Быстрый реактор с натриевым теплоносителем
Быстрый реактор с натриевым охлаждением — это реактор на быстрых нейтронах, охлаждаемый жидким натрием .
Аббревиатура SFR , в частности, относится к двум проектам реакторов IV поколения , один из которых основан на существующей технологии реактора с жидкометаллическим теплоносителем (LMFR), использующего смешанное оксидное топливо (MOX), а другой — на интегральном быстром реакторе с металлическим топливом .
Было построено несколько быстрых реакторов с натриевым охлаждением, и некоторые из них находятся в эксплуатации, особенно в России. [1] Другие находятся в стадии планирования или строительства. Например, в 2022 году в США TerraPower (используя свою технологию Traveling Wave [2] ) планирует построить собственные реакторы вместе с хранилищем энергии на расплавленной соли [2] в партнерстве с интегральным быстрым реактором PRISM компании GEHitachi под маркой Natrium [3] в Кеммерере, штат Вайоминг . [4] [5]
Помимо российского опыта, в технологию инвестируют Япония, Индия, Китай, Франция и США.
Топливный цикл
Ядерный топливный цикл использует полный рецикл актинидов с двумя основными вариантами: один - это реактор среднего размера (150-600 МВт) с натриевым охлаждением с топливом из сплава урана , плутония , минорного актинида и циркония , поддерживаемый топливным циклом, основанным на пирометаллургической переработке на объектах, интегрированных с реактором. Второй - это реактор среднего и большого размера (500-1500 МВт) с натриевым охлаждением со смешанным оксидным топливом урана и плутония, поддерживаемый топливным циклом, основанным на передовой водной обработке в центральном месте, обслуживающем несколько реакторов. Температура на выходе составляет приблизительно 510-550 градусов по Цельсию для обоих.
Натриевый теплоноситель
Жидкий металлический натрий может использоваться для переноса тепла из ядра. У натрия есть только один стабильный изотоп, натрий-23 , который является слабым поглотителем нейтронов. Когда он поглощает нейтрон, он производит натрий-24 , который имеет период полураспада 15 часов и распадается на стабильный изотоп магний-24 .
Тип бассейна или петли
Два основных подхода к проектированию реакторов с натриевым охлаждением — бассейновый и петлевой.
В бассейновом типе первичный теплоноситель содержится в основном корпусе реактора, который, следовательно, включает в себя активную зону реактора и теплообменник . Этот подход использовался в американском EBR-2 , французском Phénix и других, и он используется в индийском прототипе быстрого реактора-размножителя и китайском CFR-600 .
В петлевом типе теплообменники находятся снаружи реакторного бака. Французская Rapsodie , британский Prototype Fast Reactor и другие использовали этот подход.
Преимущества
Все быстрые реакторы имеют несколько преимуществ по сравнению с нынешним парком реакторов на основе воды, поскольку потоки отходов значительно сокращаются. Важно то, что когда реактор работает на быстрых нейтронах, изотопы плутония гораздо более склонны делиться при поглощении нейтрона. Таким образом, быстрые нейтроны имеют меньший шанс быть захваченными ураном и плутонием, но когда они захвачены, имеют гораздо больший шанс вызвать деление. Это означает, что запас трансурановых отходов от быстрых реакторов отсутствует.
Основное преимущество жидкометаллических теплоносителей, таких как жидкий натрий, заключается в том, что атомы металла являются слабыми замедлителями нейтронов . Вода является гораздо более сильным замедлителем нейтронов , поскольку атомы водорода, находящиеся в воде, намного легче атомов металла, и поэтому нейтроны теряют больше энергии при столкновениях с атомами водорода. Это затрудняет использование воды в качестве теплоносителя для быстрого реактора, поскольку вода имеет тенденцию замедлять (умерять) быстрые нейтроны, превращая их в тепловые нейтроны (хотя существуют концепции реакторов с пониженным замедлением воды ).
Еще одним преимуществом жидкого натриевого теплоносителя является то, что натрий плавится при 371 К (98 °C) и кипит / испаряется при 1156 К (883 °C), разница в 785 К (785 °C) между твердым / замороженным и газообразным / паровым состояниями. Для сравнения, диапазон температур жидкости воды (между льдом и газом) составляет всего 100 К при нормальных условиях атмосферного давления на уровне моря. Несмотря на низкую удельную теплоемкость натрия (по сравнению с водой), это позволяет поглощать значительное количество тепла в жидкой фазе, сохраняя при этом большие запасы прочности. Более того, высокая теплопроводность натрия эффективно создает резервуар теплоемкости , который обеспечивает тепловую инерцию против перегрева. [6] Натрий не нужно держать под давлением, поскольку его температура кипения намного выше рабочей температуры реактора , и натрий не разъедает стальные детали реактора и фактически защищает металлы от коррозии. [6] Высокие температуры, достигаемые теплоносителем (температура на выходе реактора Phénix составляла 833 К (560 °C)) обеспечивают более высокую термодинамическую эффективность , чем в реакторах с водяным охлаждением. [7] Электропроводящий расплавленный натрий может перемещаться электромагнитными насосами . [7] Тот факт, что натрий не находится под давлением, подразумевает, что можно использовать гораздо более тонкий корпус реактора (например, толщиной 2 см). В сочетании с гораздо более высокими температурами, достигаемыми в реакторе, это означает, что реактор в режиме останова может охлаждаться пассивно. Например, воздуховоды могут быть спроектированы таким образом, чтобы все остаточное тепло после останова удалялось естественной конвекцией, и не требовалось никакого действия по перекачке. Реакторы этого типа являются саморегулирующимися. Если температура активной зоны повышается, активная зона немного расширяется, что означает, что больше нейтронов выйдет из активной зоны, замедляя реакцию.
Недостатки
Недостатком натрия является его химическая реактивность, которая требует особых мер предосторожности для предотвращения и тушения пожаров. Если натрий контактирует с водой, он реагирует с образованием гидроксида натрия и водорода, а водород сгорает при контакте с воздухом. Так было на АЭС Мондзю во время аварии 1995 года. Кроме того, захват нейтронов делает его радиоактивным; хотя период полураспада составляет всего 15 часов. [6]
Другая проблема — утечки. Натрий при высоких температурах воспламеняется при контакте с кислородом. Такие пожары натрия можно потушить порошком или заменой воздуха азотом . Российский реактор-размножитель БН-600 сообщил о 27 утечках натрия за 17-летний период, 14 из которых привели к возгоранию натрия. [8]
Цели дизайна
| Актиниды [9] по цепочке распада | Диапазон периода полураспада ( а ) | Продукты деления 235 U по выходу [ 10] | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 4 н | 4 н + 1 | 4 н + 2 | 4 н + 3 | 4,5–7% | 0,04–1,25% | <0,001% | ||
| 228 Ра№ | 4–6 утра | 155 Euþ | ||||||
| 248 Бк[11] | > 9 утра | |||||||
| 244 смƒ | 241 Puƒ | 250 Кф | 227 Ак№ | 10–29 утра | 90 Ср | 85 Кр | 113m Кдþ | |
| 232 Uƒ | 238 Puƒ | 243 смƒ | 29–97 а | 137С | 151 Смþ | 121м Сн | ||
| 249 Кфƒ | 242m Amƒ | 141–351 а | Ни один из продуктов деления не имеет периода полураспада | |||||
| 241 Амƒ | 251 Кфƒ[12] | 430–900 а | ||||||
| 226 Ра№ | 247 Бк | 1,3–1,6 тыс. лет назад | ||||||
| 240 Пу | 229 Тыс | 246 смƒ | 243 Амƒ | 4,7–7,4 тыс. лет назад | ||||
| 245 смƒ | 250 см | 8,3–8,5 тыс. лет назад | ||||||
| 239 Puƒ | 24,1 тыс. лет назад | |||||||
| 230 Тыс№ | 231 Па№ | 32–76 тыс. лет назад | ||||||
| 236 Нпƒ | 233 Uƒ | 234 У№ | 150–250 тыс. лет назад | 99 тк₡ | 126 Сн | |||
| 248 см | 242 Pu | 327–375 тыс. лет назад | 79 се₡ | |||||
| 1,33 млн лет назад | 135 Cs₡ | |||||||
| 237 Нпƒ | 1,61–6,5 млн лет назад | 93 Зр | 107 Пд | |||||
| 236 У | 247 смƒ | 15–24 млн лет назад | 129 Я₡ | |||||
| 244 Pu | 80 млн лет назад | ... и не более 15,7 млн лет назад [13] | ||||||
| 232 Т№ | 238 У№ | 235 Uƒ№ | 0,7–14,1 млрд лет | |||||
| ||||||||
Рабочая температура не должна превышать температуру кипения топлива. Необходимо обеспечить химическое взаимодействие топлива с оболочкой (FCCI). FCCI — это эвтектическое плавление между топливом и оболочкой; уран, плутоний и лантан ( продукт деления ) взаимодиффузируют с железом оболочки. Образующийся сплав имеет низкую температуру эвтектического плавления. FCCI приводит к снижению прочности оболочки и даже к ее разрыву. Количество трансурановой трансмутации ограничено производством плутония из урана. Одним из обходных путей является использование инертной матрицы, например, оксида магния . Оксид магния имеет на порядок меньшую вероятность взаимодействия с нейтронами (тепловыми и быстрыми), чем такие элементы, как железо. [14]
Высокоактивные отходы и, в частности, управление плутонием и другими актинидами должны быть обработаны. Характеристики безопасности включают длительное время термического реагирования, большой запас до кипения охлаждающей жидкости, первичную систему охлаждения, которая работает при давлении, близком к атмосферному, и промежуточную натриевую систему между радиоактивным натрием в первичной системе и водой и паром на электростанции. Инновации могут снизить капитальные затраты, такие как модульные конструкции, удаление первичного контура, интеграция насоса и промежуточного теплообменника и лучшие материалы. [15]
Быстрый спектр реактора SFR позволяет использовать имеющиеся расщепляющиеся и воспроизводящие материалы (включая обедненный уран ) значительно эффективнее, чем реакторы теплового спектра с однократным топливным циклом.
История
В 2020 году Natrium получил грант в размере 80 млн долларов от Министерства энергетики США на разработку своего SFR. Программа планирует использовать топливо из высокопробного, низкообогащенного урана, содержащего 5-20% урана. Реактор должен был быть расположен под землей и иметь регулирующие стержни, вводимые под действием силы тяжести. Поскольку он работает при атмосферном давлении, большой защитный экран не нужен. Благодаря большой емкости для хранения тепла он должен был вырабатывать пиковую мощность 500 МВт в течение 5+ часов, сверх своей постоянной мощности 345 МВт. [16]
Реакторы
Реакторы с натриевым охлаждением включают:
| Модель | Страна | Тепловая мощность (МВт) | Электрическая мощность (МВт) | Год ввода в эксплуатацию | Год вывода из эксплуатации | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|---|
| БН-350 |  Советский Союз | 350 | 1973 | 1999 | Использовался для питания установки опреснения воды. | |
| БН-600 | Советский Союз | 600 | 1980 | Оперативный | Вместе с БН-800 это один из двух коммерческих быстрых реакторов в мире. | |
| БН-800 | Советский Союз / Россия | 2100 | 880 | 2015 | Оперативный | Вместе с БН-600 это один из двух коммерческих быстрых реакторов в мире. |
| БН-1200 | Россия | 2900 | 1220 | 2036 | Еще не построено | В разработке. За ней последует модель БН-1200М для экспорта. |
| CEFR |  Китай | 65 | 20 | 2012 | Оперативный | |
| CFR-600 | Китай | 1500 | 600 | 2023 | В разработке | На острове Чанбяо в уезде Сяпу строятся два реактора . Второй реактор CFR-600 откроется в 2026 году. [17] |
| ЦРБРП |  Соединенные Штаты | 1000 | 350 | Никогда не строился | ||
| ЭБР-1 | Соединенные Штаты | 1.4 | 0.2 | 1950 | 1964 | |
| ЭБР-2 | Соединенные Штаты | 62,5 | 20 | 1965 | 1994 | |
| Ферми 1 | Соединенные Штаты | 200 | 69 | 1963 | 1975 | |
| Эксперимент с натриевым реактором | Соединенные Штаты | 20 | 6.5 | 1957 | 1964 | |
| С1Г | Соединенные Штаты | Военно-морские реакторы США | ||||
| С2Г | Соединенные Штаты | Военно-морские реакторы США | ||||
| Испытательная установка Fast Flux | Соединенные Штаты | 400 | 1978 | 1993 | Не для выработки электроэнергии | |
| ПФР |  Великобритания | 500 | 250 | 1974 | 1994 | |
| ФБТР |  Индия | 40 | 13.2 | 1985 | Оперативный | |
| ПФБР | Индия | 500 | 2024 | В стадии ввода в эксплуатацию | ||
| Мондзю |  Япония | 714 | 280 | 1995/2010 | 2010 | Приостановлено на 15 лет. Возобновлено в 2010 году, затем окончательно закрыто |
| Дзёё | Япония | 150 | 1971 | Оперативный | ||
| СНР-300 |  Германия | 327 | 1985 | 1991 | Никогда не критично/неработоспособно | |
| Рапсодия |  Франция | 40 | 24 | 1967 | 1983 | |
| Феникс | Франция | 590 | 250 | 1973 | 2010 | |
| Суперфеникс | Франция | 3000 | 1242 | 1986 | 1997 | Самый большой SFR из когда-либо построенных. |
| АСТРИД | Франция | 600 | Никогда не строился | 2012–2019 гг.: потрачено 735 млн евро |
Большинство из них были экспериментальными установками, которые больше не работают. 30 ноября 2019 года телеканал CTV сообщил, что канадские провинции Нью-Брансуик , Онтарио и Саскачеван планируют объявить о совместном плане сотрудничества по малым натриевым быстрым модульным ядерным реакторам от базирующейся в Нью-Брансуике компании ARC Nuclear Canada. [18]
Смотрите также
Ссылки
- ^ "Реакторы на быстрых нейтронах | FBR - Всемирная ядерная ассоциация". world-nuclear.org .
- ^ ab Patel, Sonal (2020-09-03). "GE Hitachi, TerraPower Team on Nuclear-Storage Hybrid SMR". Журнал POWER . Получено 28 октября 2022 г.
- ^ «Натрий». Веб-сайт НРК . Проверено 28 октября 2022 г.
- ^ Патель, Сонал (27.10.2022). «PacifiCorp, TerraPower оценивают развертывание до пяти дополнительных усовершенствованных реакторов Natrium». Журнал POWER . Получено 28.10.2022 .
- ^ Гарднер, Тимоти (28 августа 2020 г.). «Ядерное предприятие Билла Гейтса планирует реактор, который дополнит бум солнечной и ветровой энергетики». Reuters – через www.reuters.com.
- ^ abc Fanning, Thomas H. (3 мая 2007 г.). "Натрий как теплоноситель для быстрых реакторов" (PDF) . Тематическая серия семинаров по быстрым натриевым реакторам. Отдел ядерной инженерии, Комиссия по ядерному регулированию США, Министерство энергетики США. Архивировано из оригинала (PDF) 13 января 2013 г.
- ^ аб Бонин, Бернхард; Кляйн, Этьен (2012). Объяснение ядерной энергии для врачей .
- ^ Необычные происшествия во время работы LMFR, Труды заседания Технического комитета, состоявшегося в Вене, 9–13 ноября 1998 г., МАГАТЭ . Страница 53, 122–123.
- ^ Плюс радий (элемент 88). Хотя на самом деле он является субактинидом, он непосредственно предшествует актинию (89) и следует за трехэлементным промежутком нестабильности после полония (84), где ни один нуклид не имеет периода полураспада не менее четырех лет (самый долгоживущий нуклид в промежутке — радон-222 с периодом полураспада менее четырех дней ). Самый долгоживущий изотоп радия, с периодом полураспада 1600 лет, таким образом, заслуживает включения элемента сюда.
- ^ В частности, из деления урана-235 тепловыми нейтронами , например, в типичном ядерном реакторе .
- ^ Milsted, J.; Friedman, AM; Stevens, CM (1965). "Период альфа-полураспада берклия-247; новый долгоживущий изомер берклия-248". Nuclear Physics . 71 (2): 299. Bibcode : 1965NucPh..71..299M. doi : 10.1016/0029-5582(65)90719-4.
«Изотопный анализ выявил вид с массой 248 в постоянном количестве в трех образцах, проанализированных в течение периода около 10 месяцев. Это было приписано изомеру Bk 248 с периодом полураспада более 9 [лет]. Роста Cf 248 обнаружено не было, а нижний предел для периода полураспада β − можно установить на уровне около 10 4 [лет]. Альфа-активности, приписываемой новому изомеру, не обнаружено; период полураспада альфа, вероятно, превышает 300 [лет]». - ^ Это самый тяжелый нуклид с периодом полураспада не менее четырех лет до « моря нестабильности ».
- ^ Исключая « классически стабильные » нуклиды с периодами полураспада, значительно превышающими период полураспада 232Th ; например, в то время как период полураспада 113mCd составляет всего четырнадцать лет, период полураспада 113Cd составляет восемь квадриллионов лет.
- ^ Bays SE, Ferrer RM, Pope MA, Forget B (февраль 2008 г.). "Нейтронная оценка составов мишеней трансмутации в гетерогенных геометриях быстрых натриевых реакторов" (PDF) . Национальная лаборатория Айдахо, Министерство энергетики США. INL/EXT-07-13643 Rev. 1. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-02-12.
- ^ Lineberry MJ, Allen TR (октябрь 2002 г.). "The Sodium-Cooled Fast Reactor (SFR)" (PDF) . Аргоннская национальная лаборатория , Министерство энергетики США. ANL/NT/CP-108933. Архивировано из оригинала (PDF) 29-03-2017 . Получено 01-05-2012 .
- ^ "Атомная электростанция следующего поколения Билла Гейтса представляет собой хранилище энергии в масштабе сети". New Atlas . 2021-03-09 . Получено 2021-06-03 .
- ^ «Китайский быстрый реактор 600 будет запущен в 2023, 2026 годах, что привлекает международное внимание | Tech Times».
- ^ «Три премьер-министра планируют бороться с изменением климата, инвестируя в малые ядерные реакторы». CTVNews . 30 ноября 2019 г.
Внешние ссылки
- Информационный листок Национальной лаборатории Айдахо о быстром реакторе с натриевым охлаждением
- Сайт Международного форума «Поколение IV» SFR
- Краткое изложение семинара INL SFR
- АЛМР/ПРИЗМА
- АСМЕ
- Richardson JH (17 ноября 2009 г.). «Познакомьтесь с человеком, который мог бы положить конец глобальному потеплению». Esquire . Архивировано из оригинала 21 ноября 2009 г.
... Эрик Лоуэн — евангелист быстрого натриевого реактора, который сжигает ядерные отходы, не выбрасывает CO2 , ...
