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 эвтектический свинцово-висмутовый теплоноситель . Эти материалы можно использовать в качестве теплоносителя первого контура, поскольку они имеют низкое поглощение нейтронов и относительно низкие температуры плавления . Нейтроны меньше замедляются при взаимодействии с этими тяжелыми ядрами (поэтому они не являются замедлителями нейтронов ), поэтому эти реакторы работают на быстрых нейтронах .

Концепция в целом аналогична быстрым реакторам с натриевым охлаждением , и в большинстве быстрых реакторов с жидкометаллическим охлаждением вместо свинца используется натрий. Было построено несколько реакторов со свинцовым теплоносителем, за исключением некоторых реакторов советских атомных подводных лодок в 1970-х годах. Однако ряд предлагаемых и одна строящаяся конструкция новых ядерных реакторов имеют свинцовое охлаждение.

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

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

Операция

Быстрые реакторы со свинцовым теплоносителем работают на быстрых нейтронах и расплавленном свинце или эвтектическом свинцово-висмутовом теплоносителе . В качестве теплоносителя первого контура можно использовать расплавленный свинец или эвтектику свинец-висмут, поскольку особенно свинец и в меньшей степени висмут имеют низкое поглощение нейтронов и относительно низкие температуры плавления . Нейтроны меньше замедляются из-за взаимодействия с этими тяжелыми ядрами (поэтому они не являются замедлителями нейтронов ) и, следовательно, помогают сделать этот тип реактора реактором на быстрых нейтронах . Проще говоря, если нейтрон сталкивается с частицей аналогичной массы (например, с водородом в водо-водяном реакторе PWR ), он имеет тенденцию терять кинетическую энергию . Напротив, если он столкнется с гораздо более тяжелым атомом, например свинцом, нейтрон «отскочит», не потеряв этой энергии. Однако охлаждающая жидкость служит отражателем нейтронов , возвращая часть ускользнувших нейтронов в активную зону.

Быстрые реакторы меньшей мощности со свинцовым охлаждением (такие как SSTAR ) могут охлаждаться за счет естественной конвекции , в то время как более крупные конструкции (такие как ELSY [2] ) используют принудительную циркуляцию при нормальной работе на мощности, но будут использовать аварийное охлаждение с естественной циркуляцией. Не требуется никакого вмешательства оператора или какой-либо откачки для охлаждения остаточного тепла реактора после остановки. Температура теплоносителя на выходе из реактора обычно находится в диапазоне от 500 до 600 °C, а при использовании современных материалов для более поздних конструкций возможно и выше 800 °C. Температуры выше 800 ° C теоретически достаточно высоки, чтобы поддерживать термохимическое производство водорода посредством цикла сера-йод , хотя это не было продемонстрировано.

Эта концепция в целом очень похожа на быстрый реактор с натриевым охлаждением , и в большинстве быстрых реакторов с жидкометаллическим охлаждением вместо свинца используется натрий. Было построено немного реакторов со свинцовым теплоносителем, за исключением некоторых реакторов советских атомных подводных лодок в 1970-х годах, но ряд предлагаемых и одна строящаяся новая конструкция ядерных реакторов имеют свинцовое охлаждение.

Топливо

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

Малые модульные реакторы

Реакторы, в которых используется эвтектика свинца или свинца-висмута, могут быть спроектированы в широком диапазоне номинальных мощностей. В шестидесятые и семидесятые годы Советский Союз мог эксплуатировать подводные лодки класса «Альфа» со свинцово-висмутовым быстрым реактором, который имел механическую мощность около 30 МВт при тепловой мощности 155 МВт (см. ниже).

Другие варианты включают агрегаты с долговечными предварительно изготовленными активными зонами, 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. Он предназначен для выработки электроэнергии в малых 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 реактора.

Недостатки

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

Выполнение

Россия/СССР

Два типа быстрых реакторов со свинцовым теплоносителем использовались на советских подводных лодках класса «Альфа» 1970-х годов. Оба проекта ОК -550 и БМ-40А были способны производить 155 МВт. Они были значительно легче типичных реакторов с водяным охлаждением и имели то преимущество, что могли быстро переключаться между режимами работы с максимальной мощностью и минимальным уровнем шума. [ нужна цитата ]

В 2010 году было объявлено о создании совместного предприятия под названием AKME Engineering. Архивировано 24 декабря 2018 года на сайте Wayback Machine для разработки коммерческого свинцово-висмутового реактора. [9] СВБР-100 («Свинцово-Висмутовый Быстрый реактор» - свинцово-висмутовый быстрый реактор) основан на проектах «Альфа» и будет производить 100 МВт электроэнергии из валовой тепловой мощности 280 МВт, [9] примерно вдвое больше, чем у подводных реакторов. . Их также можно использовать группами до 16 человек, если требуется большая мощность. [9] Температура теплоносителя увеличивается с 345 °C (653 °F) до 495 °C (923 °F) по мере прохождения через активную зону. [9] В качестве топлива можно было бы использовать оксид урана, обогащенный до 16,5% U-235, а дозаправку необходимо было бы производить каждые 7–8 лет. [9] Прототип запланирован на 2017 год. [10]

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

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

В 1998 году Россия рассекретила большое количество исследовательской информации, полученной на основе ее опыта работы с реакторами подводных лодок, и впоследствии интерес США к использованию Pb или Pb-Bi для небольших реакторов возрос.

Предложения и в разработке

Бельгия

Проект MYRRHA ( Многоцелевой гибридный исследовательский реактор для высокотехнологичных приложений ) направлен на содействие разработке будущего ядерного реактора, соединенного с протонным ускорителем (так называемая система, управляемая ускорителем, ADS ). Это может быть «свинцово-висмутовое охлаждение [14] или быстрый реактор со свинцовым охлаждением» с двумя возможными конфигурациями: докритической 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 «Гвиневра», созданной на основе реактора нулевой мощности «Венера», существующего в SCK CEN с начала 1960-х годов, и модифицированной для размещения ванны расплавленной эвтектики свинец-висмут (LBE), соединенной с небольшой ускоритель протонов . [15] [16] В декабре 2010 года MYRRHA был включен в список Европейской комиссии [17] как один из 50 проектов, призванных сохранить европейское лидерство в области ядерных исследований в течение следующих 20 лет. В 2013 году проект вступил в дальнейшую стадию разработки, когда контракт на предпроектное проектирование был заключен с консорциумом под руководством Areva . [18] [19]

Чтобы получить компактную активную зону с высокой плотностью мощности ( т.е. с высоким потоком нейтронов ), которая могла бы работать в качестве реактора для испытания материалов , топливо, которое будет использоваться в ADS MYRRHA, должно быть высокообогащено делящимся изотопом . Высокообогащенное МОх- топливо с содержанием 30–35 мас. % из239
Впервые Pu
был выбран для получения желаемых нейтронно-физических характеристик. [20] [21] [22] Однако, по данным Abderrahim et al. (2005) [21] «Этот выбор еще следует проверить на соответствие 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 нейтронно-физические характеристики. Более того, такое высокообогащенное МОх-топливо никогда не производилось в промышленных масштабах и создает серьезные технические проблемы и проблемы безопасности, связанные с предотвращением аварий, связанных с критичностью, во время обращения с ним на заводе.

В 2009 году под эгидой Агентства по ядерной энергии (АЯЭ, ОЭСР ) международная группа экспертов (MYRRHA International Review Team, MIRT) изучила проект MYRRHA и представила разумные рекомендации правительству Бельгии . [23] Помимо выявленных технических проблем, они также представляли собой финансовые и экономические риски, связанные с затратами на строительство и эксплуатацию, которые, как ожидается, значительно возрастут, когда проект перейдет на стадию более детального проектирования. Для такого проекта нередки длительные задержки строительства, связанные с усложнением проектирования, недооценкой технических сложностей и недостаточным бюджетом. Также было отмечено ограниченное участие бельгийского государства (40% всех затрат) и неопределенные выгоды для внешних владельцев проекта. [23]

Из-за периодических финансовых недостатков, а также важных неопределенностей, все еще существующих в конструкции реактора ( реактор бассейнового или петлевого типа ?) и выбора жидкометаллического теплоносителя (в LBE ,209
Bi
активируется нейтронами, образуя высокорадиотоксичный ⍺ -излучающий210
Po
) [24] работы по предпроектному проектированию (FEED)[ 25 ] пришлось приостановить и они не продвинулись дальше предварительной стадии. [26] Весьма удивительно, что предварительные результаты деятельности FEED были опубликованы в журнале, абсолютно не имеющем отношения к области ADS или реакторов на быстрых нейтронах: Международном журнале водородной энергетики (IJHE), при этом о производстве водорода с помощью МИРРА. [27] Выбор этого журнала для представления предварительных результатов деятельности FEED приводит в замешательство. Журнал Physics Procedia , в котором было объявлено о деятельности FEED , также прекращен. [ 28] Помимо постоянно растущих затрат и финансовой неопределенности, проекту по-прежнему приходится решать множество технических проблем: проблемы серьезной коррозии [6] [7] [8] ( охрупчивание жидкого металла ,растворение амальгамы в расплавленном металле Cr и Ni от нержавеющей стали, используемой для изготовления оболочек твэлов и материалов конструкции реактора), рабочая температура (риск затвердевания металла в сравнении с повышенной скоростью коррозии),вопросы безопасности ядерной критичности ...

Массовый запас эвтектики свинец-висмут (LBE) для предлагаемой бассейновой конструкции MYRRHA, рассмотренной в предварительных анализах FEED в 2013-2015 годах, составляет 4500 тонн металлического Pb-Bi. [25] Это приведет к производству более 4 кг210
По
во время работы реактора. После первого рабочего цикла 350 г.210
Po
уже будет образовываться в LBE, подвергающемся воздействию высокого нейтронного потока порядка 10 15 нейтронов · см –2 · с –1 , типичного для реактора по испытанию материалов (MTR). [29] Это соответствовало бы активности 5,5 × 10 16 беккерелей , [29] или 1,49 × 10 6 кюри210
По
, только для первого цикла работы. Наличие такого большого и весомого количества высокорадиотоксичных210
Po
представляет собой серьезную проблему радиологической безопасности при проведении работ по техническому обслуживанию и хранению ядерного топлива MYRRHA. Из-за высокой волатильности210
Po
, пространство камеры над реактором также может стать альфа-загрязненным. Как отметили Фиорито и др. (2018): «Некоторое количество полония мигрирует в защитный газ в камере сгорания реактора и диффундирует за пределы первой системы, когда реактор открывается для дозаправки топлива или технического обслуживания». Все операции в210
Районы, загрязненные Po
, потребуют соответствующих мер радиологической защиты, гораздо более жестких, чем для районов, загрязненных Po.239
Обращение с ПУ
или полностью выполняться роботами с дистанционным управлением. Предполагаемая стратегия смягчения последствий [29] могла бы состоять в непрерывном удалении полония из LBE, но значительное количество тепла, выделяемого при210
По
представляет собой серьезное препятствие. [29]

В 2023 году на основе интервью с ключевыми игроками SCK CEN и общедоступных документов Хайн Брукхейс исследовал взаимодействие между промоутерами MYRRHA, бельгийскими СМИ и политической сферой, чтобы показать, как MYRRHA разрабатывалась, в повествовании, которое сделало проект важным для будущего. SCK CEN, Бельгийского центра ядерных исследований. [30]

Германия

Проект двухжидкостного реактора (DFR) изначально был разработан немецким научно-исследовательским институтом Института ядерной физики твердого тела в Берлине. В феврале 2021 года проект был передан недавно основанной канадской компании Dual Fluid Energy Inc. для индустриализации этой концепции. Проект DFR пытается объединить преимущества реактора с расплавленными солями и реактора с жидкометаллическим охлаждением . [31] В качестве быстрого реактора-размножителя 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 можно пассивно удалять.

Румыния

ALFRED (Европейский демонстратор усовершенствованного свинцового реактора на быстрых нейтронах) — это демонстратор быстрого реактора со свинцовым теплоносителем, разработанный итальянской компанией Ansaldo Energia, который планируется построить в Миовени, Румыния. АФИНА, бассейн с расплавленным свинцом, используемый в исследовательских целях, также будет построен на том же месте. [32]

Россия

Реактор БРЕСТ в настоящее время находится на стадии строительства. [33] В этом реакторе в качестве теплоносителя будет использоваться чистый свинец, топливо из нитрида плутония и урана, он будет генерировать 300 МВт (электрическую) из 750 МВттепл. и представляет собой реактор бассейнового типа. Фундамент завершен в ноябре 2021 года. Реактор расположен на территории Северской площадки Сибирского химического комбината (СХК).

Швеция

Компания LeadCold в сотрудничестве с Королевским технологическим институтом KTH и Uniper [34] разрабатывает реактор SEALER (шведский усовершенствованный свинцовый реактор) — реактор со свинцовым охлаждением, использующий в качестве топлива нитрид урана. [35]

Великобритания

Британская компания Newcleo разрабатывает небольшие модульные реакторы со свинцовым теплоносителем мощностью 30 МВт и 200 МВт для военно-морского и наземного использования. Первый действующий реактор планируется разместить в 2030 году во Франции. [36] [37]

Соединенные Штаты

Первоначальная конструкция силового модуля «Гиперион» должна была быть такого типа, с использованием топлива из нитрида урана , заключенного в трубки HT-9, кварцевого отражателя и эвтектики свинец-висмут в качестве теплоносителя. Фирма прекратила свою деятельность в 2018 году.

Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса разработала систему SSTAR со свинцовым охлаждением.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ab «Системы быстрых реакторов со свинцовым охлаждением и проблемы топлива и материалов». Исследовательские ворота . Проверено 20 марта 2018 г.
  2. ^ Алемберти, Алессандро; Карлссон, Йохан; Маламбу, Эдуард; Орден, Альфредо; Струве, Данкворд; Агостини, Пьетро; Монти, Стефано (1 сентября 2011 г.). «Европейский свинцовый быстрый реактор — ЭЛСИ». Ядерная инженерия и дизайн . 241 (9): 3470–3480. doi :10.1016/j.nucengdes.2011.03.029 – через ScienceDirect.
  3. ^ «Материалы для отражателей нейтронов».
  4. ^ https://aris.iaea.org/PDF/BREST-OD-300.pdf [ пустой URL-адрес PDF ]
  5. ^ «Быстрый реактор со свинцовым охлаждением (LFR)» .
  6. ^ аб Аллен, TR; Кроуфорд, округ Колумбия (2007). «Системы быстрых реакторов со свинцовым теплоносителем и проблемы топлива и материалов». Наука и технология ядерных установок . 2007 : 1–11. дои : 10.1155/2007/97486 . ISSN  1687-6075.
  7. ^ Аб Чжан, Дж.; Ли, Н. (2004). Обзор исследований по фундаментальным проблемам коррозии LBE. ЛА-УР-04-0869 (Отчет). Лос-Аламосская национальная лаборатория (LANL).
  8. ^ Аб Чжан, Цзиньсуо; Ли, Нин (2008). «Обзор исследований по фундаментальным проблемам коррозии LBE». Журнал ядерных материалов . 373 (1–3): 351–377. Бибкод : 2008JNuM..373..351Z. doi :10.1016/j.jnucmat.2007.06.019.
  9. ^ abcde «Инициатива по малым быстрым реакторам». Мировые ядерные новости. 4 января 2010 г. Проверено 5 февраля 2010 г.
  10. ^ «Тяжелометаллический энергетический реактор запланирован на 2017 год» . Мировые ядерные новости. 23 марта 2010 года . Проверено 26 сентября 2012 г.
  11. ^ «Особенности конструкции реакторов БРЕСТ и экспериментальные работы по развитию концепции реакторов БРЕСТ» (PDF) . Министерство энергетики США, Программа малых модульных реакторов . Проверено 16 мая 2013 г.
  12. ^ «Завершен проект прототипа быстрого реактора - World Nuclear News» . www.world-nuclear-news.org .
  13. ^ «Ядерные реакторы - Атомная электростанция - Технология ядерных реакторов - Всемирная ядерная ассоциация» . www.world-nuclear.org .
  14. ^ АЯЭ (2015). «Справочник по эвтектическому сплаву свинец-висмут и свойствам свинца, совместимости материалов, теплогидравлике и технологиям – Издание 2015 г.». Агентство по ядерной энергии (АЯЭ) . Проверено 18 декабря 2023 г.
  15. ^ "Гвиневра".
  16. ^ «Гибрид реактора-ускорителя прошел успешный испытательный запуск» . www.science.org .
  17. ^ "CORDIS | Европейская комиссия" . Архивировано из оригинала 22 февраля 2014 года . Проверено 30 апреля 2014 г.
  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.; Купщус, П.; Айт Абдеррахим, Х.; Вандеплаше, Д.; Тернье, С.; Йонген, Ю. (2001). «МИРРА: Многоцелевая система с ускорительным приводом для исследований и разработок» (PDF) . Проверено 18 декабря 2023 г.
  21. ^ аб Абдеррахим, HA; Соболев В.; Маламбу, Э. (октябрь 2005 г.). «Проект топлива для экспериментального ADS MYRRHA». Техническое совещание по использованию НОУ в АДС. 10–12 октября 2005 г. Вена, Австрия: МАГАТЭ: 1–13 – через Academia.edu .
  22. ^ Ван ден Эйнде, Герт; Маламбу, Эдуард; Станковский, Алексей; Фернандес, Рафаэль; Баетен, Питер (3 августа 2015 г.). «Обновленный проект активной зоны многоцелевой облучательной установки МИРРА». Журнал ядерной науки и технологий . 52 (7–8): 1053–1057. Бибкод : 2015JNST...52.1053V. дои : 10.1080/00223131.2015.1026860. ISSN  0022-3131. S2CID  95326619.
  23. ^ Аб Карре, Ф.; Каведон, Дж. М.; Кнебель, Дж.; Лисовский, П.; Огава, Т.; Пули, Д.; Верстег, А.; Дюжарден, Т.; Нордборг, К. (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 декабря 2009 г., ISBN 978-92-64- 99114-9" (PDF) .
  24. ^ Эккерман, К.; Харрисон, Дж.; Мензель, Х.Г.; Клемент, Швейцария (2012). «Публикация МКРЗ 119: Сборник дозовых коэффициентов на основе публикации МКРЗ 60». Анналы МКРЗ . 41 . Публикации SAGE: 1–130. doi :10.1016/j.icrp.2012.06.038. ISSN  0146-6453. PMID  23025851. S2CID  41299926.
  25. ^ Аб Де Брюин, Дидье; Абдеррахим, Хамид Айт; Баетен, Питер; Лейзен, Пол (2015). «Проект MYRRHA ADS в Бельгии вступает в стадию начального проектирования». Процессия по физике . 66 : 75–84. Бибкод : 2015PhPro..66...75D. дои : 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 . Проверено 19 декабря 2023 г.
  28. ^ "Physics Procedia. Название прекращено с 2018 года" . ScienceDirect.com от Elsevier . 20 июня 2015 г. Проверено 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 МИРРЕ». EPJ Ядерные науки и технологии . 4 : 48. Бибкод : 2018EPJNS...4...48F. дои : 10.1051/epjn/2018044 . ISSN  2491-9292.
  30. Брукхейс, Хейн (1 февраля 2023 г.). «Создание большой науки в Бельгии». Исторические исследования в естественных науках . 53 (1): 35–70. дои : 10.1525/hsns.2023.53.1.35 . ISSN  1939-1811.
  31. ^ «Двухжидкостный реактор».
  32. ^ «Поколение IV и СМР». www.ansaldoenergia.com .
  33. ^ «Закладка фундамента для реактора БРЕСТ: Новая атомная энергия - World Nuclear News» .
  34. ^ «Сотрудничество с Uniper и KTH». www.leadcold.com . Архивировано из оригинала 3 мая 2022 года . Проверено 3 мая 2022 г.
  35. ^ "СИЛЕР". www.leadcold.com . Архивировано из оригинала 31 марта 2022 года . Проверено 3 мая 2022 г.
  36. ^ "Британская Newcleo привлечет 1,1 миллиарда долларов на строительство парка небольших реакторов - The Times" . Рейтер . 19 марта 2023 г. Проверено 17 сентября 2023 г. - через www.reuters.com.
  37. ^ «Атомная энергетика: Newcleo находится на пути к тому, чтобы стать наиболее финансируемым стартапом в Европе»» . Le Monde.fr . 21 марта 2023 г. Проверено 17 сентября 2023 г. - через Le Monde.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки