностью от 300 до 400 МВт и большую монолитную установку мощностью 1200 МВт.

Операция

Быстрые реакторы со свинцовым охлаждением работают с быстрыми нейтронами и расплавленным свинцом или эвтектикой свинец-висмут . Расплавленный свинец или эвтектика свинец-висмут могут использоваться в качестве первичного теплоносителя, поскольку особенно свинец и в меньшей степени висмут имеют низкое поглощение нейтронов и относительно низкие температуры плавления . Нейтроны меньше замедляются при взаимодействии с этими тяжелыми ядрами (таким образом, не являясь замедлителями нейтронов ) и, следовательно, помогают сделать этот тип реактора реактором на быстрых нейтронах . Проще говоря, если нейтрон попадает в частицу с аналогичной массой (например, водород в реакторе с водой под давлением PWR ), он имеет тенденцию терять кинетическую энергию . Напротив, если он попадает в гораздо более тяжелый атом, такой как свинец, нейтрон «отскочит», не теряя этой энергии. Однако охладитель служит отражателем нейтронов , возвращая часть вылетевших нейтронов в активную зону.

Реакторы на быстрых нейтронах с охлаждением свинцом меньшей мощности (такие как SSTAR ) могут охлаждаться естественной конвекцией , в то время как более крупные конструкции (такие как ELSY [2] ) используют принудительную циркуляцию при нормальной работе мощности, но будут использовать аварийное охлаждение с естественной циркуляцией. Не требуется вмешательства оператора или какой-либо откачки для охлаждения остаточного тепла реактора после выключения. Температура охлаждающей жидкости на выходе реактора обычно находится в диапазоне от 500 до 600 °C, возможно, в диапазоне более 800 °C с использованием усовершенствованных материалов для более поздних конструкций. Температуры выше 800 °C теоретически достаточно высоки для поддержки термохимического производства водорода через цикл серы и йода , хотя это не было продемонстрировано.

Концепция в целом очень похожа на быстрый реактор с натриевым охлаждением , и большинство быстрых реакторов с жидким металлом использовали натрий вместо свинца. Было построено немного реакторов со свинцовым охлаждением, за исключением некоторых советских реакторов атомных подводных лодок в 1970-х годах, но ряд предложенных и один в стадии строительства новых проектов ядерных реакторов имеют свинцовое охлаждение.

Топливо

Конструкции топлива, изучаемые для этой схемы реактора, включают воспроизводимый уран в виде металла, оксида металла или нитрида металла . [1]

Малые модульные реакторы

Реакторы, использующие свинец или свинцово-висмутовую эвтектику, могут быть спроектированы в широком диапазоне мощностей. Советский Союз смог эксплуатировать подводные лодки класса «Альфа» с быстрым реактором с охлаждением свинцом-висмутом в шестидесятых и семидесятых годах, который имел приблизительно 30 МВт механической мощности для 155 МВт тепловой мощности (см. ниже).

Другие варианты включают блоки с долговечными, предварительно изготовленными сердечниками, которые не требуют дозаправки в течение многих лет.

Батарея быстрых реакторов со свинцовым теплоносителем представляет собой небольшую электростанцию ​​«под ключ» , использующую кассетные активные зоны, работающие по замкнутому топливному циклу с интервалом перезарядки 15–20 лет, или полностью заменяемые реакторные модули. Она предназначена для выработки электроэнергии в небольших сетях (и других ресурсов, включая производство водорода и процесс опреснения для производства питьевой воды ).

Преимущества свинца в быстрых реакторах

Использование свинца в качестве теплоносителя имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами охлаждения реакторов.

Недостатки

Чистый свинец производит на порядки меньше полония и поэтому имеет преимущество перед свинцом-висмутом в этом отношении.

Выполнение

Россия/СССР

Два типа быстрых реакторов со свинцовым охлаждением использовались на советских подводных лодках класса «Альфа» в 1970-х годах. Оба проекта ОК-550 и БМ-40А были способны производить 155 МВт. Они были значительно легче типичных водоохлаждаемых реакторов и имели преимущество в том, что могли быстро переключаться между режимами максимальной мощности и минимального шума. [ необходима цитата ]

Совместное предприятие под названием AKME Engineering Архивировано 24 декабря 2018 года в Wayback Machine было объявлено в 2010 году для разработки коммерческого свинцово-висмутового реактора. [9] СВБР-100 («Свинцово-Висмутовый быстрый реактор» — свинцово-висмутовый быстрый реактор) основан на проектах Alfa и будет производить 100 МВт электроэнергии при общей тепловой мощности 280 МВт, [9] примерно вдвое больше, чем у реакторов подводных лодок. Их также можно использовать группами до 16, если требуется больше мощности. [9] Температура теплоносителя повышается с 345 °C (653 °F) до 495 °C (923 °F) по мере прохождения через активную зону. [9] В качестве топлива можно использовать оксид урана, обогащенный до 16,5% U-235, и дозаправка будет требоваться каждые 7–8 лет. [9] Прототип планируется выпустить в 2017 году. [10]

Еще два реактора со свинцовым теплоносителем разработаны россиянами: БРЕСТ-300 и БРЕСТ-1200 . [11] Проектирование БРЕСТ-300 было завершено в сентябре 2014 года. [12]

WNA упоминает роль России в повышении интереса других стран к этой области: [13]

В 1998 году Россия рассекретила большой объем исследовательской информации, полученной в ходе ее опыта работы с реакторами для подводных лодок, и впоследствии интерес США к использованию Pb или Pb-Bi для малых реакторов возрос.

Предложения и разработки

Бельгия

Проект MYRRHA ( Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications ) направлен на содействие проектированию будущего ядерного реактора, сопряженного с ускорителем протонов (так называемая система с приводом от ускорителя, ADS ). Это может быть «быстрый реактор со свинцово-висмутовым охлаждением [14] или свинцовым охлаждением» с двумя возможными конфигурациями: подкритической или критической. Это может быть реактор бассейнового или петлевого типа .

Проект управляется SCK CEN , бельгийским исследовательским центром ядерной энергетики. Он основан на первом небольшом прототипе исследовательского демонстратора, системе Guinevere, полученной из реактора нулевой мощности Venus, существующего в SCK CEN с начала 1960-х годов и модифицированного для размещения ванны расплавленной эвтектики свинца-висмута (LBE), соединенной с небольшим ускорителем протонов . [15] [16] В декабре 2010 года MYRRHA был включен Европейской комиссией [17] в список 50 проектов для поддержания европейского лидерства в ядерных исследованиях в течение следующих 20 лет. В 2013 году проект вошел в дальнейшую фазу разработки, когда контракт на проектирование передней части был присужден консорциуму во главе с Areva . [18] [19]

Стремясь к компактному ядру с высокой плотностью мощности ( т.е. с высоким потоком нейтронов ), чтобы иметь возможность работать в качестве реактора для испытания материалов , топливо, которое будет использоваться в ADS MYRRHA, должно быть высокообогащенным делящимся изотопом . Высокообогащенное МОХ- топливо с 30–35 мас. %239
Pu
был впервые выбран для получения желаемых нейтронных характеристик. [20] [21] [22] Однако, по словам Абдеррахима и др. (2005) [21] , «этот выбор все равно следует проверить на предмет соответствия требованиям нераспространения, предъявляемым к новым испытательным реакторам программой RERTR (пониженное обогащение топлива для исследовательских испытательных реакторов), запущенной Министерством энергетики США в 1996 году». Таким образом, топливо, которое будет выбрано для MYRRHA, также должно соответствовать критериям нераспространения, сохраняя при этом свои нейтронные характеристики. Более того, такое высокообогащенное MOx-топливо никогда не производилось в промышленных масштабах и создает серьезные технические и технические проблемы, а также проблемы безопасности, чтобы предотвратить любую аварию, связанную с критичностью , во время обращения с ним на заводе.

В 2009 году под эгидой Агентства по ядерной энергии (NEA, OECD ) международная группа экспертов (MYRRHA International Review Team, MIRT) изучила проект MYRRHA и предоставила правительству Бельгии разумные рекомендации . [23] Помимо выявленных технических проблем, были также выявлены финансовые и экономические риски, связанные со стоимостью строительства и эксплуатации, которая, как ожидается, значительно возрастет, когда проект должен будет перейти на более детальную стадию проектирования. Длительные задержки строительства, связанные с осложнениями проектирования, недооцененными техническими трудностями и недостаточным бюджетом, не являются редкостью для такого проекта. Также были отмечены ограниченное участие бельгийского государства (40% всех затрат) и неопределенные выгоды для внешних владельцев проекта. [23]

Из-за повторяющихся финансовых недостатков, а также важных неопределенностей, все еще существующих в конструкции реактора ( бассейновый или петлевой реактор ?) и выбора, который еще предстоит сделать в отношении жидкометаллического теплоносителя (в LBE ,209
Bi
активируется нейтронами, образуя высокорадиотоксичный ⍺ -излучающий210
Po
) [24] деятельность по предварительному проектированию (FEED) [25] пришлось приостановить, и она не продвинулась дальше предварительной стадии. [26] Довольно удивительно, что предварительные результаты деятельности FEED были опубликованы в журнале, абсолютно не связанном с областью ADS или реактора на быстрых нейтронах: International Journal of Hydrogen Energy (IJHE), в то время как никогда не было и речи о производстве водорода с помощью MYRRHA. [27] Выбор этого журнала для представления предварительных результатов деятельности FEED вызывает недоумение. Журнал, в котором была объявлена ​​деятельность FEED, Physics Procedia , также прекратил свое существование. [28] Помимо постоянно растущих затрат и финансовой неопределенности, проекту по-прежнему приходится решать множество технических проблем: серьезные проблемы коррозии [6] [7] [8] ( хрупкость жидкого металла ,растворение амальгамы в расплавленном металле Cr и Ni из нержавеющей стали, используемой для оболочек твэлов и материалов конструкции реактора), рабочая температура (риски затвердевания металла по сравнению с повышенной скоростью коррозии), вопросы безопасности ядерной критичности ...

Массовый запас эвтектики свинца-висмута (LBE) для предлагаемой конструкции бассейна MYRRHA, рассмотренный в предварительных анализах FEED 2013-2015 гг., составляет 4500 тонн металлического Pb-Bi. [25] Это привело бы к производству более 4 кг210
Po
во время работы реактора. После первого рабочего цикла 350 г210
Po
уже будет образован в LBE, подвергнутом воздействию высокого потока нейтронов порядка 10 15 нейтронов・см -2・с -1 , типичного для реактора для испытания материалов (MTR). [29] Это будет соответствовать активности 5,5 × 10 16 беккерелей [ 29 ] или 1,49 × 10 6 кюри210
Po
, только для первого цикла работы. Наличие такого большого весомого количества высоко радиотоксичных210
Po
представляет собой значительную проблему радиологической безопасности для операций по техническому обслуживанию и хранению ядерного топлива MYRRHA. Из-за высокой летучести210
Po
, пространство над реактором также может стать альфа-загрязненным. Как отметили Фиорито и др. (2018): «Часть полония перейдет в защитный газ в камере реактора и будет диффундировать за пределы первичной системы, когда реактор будет открыт для заправки или обслуживания». Все операции в210
Зоны, загрязненные Po
, потребуют принятия более серьезных мер радиационной защиты, чем для239
Обработка Pu
, или полностью выполняться дистанционно управляемыми роботами. Предполагаемая стратегия смягчения [29] могла бы состоять в непрерывном удалении полония из LBE, но значительное тепло, выделяемое210
По
представляет собой серьезное препятствие. [29]

В 2023 году, основываясь на интервью с ключевыми игроками SCK CEN и общедоступных документах, Хайн Брукхёйс исследовал взаимодействие между промоутерами MYRRHA и бельгийскими СМИ и политическими сферами, чтобы показать, как MYRRHA развивалась в повествовании, которое делало проект, кажущимся необходимым для будущего SCK CEN, бельгийского ядерного исследовательского центра. [30]

Германия

Проект двухжидкостного реактора (DFR) изначально был разработан немецким исследовательским институтом, Институтом твердотельной ядерной физики, в Берлине. В феврале 2021 года проект был передан недавно созданной канадской компании Dual Fluid Energy Inc. для индустриализации концепции. Проект DFR пытается объединить преимущества реактора на расплавленной соли с преимуществами реактора с жидкометаллическим охлаждением . [31] Как быстрый реактор-размножитель, предлагаемый реактор DFR предназначен для сжигания как природного урана или тория , так и трансмутации и деления младших актинидов . Благодаря высокой теплопроводности расплавленного металла остаточное тепло распада реактора DFR может быть пассивно удалено.

Румыния

ALFRED (Advanced Lead Fast Reactor European Demonstrator) — это демонстратор быстрого реактора со свинцовым теплоносителем, разработанный Ansaldo Energia из Италии, который планируется построить в Миовени, Румыния. ATHENA, бассейн с расплавленным свинцом, используемый в исследовательских целях, также будет построен на той же площадке. [32]

Россия

Реактор БРЕСТ в настоящее время находится в стадии строительства. [33] Этот реактор будет использовать чистый свинец в качестве теплоносителя, топливо из нитрида плутония/урана, вырабатывать 300 МВт (электрических) из 750 МВт тепловой энергии и является реактором бассейнового типа. Фундамент был завершён в ноябре 2021 года. Реактор находится на площадке Сибирского химического комбината (СХК) в Северске.

Швеция

Компания LeadCold совместно с Королевским технологическим институтом KTH и Uniper [34] разрабатывает реактор SEALER (Swedish Advanced Lead Reactor), охлаждаемый свинцом реактор, использующий нитрид урана в качестве топлива. [35]

Великобритания

Британская компания Newcleo разрабатывает малые модульные реакторы с свинцовым охлаждением мощностью 30 МВт и 200 МВт для использования на море и на суше. Первый рабочий реактор планируется запустить в 2030 году во Франции. [36] [37]

Соединенные Штаты

Первоначальный проект модуля питания Hyperion должен был быть такого типа, с использованием топлива из нитрида урана, заключенного в трубки HT-9, с использованием кварцевого отражателя и эвтектики свинца-висмута в качестве охладителя. Фирма обанкротилась в 2018 году.

Разработанная Ливерморской национальной лабораторией им. Э. Лоуренса конструкция SSTAR представляла собой свинцовое охлаждение.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Allen, TR; Crawford, DC (2007). «Системы быстрых реакторов со свинцовым охлаждением и проблемы топлива и материалов». Наука и технология ядерных установок . 2007 : 1–11. doi : 10.1155/2007/97486 .
  2. ^ Alemberti, Alessandro; Carlsson, Johan; Malambu, Edouard; Orden, Alfredo; Struwe, Dankward; Agostini, Pietro; Monti, Stefano (сентябрь 2011 г.). «Европейский свинцовый быстрый реактор — ELSY». Nuclear Engineering and Design . 241 (9): 3470–3480. doi :10.1016/j.nucengdes.2011.03.029.
  3. ^ «Материалы с высоким отражателем нейтронов».
  4. ^ "БРЕСТ-ОД-300 (НИИПЭ, Российская Федерация)" (PDF) . www.aris.iaea.org . Получено 14 августа 2024 г. .
  5. ^ «Быстрый реактор со свинцовым теплоносителем (LFR)».
  6. ^ ab Allen, TR; Crawford, DC (2007). «Системы быстрых реакторов со свинцовым охлаждением и проблемы топлива и материалов». Наука и технология ядерных установок . 2007 : 1–11. doi : 10.1155/2007/97486 . ISSN  1687-6075.
  7. ^ ab Zhang, J.; Li, N. (2004). Обзор исследований по фундаментальным вопросам LBE-коррозии. LA-UR-04-0869 (Отчет). Лос-Аламосская национальная лаборатория (LANL).
  8. ^ ab Zhang, Jinsuo; Li, Ning (2008). «Обзор исследований фундаментальных проблем LBE-коррозии». Журнал ядерных материалов . 373 (1–3): 351–377. Bibcode : 2008JNuM..373..351Z. doi : 10.1016/j.jnucmat.2007.06.019.
  9. ^ abcde "Инициатива по малым быстрым реакторам". World Nuclear News. 4 января 2010 г. Получено 5 февраля 2010 г.
  10. ^ "Heavy Metal Power Reactor Slated for 2017". World Nuclear News. 23 марта 2010 г. Получено 26 сентября 2012 г.
  11. ^ "Особенности конструкции реакторов BREST и экспериментальные работы по продвижению концепции реакторов BREST" (PDF) . Министерство энергетики США, Программа малых модульных реакторов . Получено 16 мая 2013 г.
  12. ^ "Завершено проектирование прототипа быстрого реактора - World Nuclear News". www.world-nuclear-news.org .
  13. ^ «Ядерные реакторы — Атомные электростанции — Технология ядерных реакторов — Всемирная ядерная ассоциация». www.world-nuclear.org .
  14. ^ NEA (2015). «Справочник по эвтектическому сплаву свинца-висмута и свойствам свинца, совместимости материалов, термогидравлике и технологиям – издание 2015 года». Агентство по ядерной энергии (NEA) . Получено 18 декабря 2023 г.
  15. ^ "Гвиневра".
  16. ^ «Гибридный реактор-ускоритель успешно прошел испытания». www.science.org .
  17. ^ "CORDIS | Европейская комиссия". Архивировано из оригинала 22 февраля 2014 года . Получено 30 апреля 2014 года .
  18. ^ «Мирра ускоряется к реализации — World Nuclear News». www.world-nuclear-news.org .
  19. ^ "Орано | Acteur majeur de l'énergie et du горючего ядерного оружия" . orano.group .
  20. ^ Тихелен Ван, К.; Маламбу, Э.; Бенуа, П.; Купшус, П.; Айт Абдеррахим, Х.; Вандеплассе, Д.; Тернье, С.; Йонген, Й. (2001). "MYRRHA: многоцелевая система с ускорителем для исследований и разработок" (PDF) . Получено 18 декабря 2023 г.
  21. ^ ab Абдеррахим, HA; Соболев, V.; Маламбу, E. (октябрь 2005 г.). Конструкция топлива для экспериментальной ADS MYRRHA. Техническое совещание по использованию НОУ в ADS. 10–12 октября 2005 г. Вена, Австрия: МАГАТЭ. стр. 1–13.
  22. ^ Ван ден Эйнде, Герт; Маламбу, Эдуард; Станковский, Алексей; Фернандес, Рафаэль; Батен, Питер (3 августа 2015 г.). «Обновленная конструкция активной зоны для многоцелевого облучения MYRRHA». Журнал ядерной науки и технологий . 52 (7–8): 1053–1057. Bibcode : 2015JNST...52.1053V. doi : 10.1080/00223131.2015.1026860. ISSN  0022-3131. S2CID  95326619.
  23. ^ ab Carré, F.; Cavedon, JM; Knebel, J.; Lisowski, P.; Ogawa, T.; Pooley, D.; Versteegh, A.; Dujardin, T.; Nordborg, C. (16 декабря 2009 г.). "Независимая оценка проекта MYRRHA. Отчет международной группы экспертов. Организовано Агентством по ядерной энергии ОЭСР (NEA). Технический отчет 6881. Английский язык, 44 страницы, опубликовано: 16.12.09, ISBN 978-92-64-99114-9" (PDF) .
  24. ^ Eckerman, K.; Harrison, J.; Menzel, HG.; Clement, CH; Clement, CH (январь 2012 г.). "Публикация МКРЗ 119: Сборник дозовых коэффициентов на основе публикации МКРЗ 60". Annals of the ICRP . 41 : 1–130. doi :10.1016/j.icrp.2012.06.038 (неактивен 26 апреля 2024 г.). PMID  23025851. S2CID  41299926.{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на апрель 2024 г. ( ссылка )
  25. ^ ab De Bruyn, Didier; Abderrahim, Hamid Aït; Baeten, Peter; Leysen, Paul (2015). «Проект MYRRHA ADS в Бельгии входит в фазу проектирования переднего конца». Physics Procedia . 66 : 75–84. Bibcode : 2015PhPro..66...75D. doi : 10.1016/j.phpro.2015.05.012 .
  26. ^ Энгелен, Йерун; Айт Абдеррахим, Хамид; Баетен, Питер; Де Брюин, Дидье; Лейзен, Пол (2015). «МИРРА: Предварительный предпроектный проект». Международный журнал водородной энергетики . 40 (44): 15137–15147. doi :10.1016/j.ijhydene.2015.03.096.
  27. ^ "Международный журнал водородной энергетики". ScienceDirect.com от Elsevier . Получено 19 декабря 2023 г.
  28. ^ "Physics Procedia. Название прекращено в 2018 году". ScienceDirect.com от Elsevier . 20 июня 2015 г. Получено 19 декабря 2023 г.
  29. ^ abcd Фиорито, Лука; Станковский, Алексей; Эрнандес-Солис, Аугусто; Ван ден Эйнде, Герт; Жеровник, Гаспер (2018). "Анализ неопределенности ядерных данных для производства Po-210 в MYRRHA". EPJ Nuclear Sciences & Technologies . 4 : 48. Bibcode :2018EPJNS...4...48F. doi : 10.1051/epjn/2018044 . ISSN  2491-9292.
  30. ^ Brookhuis, Hein (1 февраля 2023 г.). «Создание большой бельгийской науки». Исторические исследования в области естественных наук . 53 (1): 35–70. doi : 10.1525/hsns.2023.53.1.35 . ISSN  1939-1811.
  31. ^ «Двухжидкостный реактор».
  32. ^ "Поколение IV и SMR". www.ansaldoenergia.com .
  33. ^ "Заложен фундамент для реактора БРЕСТ : New Nuclear - World Nuclear News".
  34. ^ "Сотрудничество с Uniper и KTH". www.leadcold.com . Архивировано из оригинала 3 мая 2022 г. Получено 3 мая 2022 г.
  35. ^ "SEALER". www.leadcold.com . Архивировано из оригинала 31 марта 2022 г. Получено 3 мая 2022 г.
  36. ^ "Британская компания Newcleo привлечет $1,1 млрд на строительство парка малых реакторов - The Times". Reuters . 19 марта 2023 г. Получено 17 сентября 2023 г. – через www.reuters.com.
  37. ^ «Ядерная энергетика: «Newcleo на пути к тому, чтобы стать самым финансируемым стартапом Европы». Le Monde.fr . 21 марта 2023 г. Получено 17 сентября 2023 г. – через Le Monde.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки