nopeissa neutronireaktorijärjestelmissä on mahdollista saada uraanista 60 kertaa enemmän energiaa kuin nykyisissä lämpöreaktoreissa, ja ne vähentävät merkittävästi radioaktiivisen jätteen kuormitusta. Monissa maissa, jotka kehittävät aktiivisesti reaktoreita ja niihin liittyviä polttoainekiertoteknologioita, on edistytty viime aikoina huomattavasti.
kyseessä oli nestemäisellä metallilla jäähdytetty pikaneutronireaktori, joka valaisi–neljän hehkulampun välähdyksellä-mahdollisuuden, että maailmamme voisi saada energiansa ydinenergiasta. Mutta vaikka se uraauurtava hetki joulukuussa. 20, 1951, Argonne National Laboratoryn kokeellinen hyötöreaktori I (EBR I) Idahossa, sai aikaan lukemattomia läpimurtoja, jotka eksponentiaalisesti laajensivat ydinvoimateknologian alaa, nopeat neutronireaktorit ovat jääneet kaupallisesti vaikeasti saavutettaviksi.
1. Kokeellinen hyötöreaktori I (EBR I) aloitti uuden aikakauden, kun siitä tuli ensimmäinen reaktori, joka tuotti käyttökelpoisen määrän sähköä ydinenergiasta. Se suoritti tämän feat Joulukuuta. 20, 1951, sytyttämällä neljä lamppua. Seuraavana päivänä EBR I: n tuotantoa tehostettiin, ja siitä lähtien, kunnes se poistettiin käytöstä vuonna 1964, EBR I tuotti usein kaiken tarvittavan sähkön rakennukseen. Lähde: Argonne National Laboratory
Argonnen läpimurtoa seuranneina vuosikymmeninä (Kuva 1) käsitys, jonka mukaan ydinreaktori voisi ”tuottaa” enemmän polttoainetta kuin se kuluttaisi, nousi nopeasti kansallisen tutkimuksen pääkohteeksi muutamissa muissa maissa, kuten Neuvostoliitossa, Isossa-Britanniassa, Ranskassa, Saksassa, Japanissa ja Intiassa. Tähän mennessä vain noin 20 nopeaa reaktoria on toiminut, osa 1950—luvulta lähtien, ja vain yksi niistä on toiminut kaupallisessa kapasiteetissa-Ranskan 1250 MWe: n kaupallinen prototyyppi Superphenix, joka oli toiminnassa vuodesta 1985 vuoteen 1998, jolloin se suljettiin poliittisista syistä.
viime aikoina kiinnostus pikareaktoriteknologiaa kohtaan näyttää kuitenkin jälleen heränneen teknisen kehityksen ja käyttökokemuksen kasvun vuoksi. Vuoden 2016 lopussa Venäjä laittoi verkkoon Belojarskin ydinvoimalansa BN-800: n (POWER Top Plant-voittaja marraskuussa 2016), jota pidetään yleisesti ”maailman tehokkaimpana nopeakäyttöisenä hyötöreaktorina.”Ainakin 16 muuta nopeaa reaktorihanketta on lähestymässä käyttöönottoa, jota johtavat Yhdysvallat, Ranska, Belgia, Romania, Venäjä, Kiina, Etelä-Korea, Intia ja Japani. Kaksi näistä hankkeista-Venäjän BN-1200 ja Kiinan CDFBR—1200-voisivat olla kaupallisia hankkeita, kun ne tulevat verkkoon vuoteen 2030 mennessä.
tällä hetkellä maailma painiskelee ydinjätettä koskevien huolien kanssa entistä kiireellisemmin; käytetyn ydinpolttoaineen varastoinnissa ja loppusijoituksessa ei ole vuosien poliittisen harhan jälkeen juurikaan edistytty. Argonne ennustaa: ”vaikka niitä on nykyään hyvin vähän, ne osoittautuvat lopulta välttämättömiksi maailman uraani-ja toriumenergiavarojen laajentamiseksi kymmeniin tuhansiin vuosiin ja käytetyn ydinpolttoaineen pitkäikäisen radioaktiivisuuden poistamiseksi.”
Nopeat Reaktorit: Erirotuinen
kuten Argonne sen selittää, kun ydinreaktorin atomi ”fissioituu”—tai hajoaa useiksi pienemmiksi kappaleiksi—neutronit vapautuvat suurella energialla (nopeilla nopeuksilla). Lämpöreaktoreissa, jotka muodostavat suurimman osan maailman ydinvoimalaivastosta, fissioneutronit hidastuvat mataliksi (lämpöenergisiksi) törmäyksillä reaktorin kevyiden atomien kanssa—vety vedessä vesijäähdytteisissä reaktoreissa, deuterium raskaassa vedessä raskaissa vesijäähdytteisissä reaktoreissa tai hiili grafiitissa kaasujäähdytteisissä reaktoreissa. Suurin osa näiden reaktoreiden neutroneista hidastuu alhaisiin nopeuksiin ennen kuin ne ehtivät aiheuttaa myöhempiä fissioita törmäämällä fissiileihin ytimiin—jotka ovat yleensä uraani-235 (U-235).
”nopeassa reaktorissa fissioneutronit eivät kuitenkaan hidastu, vaan aiheuttavat fissioita törmäämällä fissiileihin ytimiin suurella energialla”, laboratorio sanoi. ”Tämä on tärkeää, koska suurienergiaisten neutronien aiheuttamista fissioista vapautuu enemmän neutroneja kuin termisten neutronien aiheuttamista fissioista.”Vaikka jokainen reaktorin fissioreaktio tuhoaa yhden fissioituvan atomin, fissioituvia atomeja voi syntyä myös silloin, kun neutroni otetaan talteen reaktiossa hedelmällisen atomin, yleensä U-238: n, kanssa.”
pohjimmiltaan laboratorio selittää, että nopeassa hyötöreaktorissa U-238: aa lisätään niin, että syntyy enemmän fissioituvia atomeja kuin tuhoutuu fissiossa. ”Tämä tarkoittaa, että käytännössä kaikki alkuperäinen uraanimalmi (joka on 99,3% U-238 ja 0,7% U-235) voidaan käyttää reaktorin polttoaineena nopeassa hyötöreaktorissa. Sen sijaan vain noin 1% alkuperäisestä uraanista kulutetaan lämpöreaktorissa.”Sen mukaan nopea reaktori voisi laajentaa maailman uraanivaroja noin 60: llä.
toinen, merkittävämpi hyöty on se, että nopeat reaktorit ”voivat fissiolla tuhota materiaalit (plutonium, amerikium, curium jne.), jotka tekevät käytetystä ydinpolttoaineesta radioaktiivisen pidempään kuin satoja vuosia”, Argonne sanoi. ”Nämä alkuaineet fissioituvat melko hyvin törmätessään nopeisiin neutroneihin, kun taas ne fissioituvat paljon vähemmän tai eivät lainkaan törmätessään termisiin neutroneihin. Nämä materiaalit toimivat siis polttoaineena nopeissa reaktoreissa sen sijaan, että ne toimisivat jätteinä, kuten lämpöreaktoreissa. Tämä nopeiden reaktoreiden ominaisuus tekee käytetyn polttoaineen loppusijoitusongelmasta paljon yksinkertaisemman käyttämällä jätteen pisimpiä puoliintumisaikoja energianlähteenä.”
kehitteillä olevien teknologioiden laaja kirjo
Kansainvälisen atomienergiajärjestön (IAEA) mukaan täysin suljetun kierron nopeiden reaktorijärjestelmien mahdollinen edistysaskel ydinpolttoaineen tehokkuudelle ja jätehuollolle—ja niiden vaikutukset kestävyyteen—on laajalti tunnustettu, ja aktiivinen kehitys jatkuu monissa maissa reaktori -, jäähdytys -, polttoaine-ja polttoainekiertoteknologioiden alalla. Kesäkuussa 2017 pidetyssä konferenssissa, jonka virasto isännöi maailman nopealle reaktorille ja siihen liittyvälle polttoainekiertoyhteisölle Venäjällä (jonka menettelyt julkaistiin viime joulukuussa), raportoitiin olevan tutkittavana, suunniteltavana ja rakennettavana.
kuten Intian Indira Gandhin Atomitutkimuskeskuksen entinen johtaja Subhash Chandra Chetal kertoi avajaispuheessaan, tutkimuksen kirjo on huimaava. ”Fast reactor-yhteisö on hyvin tietoinen siitä, että nopeisiin reaktoreihin ei ole täydellistä jäähdytysnestettä ja valintaa pohditaan aika ajoin sekä yksittäisissä maissa että kansainvälisillä foorumeilla.”Generation IV International Forum (GIF), järjestö, joka perustettiin vuonna 2000 edistämään ydinenergiaa sen neljänteen sukupolveen, on nyt 14 jäsenmaata ja on tislannut lähes 100 olemassa olevaa konseptia neljään nopean neutronispektrin kategoriaan, jotka sen mukaan tarjoavat ”kaikkein lupaavimman.”
2. Venäjän ”PRORYV”—eli ”Läpimurto”—ohjelman keskeinen osa oli Rosatomin ydinteknisen haaran OKBM Afrikantovin suunnitteleman BN-800-nopean reaktorin rakentaminen, joka lopulta käynnistyi Belojarskin neljäntenä yksikkönä vuonna 2006. Yksikkö aloitti toimintansa joulukuussa 2016. Rosatom
Sodium-Cooled Fast Reactor (SFR) with a Closed Fuel Cycle. Kaikista konsepteista kypsimpiä, 20 SFR-prototyyppiä tai demonstraatiota on rakennettu ympäri maailmaa, jotka ovat mahdollistaneet yli 400 reaktorivuoden käytön. Esimerkkejä ovat BN-800 osoitteessa Belojarsk 4 (kuva 2) Venäjällä, Intian Fbtr, Ranskan SuperPhenix ja EBR I ja II Yhdysvalloissa.myös monet yksityiset yritykset, kuten GE Hitachi ja TerraPower, ovat osoittaneet kiinnostusta SFR: ää kohtaan.
”toimivista nopeista reaktoreista on kertynyt erittäin arvokasta käyttökokemusta palautteena tulevaa suunnittelua varten, sillä sekä materiaalien, suunnitteluvaihtoehtojen että natriumteknologian osalta ne kannattaa säilyttää että hylätä tulevissa malleissa”, Chetal totesi. Sekaoksidimetalli-ja karbidipolttoaineen viimeaikaiset kokeet ovat osoittaneet ”erinomaisia tuloksia”, ja polttoaineen palamista on lisätty järjestelmällisesti ydinmateriaalien parantumisen myötä. Samaan aikaan, ” syyt natrium vuotoja eri reaktoreissa johtuu suunnittelun riittämättömyys yksityiskohtaisesti suunnittelu, valmistuksen puute, materiaalien rakentamisen ja lämpö raidoitus ovat melko hyvin tiedossa ja ne otetaan osaksi tulevissa malleissa.”Kuitenkin” joissakin maissa on edelleen vakava huoli natriumvuodoista, ja muutamat suunnittelijat valitsevat kaksoisseinäputkistot toisiopiireissä natriumpalon välttämiseksi”, hän sanoi.
Lyijyjäähdytteinen Pikareaktori (LFR), jossa on suljettu Polttoainekierto. LFR: t jäähdytetään sulalla lyijyllä (tai lyijypohjaisilla seoksilla), joka ei tarjoa nopeita reaktioita veden ja ilman kanssa kuten SFR: t. LFRs toimii korkeassa lämpötilassa ja lähellä ilmanpainetta, olosuhteet käytössä, koska erittäin korkea kiehumispiste jäähdytysnesteen (jopa 1743c) ja sen alhainen höyrynpaine. Jäähdytysneste on joko puhdasta lyijyä tai lyijyseosta, yleisimmin lyijyn ja vismutin eutektista seosta, joka tunnetaan myös nimellä LBE. Esimerkkejä ovat 600 MW: n Suurvoimareaktori Euroopassa ja Venäjän BREST-300 sekä mikroreaktori SSTAR, jonka ytimen käyttöikä on erittäin pitkä. Myös yksityiset yritykset, kuten Westinghouse, Hydromine tai LeadCold, ovat kehittäneet LFR: n perusmalleja.
Kaasujäähdytteinen nopea reaktori (GFR), jossa on suljettu Polttoainekierto. Pitempiaikaiseksi vaihtoehdoksi SFR-standardeille ehdotetaan GFRs-standardeja, joita jäähdytetään heliumilla. GIF korosti innovatiivisen ydinjärjestelmän monia houkuttelevia ominaisuuksia. Se käyttää ” yksivaiheinen jäähdytysneste, joka on kemiallisesti inertti, joka ei hajoa tai aktivoidu, on läpinäkyvä ja vaikka jäähdytysnesteen void kerroin on edelleen positiivinen, se on pieni ja hallitsee Doppler palautetta,” se sanoi. Samaan aikaan reaktorin ytimessä on suhteellisen korkea tehotiheys, ja se tarjoaa paremman tarkastuksen ja yksinkertaistetun jäähdytysnesteen käsittelyn. Sen korkeat ytimen ulostulolämpötilat ovat yli 750F, mutta se ”asettaa raskaita vaatimuksia polttoaineen kyvylle toimia jatkuvasti hyvän neutronitalouden edellyttämällä suurella tehotiheydellä nopeassa reaktorisydämessä”, se sanoi, haittana, joka vaatii vankkaa polttoainetta ja rakenteellisia tarpeita. Yksityisten GFR-järjestelmien joukossa on General Atomicsin EM 2-projekti. GFR-konsepti on kuitenkin GIF: n mukaan vielä toteuttamiskelpoisuusvaiheessa, eivätkä monet siirry suoritusvaiheeseen ennen vuotta 2022.
Sulasuolareaktori (MSR), jossa on terminen ja nopea Neutronikonsepti ja suljettu Polttoainekierto. 1950-luvulla kehitetty konsepti käyttää sulaa suolaa sekä polttoaineena että jäähdytysnesteenä ja grafiittia hidastimena. GIF: n mukaan tämäntyyppisillä nestekäyttöisillä reaktoreilla on keskeisiä etuja kiinteäkäyttöisiin järjestelmiin verrattuna. Näitä ovat, ” mahdollisuus polttoaineen koostumus (hedelmällinen/fissiili) säätö ja polttoaineen jälleenkäsittely sammuttamatta reaktorin; mahdollisuus voittaa vaikeudet kiinteän polttoaineen valmistus/uudelleen valmistus suuria määriä transuraanisia elementtejä (TRUs); potentiaali parempaan resurssien hyödyntämiseen saavuttamalla korkea polttoaineen burnups (Trus jäljellä nestemäisessä polttoaineessa tehdään fissio tai transmutaatio halkeamiskelpoinen Elementti).”Nopea spektri MSRs tarjoaa parhaat nopean reaktorin ja sulan suolan teknologiat, mukaan lukien laajennettu resurssien käyttö ja jätteiden minimointi sekä alhainen paine, korkea kiehumislämpötila ja optinen läpinäkyvyys, se sanoi.
esimerkkejä ovat Ranskan smofar-hankkeessa kehittämä 1 400 MWe MSFR, jossa on toriumpolttoainekierto, ja Venäjän 1 000 MWe MOSART-projekti. Kiinassa tutkitaan myös fluorisuolajäähdytteistä korkean lämpötilan reaktoria ja toriumin sula fluorisuola-lämpöreaktoria. Yksityinen sektori on puolestaan käynnistänyt useita hankkeita ympäri maailmaa. Merkittävistä yrityksistä mainittakoon TerraPower, Thorcon, Terrestrial Energy, Flibe Energy, Transatomic Power, Elysium Industries, Alpha Tech Research Corp. ja Kairos Power.
GIF totesi kuitenkin myös, että tutkimus-ja kehityshaasteita on lukuisia. ”Suljetun polttoainekierron neste-polttoaine-vaihtoehdossa käsitellään aktinidien ja fissiotuotteiden suolaominaisuuksia (fysikaalisia, kemiallisia ja termodynaamisia ominaisuuksia) ja liukoisuutta suolaan; järjestelmän suunnittelu ja turvallisuusanalyysi (mukaan lukien kehittyneiden neutronien ja lämpöhydraulisten kytkentämallien kehittäminen); kehittyneiden materiaalien kehittäminen (mukaan lukien tutkimukset niiden yhteensopivuudesta sulien suolojen kanssa ja käyttäytymisestä korkeassa neutronivirrassa korkeassa lämpötilassa); korroosion ja tritiumin vapautumisen ehkäisy, joka perustuu asianmukaiseen sulan suolan Redox-valvontaan.; tehokkaiden tekniikoiden kehittäminen kaasumaisten fissiotuotteiden uuttamiseksi polttoainesuolasta heliumkuplalla; polttoainesuolan prosessointivirtaus (mukaan lukien pelkistävät uuttokokeet aktinidin ja lantanidin erottamiseksi); ja turvallisuuskäsitteen (ja proliferaatiokestävyyden) kehittäminen, joka on omistettu nestekäyttöisille reaktoreille.”Konsepti on vielä toteutettavuus-tai elinkelpoisuusvaiheessa, ja suoritusvaihe voi alkaa vasta vuonna 2025, se totesi.
pyrkimys parempaan talouteen
vaikka menettely osoitti yleistä optimismia nopeiden reaktoreiden tulevaisuudesta, useat puhujat tunnistivat haasteita, jotka voivat haitata nopeiden reaktoreiden etenemistä. IAEA sanoi esimerkiksi, että ” saavuttaakseen nopeiden neutronireaktoreiden täyden potentiaalin, saavuttaakseen todellisen läpimurron ydinenergian hyödyntämisessä, tutkimuksen ja teknologian kehityksen on osoitettava nykyaikaisten kriteerien täyttyminen taloudellisen kilpailukyvyn, tiukkojen turvallisuus-ja turvallisuusvaatimusten, kestävän kehityksen, joukkotuhoaseiden leviämisen vastustamisen ja yleisen hyväksynnän osalta.”
Chetalin mukaan paremman taloustieteen tavoittelua vaikeuttaa tiedon puute, koska Tähän mennessä vain SFR: t on rakennettu demonstraatio-ja kaupallisiin tarkoituksiin. ”SFRs: n teknologinen elinkelpoisuus on osoitettu hyvin koe-ja demonstraatioreaktoreissa. SFR: n taloudellinen kilpailukyky ei kuitenkaan ole vielä kunnolla todistettu, hän totesi. ”SFR: ien koettu korkeampi kustannus verrattuna on hidastanut sen kasvua. Taloudellinen vertailu SFR vs. LWR on vahva yhteys kustannukset uraanin, joka tällä hetkellä asettaa paineita SFRs etsiä tapoja ja keinoja parantaa pääomakustannuksia, rakennusaika, ja kapasiteetti tekijä,” hän sanoi.
joihinkin Venäjän nopeisiin reaktorihankkeisiin on jo saatettu tehdä merkittäviä parannuksia, ehdotti Rosatomin PRORYV-hankkeen asiantuntija E. O. Adamov. Liittovaltiohanke on vuodesta 2012 lähtien pyrkinyt luomaan teknologisen perustan laajamittaiselle nopean reaktorin käytölle käyttäen tietoa, joka on saatu BN-800: n käytöstä Belojarskissa 4. Tähän mennessä BN-600: n, vuonna 1981 valmistetun nopean reaktorin (Belojarsk 3), on todettu olevan taloudellisesti verrattavissa venäläiseen VVER-teknologiaan, jos sitä voidaan skaalata. Adamovin mukaan Venäjä haluaa nyt todistaa, että kehitteillä oleva BN-1200—joka eroaa merkittävästi aiemmista BN—malleista-voi kilpailla ”parhaiden ydinvoimaloiden kanssa lämpöneutroneilla.”Vertailu nopeiden reaktoreiden ja kombikaasuturbiinien (CCGT) tasoitettujen energiakustannusten välillä Venäjän olosuhteissa on tuottanut keskeisiä oivalluksia, hän totesi. Yksi on se, että avoimella polttoainekiertolla varustetuilla lämpöreaktoreilla varustetut ydinvoimalat ”eivät voi taata tehokasta kilpailukehitystä.”Jos BN-1200: n laitoksille asetetut suorituskykyvaatimukset saavutetaan, nopeat reaktorit voisivat kuitenkin helposti kilpailla CCGT: tä ja jopa uusiutuvia lähteitä vastaan, hän sanoi.
Intia, joka on ottamassa käyttöön paljon viivästynyttä 500 MW: n pikakäyttöreaktorin prototyyppiä (pfbr) Kalpakkamissa Tamil Nadussa, on samaan aikaan tunnustanut, että jälleenkäsittelylaitosten kustannukset ovat tärkeitä nopeiden reaktoreiden tulevaisuuden kannalta. ”Intian arviointi osoittaa, että on järkevää sijoittaa jälleenkäsittelyyn ja uudelleensuunnitteluun tarkoitettu nopean reaktorin polttoainekiertolaitos samaan paikkaan kuin reaktori ja se olisi suunniteltava useille reaktoreille”, Chetal sanoi. ”Tämän vuoksi PFBR: n paikalle on rakenteilla nopean reaktoripolttoainekierron laitos, joka käsittelee ja uudelleenmuotoilee pfbr: n ja kahden muun 600 MW: n MOX-reaktorin polttoaine-elementit.”
muut hidastavat nopeat reaktorit
myös ensimmäiset pikareaktorit kohtaavat hankalan haasteen saada ajoissa lupa. Kuten useat IAEA: n konferenssissa puhuneet totesivat, vain harvat asiantuntijat sääntely-ympäristöissä ovat hyvin perehtyneitä nopeisiin reaktorihaasteisiin. Teknisen asiantuntemuksen puute, jota tarvitaan nopeiden reaktorilaitosten komponenttien valmistukseen sekä niiden rakentamiseen, käyttöön, käyttöön, ylläpitoon ja käytöstäpoistoon, on yhtä kriittistä.
myös kehitteillä olevien järjestelmien laajaan valikoimaan liittyvien turvallisuuskysymysten käsittely on ratkaisevan tärkeää. Tälläkin rintamalla on kuitenkin tehty paljon tutkimusta, joka liittyy erityisesti SFR-sääntöihin. Esimerkiksi Japanissa tutkijat tutkivat riskejä arviointimenetelmän avulla. Kiina on laatinut SFR-parametreihin perustuvan turvakoodin nimellisolosuhteille hajoamislämmön ja natriumbetonin vuorovaikutusten osalta. Ranskan yhteistyössä Japanin kanssa kehittämässä SFR-projektissa ASTRID on laatinut turvallisuussuunnitteluoppaan, jossa on perusperiaatteet. Venäjän turvallisuusarviointi BN-1200, sillä välin, tunnistettu kolme tyyppiä yli-suunnittelu onnettomuudet: tehon menetys (jossa pumput ensi – ja toisiopiirit pysähtyvät ja ei ole vesihuollon syötteen); reaktiivisuuden käyttöönotto kahden säätösauvan vetämisellä ja polttoainekokoonpanon tukkeutumisonnettomuus).
kaikki nämä ponnistelut perustuvat yhä monimutkaisempaan kansainväliseen yhteistyöverkostoon, jolla edistetään tutkimusta ja kehitystä sekä teknistä asiantuntemusta koskevan tiedon jakamista. IAEA koordinoi GIF: n ohella vuonna 2000 käynnistettyä kansainvälistä innovatiivisten ydinreaktorien ja Polttoainekiertojen hanketta. Samaan aikaan Euroopassa kehitetään Astridia Ranskassa, Alfredia, LFR: ää Romaniassa ja mirhaa, joka on johtava vismutin säteilytyshanke Belgiassa. ■
—Sonal Patel on POWER-liitännäiseditori.
