Fast neutron reactor systémy mají potenciál extrakt 60 krát více energie z uranu ve srovnání se stávající tepelné reaktory, a přispívají k výraznému snížení zátěže radioaktivního odpadu. V mnoha zemích, které aktivně vyvíjejí reaktory a související technologie palivového cyklu, bylo v poslední době dosaženo velkého pokroku.
byl to rychle neutronový reaktor chlazený tekutým kovem, který osvětlil-zábleskem čtyř žárovek-možnost, že by náš svět mohl být poháněn jadernou energií. Ale i když ten průkopnický okamžik v prosinci. 20, 1951, v Argonne National Laboratory je Experimentální množivý Reaktor (EBR) v Idahu, plodil nespočet objevů, které exponenciálně rozšířila oblast jaderné technologie, rychlé neutronové reaktory zůstaly komerčně nepolapitelný.
1. Experimentální množivý Reaktor (EBR) ohlašoval nové éry, kdy se stala první reaktor generovat použitelné množství elektřiny z jaderné energie. Tento výkon dosáhl prosince. 20, 1951, rozsvícením čtyř žárovek. Následující den byl výkon EBR I posílen a od té doby až do jeho vyřazení z provozu v roce 1964 EBR I často vyráběla veškerou elektřinu potřebnou k napájení jeho budovy. Zdroj: Argonne National Laboratory
V desetiletích, která následovala Argonne průlom (Obrázek 1), představa, že jaderný reaktor by mohl „chovat“ více paliva, než je spotřebována rychle se stal oporou předmětem vnitrostátních výzkumných přijala několik dalších zemí, včetně Sovětského Svazu, velké BRITÁNII, Francii, Německu, Japonsku a Indii. Přesto k dnešnímu dni, jen asi 20 rychlé reaktory byly provozovány, některé od roku 1950, a pouze jeden působí v komerční kapacita—Francie 1,250-MWe komerční prototyp Superphenix, který běžel od roku 1985 do roku 1998, kdy bylo uzavřeno z politických důvodů.
v poslední době se však vzhledem k technickému pokroku a rostoucím provozním zkušenostem zdá, že zájem o rychlou technologii reaktoru byl znovu vyvolán. Na konci roku 2016, Rusko dejte on-line, BN-800 na jeho Bělojarské jaderné elektrárny (POWER Top Závod vítěz v listopadu 2016), projekt široce považován za „nejsilnější rychlý množivý reaktor na světě.“Nejméně 16 dalších projektů rychlých reaktorů se blíží k nasazení v čele s USA, Francií, Belgií, Rumunskem, Ruskem, Čínou, Jižní Koreou, Indií a Japonskem. Dva z těchto projektů-Ruský BN-1200 A Čínský CDFBR-1200-by mohly být komerčními projekty, až budou do roku 2030 online.
Mezitím, dnešní svět se potýká s obavami o jaderném odpadu s větší naléhavostí, že někdy před, po letech politických nabubřelé, bylo dosaženo jen malého pokroku při skladování a ukládání vyhořelého paliva. Argonne předpovídá: „i když v současné době existuje velmi málo v provozu, budou nakonec ukázat jako životně důležité pro rozšíření světě uranu a thoria dodávky energie pro desítky tisíc let a k odstranění dlouho-žil radiotoxicity z použitého jaderného paliva.“
Rychlé Reaktory: Jiné plemeno
jak vysvětluje Argonne, když se atom v jaderném reaktoru“štěpí“ —nebo se rozdělí na několik menších fragmentů—neutrony se uvolňují při vysoké energii(vysoké rychlosti). V tepelných reaktorech, které tvoří většinu jaderné elektrárny na světě flotily, štěpení neutrony jsou zpomaleny na minimum (tepelné) energie při srážkách s lehkými atomy v reaktoru—vodíku ve vodě, ve vodou chlazených reaktorů, deuteria na těžkou vodu v těžké vodou chlazené reaktory, nebo uhlíku v grafitu, v plynem chlazené reaktory. Většina neutronů v těchto reaktorů zpomalit na nižší rychlost, než mají šanci způsobit následné fissions kolize s štěpných jader—což je obvykle uranu-235 (U-235).
„v rychlém reaktoru se však štěpné neutrony nezpomalují a místo toho způsobují štěpení srážením se štěpnými jádry při vysoké energii,“ uvedla laboratoř. „To je důležité, protože více neutronů se uvolňuje z fissions způsobených vysokoenergetickými neutrony než z fissions způsobených tepelnými neutrony.“Ačkoli každá štěpná reakce v reaktoru ničí jeden štěpný atom, štěpné atomy mohou být také vytvořeny, když je Neutron zachycen v reakci s plodným atomem, obvykle U-238.“
v Podstatě, laboratoř vysvětluje, v rychlém množivém reaktoru, navíc U-238 se přidává tak, že více štěpných atomy jsou vytvořeny, než jsou zničeny štěpení. „To znamená, že v podstatě veškerá původní uranová ruda (což je 99,3% U-238 a 0,7% U-235)může být použita jako palivo reaktoru v reaktoru rychlého chovu. Naproti tomu v tepelném reaktoru se spotřebuje pouze přibližně 1% původního uranu.“Účinek, poznamenal, je, že rychlý reaktor by mohl rozšířit světové zdroje uranu o faktor asi 60.
druhým, významnějším přínosem je, že rychlé reaktory “ mohou štěpením zničit materiály (plutonium, americium, curium atd.), které používají jaderné palivo radioaktivní déle než stovky let, “ řekl Argonne. „Tyto prvky štěpení docela dobře, když se srazí s rychlými neutrony, vzhledem k tomu, že štěpení daleko méně, nebo vůbec, když se srazí s termální neutrony. Tyto materiály tedy fungují jako palivo v rychlých reaktorech, místo toho, aby fungovaly jako odpadní produkty, jako tomu je v tepelných reaktorech. Tato funkce rychlé reaktory je používán paliva, likvidace daleko jednodušší pomocí nejdelší poločas části odpadu jako zdroje energie.“
Široké Spektrum Technologií v Rámci Rozvoje
Podle Mezinárodní Agentury pro Atomovou Energii (MAAE), potenciál zvýšit, že rychlý reaktor systémy pracující v plně uzavřeném cyklu nabídnout jaderného paliva a nakládání s odpady a jejich důsledky pro udržitelnost—je široce uznávána, a aktivní vývoj i nadále v mnoha zemích na reaktor, chladicí kapaliny, paliva a palivového cyklu technologií. V červnu 2017 konference, které agentura uspořádala pro svět je rychlý reaktor a související palivového cyklu společenství v Rusku (řízení, které byly vydány v loňském prosinci), obrovské množství demonstračních projektů, od malých až po velké měřítku, byly hlášeny v rámci studie, design a stavebnictví.
Jak Subhash Chandra Chetal, bývalý šéf Indie Indira Gandhi Centrum pro Atomový Výzkum, řekl účastníkům ve svém úvodním projevu, rozmanitost výzkumu je závratná. „Komunita rychlých reaktorů si je dobře vědoma, že pro rychlé reaktory neexistuje dokonalá chladicí kapalina a volba se čas od času zvažuje jak v jednotlivých zemích, tak na mezinárodních fórech.“Mezinárodní Fórum IV. Generace (GIF), asociace, která byla založena v roce 2000 na předem jaderné energie do své čtvrté generaci, dnes má 14 členských zemí a má destilované téměř 100 stávajících konceptů do čtyř rychlé neutronové spektrum kategorií, které říká, že nabídka „většina slib.“
2. Rozhodující pro Rusko je „PRORYV“—nebo „Průlom“—program výstavby BN-800 rychlý reaktor navržený Rosatom jaderné inženýrství ruku OKBM Afrikantov, který nakonec odstartoval jako čtvrtý jednotka v Bělojarské v roce 2006. Jednotka začala fungovat v prosinci 2016. Zdvořilost: Rosatom
sodíkem chlazený rychlý reaktor (SFR) s uzavřeným palivovým cyklem. Nejvyspělejší ze všech konceptů, 20 prototypů SFR nebo demonstrací bylo postaveno po celém světě,které poskytly více než 400 reaktorových let provozu. 2) v Rusku, indické FBTR, francouzské SuperPhenix a EBR I a II v USA řada soukromých společností, jako jsou GE Hitachi a TerraPower, také projevila zájem o SFR.
„Velmi cenné provozní zkušenosti byly shromážděny z operačního rychlé reaktory jako zpětnou vazbu pro budoucí design jak z hlediska stojí za zachování a vyřazení pro budoucí návrhy, pokud jde o materiály, konstrukční možnosti a sodíku technologie,“ Chetal poznamenal. Nedávné testování mixed-oxide kovů a karbidu paliva ukázaly, „vynikající výsledky“ a vyhoření paliva byla zvýšena systematicky s zlepšení v základních konstrukčních materiálů. Mezitím „příčiny sodíku netěsnosti v různých reaktorech v důsledku design nepřesnost v podrobně design, výrobní nedostatek, konstrukční materiály a tepelné pruhy jsou poměrně dobře rozumí a jsou stále zahrnuty v budoucích návrhů.“V některých zemích však stále existuje vážné znepokojení ohledně úniků sodíku a několik konstruktérů vybírá potrubí s dvojitou stěnou v sekundárních obvodech, aby se zabránilo požáru sodíku,“ řekl.
olovem chlazený rychlý reaktor (LFR) s uzavřeným palivovým cyklem. LFRs jsou chlazeny roztaveným olovem (nebo slitinami na bázi olova), které nenabízí žádné rychlé reakce s vodou a vzduchem jako u SFR. LFRs pracovat při vysoké teplotě a v blízkosti atmosférický tlak, podmínky povolena, protože velmi vysoký bod varu chladicí kapaliny (až 1743C) a jeho nízký tlak par. Chladicí kapalinou je buď čisté olovo, nebo slitina olova, nejčastěji eutektická směs olova a vizmutu, známá také jako LBE. Příkladem je evropský velký energetický reaktor o výkonu 600 MW a ruský BREST-300 a mikroreaktor SSTAR, který má velmi dlouhou životnost jádra. Soukromé společnosti jako Westinghouse, Hydromine nebo LeadCold také vyvinuly základní návrhy LFR.
plynem chlazený rychlý reaktor (GFR) s uzavřeným palivovým cyklem. GFRs, které jsou chlazeny heliem, jsou navrženy jako dlouhodobější alternativa k SFR. GIF zdůraznil několik atraktivních funkcí inovativního jaderného systému. To používá „jednofázové chladicí kapaliny, který je chemicky inertní, což není distancovali, nebo se stanou aktivní, je transparentní a zatímco chladicí kapaliny void koeficient je stále pozitivní, je malá a dominuje Doppler zpětnou vazbu,“ řekl. Mezitím má jádro reaktoru relativně vysokou hustotu výkonu a nabízí lepší kontrolu a zjednodušenou manipulaci s chladicí kapalinou. Jeho vysoká základní výstupní teploty jsou nad 750F, ale že „místa zatěžující nároky na schopnosti paliva k provozu nepřetržitě, s vysokou hustotou výkonu, které jsou nezbytné pro dobré neutron ekonomie v rychlém reaktoru,“ řekl, nevýhodou, že bude vyžadovat robustní paliva a strukturálních potřeb. Mezi privátní GFR systémy patří Projekt General Atomics ‚ EM 2. Podle GIF je však koncept GFR stále ve fázi životaschopnosti a mnoho z nich nevstoupí do fáze výkonu před rokem 2022.
reaktor s roztavenou solí (MSR) s koncepty tepelných a rychlých neutronů s uzavřeným palivovým cyklem. Koncept vyvinut v roce 1950, koncept používá tekuté soli jako palivo a chladicí kapaliny, a grafit jako moderátor. Podle GIF mají tyto typy reaktorů na kapalné palivo klíčové výhody oproti systémům na tuhá paliva. Mezi ně patří, „možnost složení paliva (plodné/štěpných) úprava a přepracování paliva bez vypnutí reaktoru; možnost překonání obtíží tuhá paliva výroba a re-výroba s velké množství transuranových prvků (TRUs); potenciál pro lepší využití zdrojů dosažením vysoké spalování paliva (s TRUs zbývající v kapalném palivu podstoupit štěpení nebo transmutace na štěpný prvek).“MSR rychlého spektra nabízejí to nejlepší z technologií rychlého reaktoru a roztavené soli, včetně rozšířeného využití zdrojů a minimalizace odpadu, jakož i nízkého tlaku, vysoké teploty varu a optické průhlednosti.
příklady zahrnují 1 400 MWe MSFR vyvinutý Francií v rámci projektu SMOFAR, který má palivový cyklus thoria, a ruský 1 000 MWe MOSART projekt. Čína také zkoumá vysokoteplotní reaktor chlazený fluoridovou solí a thoriový roztavený fluoridový solný reaktor. Soukromý sektor mezitím zahájil několik projektů po celém světě. Mezi společnostmi poznámky jsou TerraPower, Thorcon, Zemské Energie, Flibe Energy, Transatomic Power, Elysium Odvětví, Alpha Tech Research Corp., a Kairos Moc.
GIF však také poznamenal, že výzvy v oblasti výzkumu a vývoje jsou četné. „Pro kapalná paliva s možností uzavřený palivový cyklus, jsou jednání se solí vlastnosti (fyzikální, chemické a termodynamické vlastnosti) a rozpustnosti pro aktinidy a štěpné produkty v soli; systém design a bezpečnost analýza (včetně vývoje moderních neutronic a tepelně-hydraulické spojky modely); vývoj pokročilých materiálů (včetně studií o jejich slučitelnosti s roztavenou solí a chování za vysoké neutronové toky při vysoké teplotě); koroze a tritia vydání prevence založené na správné roztavené soli Redoxní ovládání; vývoj efektivní metody plynné extrakce štěpných produktů z paliva, sůl podle helium bublající; palivové soli zpracování flowsheet (včetně redukční extrakce testy pro aktinidů/lanthanide oddělení); a rozvoj a bezpečnost-zabezpečení přístupu (a šíření rezistence) specializované na kapalné palivo reaktorů.“Koncept je stále ve fázi proveditelnosti nebo životaschopnosti a fáze výkonu může začít až v roce 2025,poznamenal.
Quest pro Lepší Ekonomiku
Zatímco řízení ukázal všeobecný optimismus o budoucnosti rychlé reaktory, několik řečníků rozpoznány problémy, které by mohly narušit průběh rychlé reaktory. MAAE řekl, například, „K dosažení plného potenciálu fast neutron reactors, dosáhl skutečný průlom ve využití jaderné energie, výzkum a technologický vývoj, bude muset prokázat splnění moderní kritéria ekonomické konkurenceschopnosti, přísné požadavky na bezpečnost a zabezpečení, udržitelného rozvoje, šíření odpor a přijetí ze strany veřejnosti.“
Podle Chetal, quest pro lepší ekonomiku brzdí nedostatek informací, protože pouze SFRs doposud postavený pro demonstrační a komerční účely. „Životaschopnost technologie SFRs byla dobře prokázána v experimentálních a demonstračních reaktorech. Ekonomická konkurenceschopnost SFR se však zatím neprokázala, “ poznamenal. „Vnímané vyšší náklady na SFR ve srovnání s bránily jeho růstu. Ekonomické srovnání SFR versus LWR má silné vazby s náklady na uranu, který se v současné době vyvíjí tlak na SFRs hledat způsoby a prostředky, jak zlepšit investiční náklady, doba výstavby, a kapacita faktorem,“ řekl.
u některých ruských projektů rychlých reaktorů již možná došlo k podstatnému zlepšení, navrhl E. O. Adamov, odborník na projekt Rosatomu Proryv. Federální projekt, od roku 2012, se snažili vytvořit technologický základ pro rozsáhlé rychlý reaktor použít pomocí znalostí získaných z provozu BN-800 v Bělojarské 4. K dnešnímu dni bylo zjištěno, že BN-600, rychlý reaktor z roku 1981 (Beloyarsk 3), je ekonomicky srovnatelný s ruskou technologií VVER, pokud ji lze zvětšit. Adamov řekl, že Rusko se nyní snaží dokázat, že BN-1200, který je ve vývoji—a výrazně se liší od předchozích modelů BN—, může konkurovat „nejlepším jaderným elektrárnám na tepelných neutronech.“Srovnání vyrovnaných nákladů na energii pro rychlé reaktory a elektrárny s kombinovaným cyklem plynové turbíny (CCGT) v ruských podmínkách přineslo klíčové poznatky, poznamenal. Jedním z nich je, že jaderné elektrárny s tepelnými reaktory s otevřeným palivovým cyklem “ nemohou zaručit další efektivní konkurenční rozvoj.“Pokud budou splněny stanovené požadavky na výkon zařízení BN-1200, rychlé reaktory by však mohly snadno konkurovat než CCGT a dokonce i obnovitelné zdroje, řekl.
Indie, která je v procesu uvedení do provozu-odloženo na 500 MW prototyp rychlý množivý reaktor (PFBR) v Kalpakkam v Tamil Nadu, se mezitím uznal, že náklady na přepracování rostliny budou důležité pro budoucnost rychlých reaktorů. „Indické hodnocení ukazuje, že je rozumné společně lokalizovat zařízení rychlého reaktorového palivového cyklu pro přepracování a refabrikaci na stejném místě jako reaktor a mělo by být navrženo pro více reaktorů,“ řekl Chetal. „V tomto světle, rychlý reaktor, palivový cyklus zařízení je ve výstavbě na místě PFBR zpracovat a refabricate palivové prvky pro PFBR a další dva MOX reaktorů 600 MW každý.“
další překážky zpomalující rychlé reaktory
první rychlé reaktory svého druhu také čelí těžkopádné výzvě získání včasné Licence. Jak poznamenalo několik řečníků na konferenci MAAE, jen málo odborníků v regulačním prostředí se dobře vyzná v rychlých výzvách reaktorů. Nedostatek technické znalosti potřebné k výrobě komponent pro rychlý reaktor zařízení, stejně jako vybudovat, komise, provozovat, udržovat, a vyřadit je tak kritická.
zásadní je také řešení bezpečnostních otázek týkajících se široké škály vyvíjených systémů. Na této frontě však probíhá mnoho výzkumů, také, konkrétně týkající se SFR. Například v Japonsku vědci studují rizika pomocí metodiky hodnocení. Čína zavedla bezpečnostní kód pro nominální podmínky založený na parametrech SFR pro interakce tepelného rozpadu a sodíkového betonu. Astrid, demonstrační projekt SFR, který Francie vyvíjí ve spolupráci s Japonskem, přinesl průvodce bezpečnostním designem se základními principy. Rusko je hodnocení bezpečnosti BN-1200, mezitím, identifikoval tři typy mimo-design nehody: ztráta energie (čerpadla, kde v primární a sekundární obvody zastavit a tam je žádná voda přívod); zavedení reaktivity odebráním dvou řídicích tyčí; a havárie zablokování sestavy paliva).
Zastřešující všechny tyto snahy je stále složité sítě mezinárodní spolupráce podporovat sdílení informací o výzkumu a vývoji, a technické znalosti. Spolu s GIF koordinuje MAAE mezinárodní projekt inovativních jaderných reaktorů a palivových cyklů z roku 2000. Mezitím Evropská udržitelná jaderná průmyslová iniciativa vyvíjí ASTRID ve Francii, ALFRED, LFR v Rumunsku a MYRRHA, což je hlavní projekt ozařování vizmutu v Belgii. ■
—Sonal Patel je redaktor POWER associate.
