Raske nøytronreaktorsystemer har potensial til å trekke ut 60 ganger mer energi fra uran sammenlignet med eksisterende termiske reaktorer, og de bidrar til en betydelig reduksjon i byrden av radioaktivt avfall. Store fremskritt har blitt gjort i det siste i mange land som aktivt utvikler reaktorene og tilhørende drivstoffsyklusteknologier.
Det var en flytende metallkjølt hurtignutronreaktor som opplyste—med blitsen av fire lyspærer-muligheten for at vår verden kunne bli drevet av kjernekraft. Men selv om det banebrytende øyeblikk På Desember. 20, 1951, Ved Argonne National Laboratory ‘ S Experimental Breeder Reactor I (EBR I) I Idaho, oppsto utallige gjennombrudd som eksponentielt utvidet riket av kjernekraftteknologi, har hurtignutronreaktorer forblitt kommersielt unnvikende.
1. Eksperimentell Oppdretterreaktor I (EBR I) innledet en ny epoke da den ble den første reaktoren for å generere brukbare mengder elektrisitet fra kjernekraft. Det oppnådd denne bragden På Desember. 20, 1951, ved å tenne fire lyspærer. Neste dag ble EBR I-produksjonen økt, og FRA det tidspunktet til nedleggelsen i 1964 genererte EBR i ofte all strøm som trengs for å drive bygningen. Kilde: Argonne National Laboratory
i tiårene som fulgte Argonne-gjennombruddet (Figur 1), ble konseptet om at en atomreaktor kunne «avle» mer drivstoff enn det forbrukes raskt et hovedfag for nasjonal forskning vedtatt av en håndfull andre land, inkludert Sovjetunionen, STORBRITANNIA, Frankrike, Tyskland, Japan og India. Hittil har Bare rundt 20 raske reaktorer operert, noen siden 1950—tallet, og bare en har operert i kommersiell kapasitet-Frankrikes 1,250-MWe kommersielle prototype Superphenix, Som løp fra 1985 til 1998, da Den ble stengt av politiske grunner.
Mer nylig, men på grunn av tekniske fremskritt og økende operasjonell erfaring, interesse for rask reaktorteknologi ser ut til å ha blitt vekket igjen. På slutten AV 2016 satte Russland BN-800 på Sitt Beloyarsk kjernekraftverk (EN POWER Top Plant-vinner i November 2016), et prosjekt som allment anses som den «kraftigste fast-breeder reaktoren i verden.»Minst 16 andre raske reaktorprosjekter nærmer seg utplassering ledet av USA, Frankrike, Belgia, Romania, Russland, Kina, Sør-Korea, India og Japan. To av disse prosjektene—Russlands BN-1200 og Kinas CDFBR-1200-kan være kommersielle prosjekter når de kommer på nettet innen 2030.
I Mellomtiden, i dag verden er grappling med bekymringer om kjernefysisk avfall med mer haster som noen gang før; etter år med politisk haranguing, lite fremgang har blitt gjort i lagring og avhending av brukt brensel. Argonne spår: «Selv om det for tiden er svært få som opererer, vil de til slutt vise seg å være avgjørende for å utvide verdens uran-og thorium-energiforsyning til titusenvis av år og å fjerne den langlivede radiotoksisiteten fra brukt atombrensel.»
Raske Reaktorer: En Annen Rase
Som Argonne forklarer det, når et atom i en atomreaktor «fisjoner»—eller deler seg i flere mindre fragmenter—nøytroner frigjøres ved høy energi (raske hastigheter). I termiske reaktorer, som utgjør størstedelen av verdens kjernekraftflåte, reduseres fisjonsnutronene til lave (termiske) energier ved kollisjoner med lysatomer i reaktoren—hydrogen i vannet i vannkjølte reaktorer, deuterium i tungt vann i tungvannskjølte reaktorer, eller karbon i grafitt i gasskjølte reaktorer. De fleste nøytronene i disse reaktorene reduseres til lave hastigheter før de har en sjanse til å forårsake etterfølgende fisjoner ved å kollidere med fissile kjerner-som vanligvis er uran-235 (U-235).
» i en rask reaktor blir fisjonsnutronene imidlertid ikke bremset og i stedet forårsake fisjoner ved å kollidere med fissile kjerner ved høy energi, » sa laboratoriet. «Dette er viktig fordi flere nøytroner frigjøres fra fisjoner forårsaket av høy-energi nøytroner enn fra fisjoner forårsaket av termiske nøytroner.»Selv om hver fisjonsreaksjon i en reaktor ødelegger et spaltbart atom, kan spaltbare atomer også opprettes når et nøytron fanges i en reaksjon med et fruktbart atom, vanligvis U-238.»
i Hovedsak forklarer laboratoriet, i en rask oppdretterreaktor, blir ekstra U-238 tilsatt slik at flere spaltbare atomer blir opprettet enn ødelagt av fisjon. «Dette betyr at i hovedsak alle de opprinnelige uranmalm (som er 99,3% U-238 og 0,7% U-235) kan brukes som reaktorbrensel i en rask oppdretter reaktor. I motsetning til dette forbrukes bare omtrent 1% av det opprinnelige uranet i en termisk reaktor.»Effekten, det bemerket, er at en rask reaktor kan utvide verdens uran ressurser med en faktor på ca 60.
en annen, mer betydelig fordel, er at raske reaktorer » kan ødelegge, ved fisjon, materialene (plutonium, americium, curium, etc.) som gjør brukt atombrensel radioaktivt i mer enn hundrevis av år, » Sa Argonne. «Disse elementene fisjon ganske bra når de kolliderer med raske nøytroner, mens de fisjon langt mindre eller ikke i det hele tatt når de kolliderer med termiske nøytroner. Dermed fungerer disse materialene som drivstoff i raske reaktorer, i stedet for å fungere som avfallsprodukter, som de gjør i termiske reaktorer. Denne funksjonen av raske reaktorer gjør det brukte drivstoff avhending problemet langt enklere ved å bruke de lengste halveringstid deler av avfallet som en energiressurs.»
Det Brede Spekteret Av Teknologier Under Utvikling
Ifølge Det Internasjonale Atomenergibyrået (Iaea), er det potensielle løftet som raske reaktorsystemer som opererer i en helt lukket syklus, tilbud om kjernebrenseleffektivitet og avfallshåndtering—og deres implikasjoner for bærekraft—anerkjent, og aktiv utvikling fortsetter i mange land på reaktor, kjølevæske, drivstoff og drivstoffsyklusteknologier. På en konferanse i juni 2017 som byrået var vert for verdens raske reaktor og relaterte drivstoffsyklusfellesskap I Russland( som ble utgitt i desember i fjor), ble det rapportert et stort utvalg demonstrasjonsprosjekter, alt fra små til store, å være under studie, design og konstruksjon.
Som Subhash Chandra Chetal, en tidligere leder Av Indias Indira Gandhi Center For Atomic Research, fortalte deltakerne i sin åpningstale, er mangfoldet av forskning svimlende. «Det raske reaktorsamfunnet er godt klar over at det ikke er noe perfekt kjølevæske for raske reaktorer, og valget blir diskutert fra tid til annen både i de enkelte landene og i internasjonale fora.»Generation IV International Forum (GIF), en forening grunnlagt i 2000 for å fremme kjernekraft i sin fjerde generasjon, har i dag 14 medlemsland og har destillert nesten 100 eksisterende konsepter i fire hurtignutronspektrumkategorier som det står tilbyr «det mest løfte.»
2. Pivotal Til Russlands «PRORYV»—eller «Gjennombrudd» – program var bygging AV EN BN-800 rask reaktor designet Av Rosatoms nuclear engineering arm OKBM Afrikantov, som til slutt sparket av som den fjerde enheten I Beloyarsk I 2006. Enheten begynte å fungere i desember 2016. Courtesy: Rosatom
Natriumkjølt Hurtigreaktor (SFR) Med Lukket Drivstoffsyklus. Den mest modne av alle konsepter, 20 SFR prototyper eller demonstrasjoner har blitt bygget over hele verden, som har gitt mer enn 400 reaktor-års drift. Eksempler inkluderer BN-800 I Beloyarsk 4 (Figur 2) I Russland, Indias FBTR, Frankrikes SuperPhenix og EBR i og II I USA EN rekke private selskaper, som GE Hitachi og TerraPower, har også vist interesse FOR SFR.
«Svært verdifull driftserfaring har blitt akkumulert fra drifts raske reaktorer som en tilbakemelding for fremtidig design i form av både verdt å beholde og forkaste for fremtidige design i form av materialer, designmuligheter og natrium teknologi,» Chetal bemerket. Nylig testing av blandet oksid metall og karbid drivstoff har vist «gode resultater», og drivstoff burnup har blitt økt systematisk med forbedring i kjernen strukturelle materialer. I mellomtiden, » årsakene til natriumlekkasjer i forskjellige reaktorer på grunn av designmangel i detaljering av design, produksjonsfeil, konstruksjonsmaterialer og termisk striping er ganske godt forstått og blir innlemmet i fremtidige design.»Men» en alvorlig bekymring er fortsatt følt i noen land om natriumlekkasjer, og dobbeltveggsrør i sekundære kretser er valgt for å unngå natriumbrann av noen få designere,» sa han.
Blykjølt Hurtigreaktor (LFR) med En Lukket Brenselsyklus. LFRs kjøles av smeltet bly (eller blybaserte legeringer), som ikke gir raske reaksjoner med vann og luft som Med SFRs. LFRs opererer ved høy temperatur og ved nær atmosfærisk trykk, forhold aktivert på grunn av kjølevæskens meget høye kokepunkt (opp TIL 1743C) og dets lave damptrykk. Kjølevæsken er enten ren bly eller en legering av bly, oftest den eutektiske blandingen av bly og vismut, også kjent som LBE. Eksempler er Den Europeiske storkraftreaktoren På 600 MW, Og Russlands BREST-300, og en mikroreaktor, SSTAR, som har en veldig lang kjernelevetid. Private selskaper Som Westinghouse, Hydromine, Eller LeadCold, har også utviklet grunnleggende LFR design.
Gasskjølt Hurtigreaktor (GFR) med Lukket Drivstoffsyklus. GFRs, som avkjøles av helium, foreslås som et langsiktig alternativ Til SFRs. GIF fremhevet det innovative kjernefysiske systemets flere attraktive funksjoner. Den bruker «et enfaset kjølevæske som er kjemisk inert, som ikke dissocierer eller blir aktivert, er gjennomsiktig, og mens kjølevæskens voidkoeffisient fortsatt er positiv, er den liten og dominert Av Doppler-tilbakemelding,» sa det. I mellomtiden har reaktorkjernen en relativt høy effekttetthet, og tilbyr forbedret inspeksjon og forenklet kjølevæskehåndtering. Dens høye kjerneutløpstemperaturer er over 750F, men det «stiller tunge krav til drivstoffets evne til å operere kontinuerlig med den høye effekttettheten som er nødvendig for god nøytronøkonomi i en rask reaktorkjerne,» sa det, en ulempe som vil kreve robust drivstoff og strukturelle behov. Blant private gfr-systemer er General Atomics’ EM 2-prosjektet. LIKEVEL, IFØLGE GIF, ER gfr-konseptet fortsatt i levedyktighetsfasen, og mange går ikke inn i ytelsesfasen før 2022.
Smeltet Saltreaktor (MSR) Med Termiske Og Raske Nøytronkonsepter med Lukket Brenselsyklus. Et konsept utviklet på 1950-tallet, bruker konseptet smeltet salt både som drivstoff og kjølevæske, og grafitt som moderator. IFØLGE GIF har disse typer væskedrevne reaktorer viktige fordeler i forhold til fastdrevne systemer. Disse inkluderer, » muligheten for drivstoff sammensetning (fruktbar/fissil) justering og drivstoff reprosessering uten å slå av reaktoren; muligheten for å overvinne vanskelighetene med fast brensel fabrikasjon / re-fabrikasjon med store mengder transuranic elementer (TRUs); potensialet for bedre ressursutnyttelse ved å oppnå høy drivstoff burnups(Med TRUs igjen i flytende brensel å gjennomgå fisjon eller omdanning til et spaltbart element).»Fast spectrum MSRs tilbyr det beste av rask reaktor og smeltet salt teknologier, inkludert utvidet ressursutnyttelse og avfallsminimering, samt lavt trykk, høy koketemperatur og optisk gjennomsiktighet, sa det.
Eksempler inkluderer 1400 MWe MSFR utviklet Av Frankrike i SMOFAR-prosjektet, som har en thorium drivstoffsyklus, Og Russlands 1000 MWe MOSART-prosjekt. Kina undersøker også en fluor saltkjølt høy temperatur reaktor, og en thorium smeltet fluor salt-termisk reaktor. Den private sektoren har i mellomtiden lansert flere prosjekter over hele verden. Blant selskapene i notatet Er TerraPower, Thorcon, Terrestrial Energy, Flibe Energy, Transatomic Power, Elysium Industries, Alpha Tech Research Corp., Og Kairos Power.
GIF bemerket imidlertid også at forsknings-og utviklingsutfordringer er mange. «For alternativet flytende drivstoff med lukket brenselsyklus har de å gjøre med saltegenskapene (fysiske, kjemiske og termodynamiske egenskaper) og oppløseligheten av aktinider og fisjonsprodukter i saltet; systemdesign og sikkerhetsanalyse (inkludert utvikling av avanserte nøytroniske og termisk-hydrauliske koblingsmodeller); utvikling av avanserte materialer (inkludert studier av deres kompatibilitet med smeltede salter og oppførsel under høye nøytronflusser ved høy temperatur); korrosjon og tritiumfrigjøringsforebygging basert på riktig smeltet salt Redokskontroll; utvikling av effektive teknikker for utvinning av gassformige fisjonsprodukter fra brenselsaltet ved heliumboblingering; brenselsaltbehandlingsflowsheet (inkludert reduktive ekstraksjonstester for aktinid / lantanid separasjon); og utvikling av en sikkerhetstilnærming (og proliferasjonsmotstand) dedikert til væskedrevne reaktorer.»Konseptet er fortsatt i en gjennomførbarhets-eller levedyktighetsfase, og ytelsesfasen kan ikke begynne før 2025, bemerket det.
Jakten På Bedre Økonomi
mens forhandlingene viste generell optimisme om fremtiden for raske reaktorer, flere høyttalere anerkjent utfordringer som kan hemme fremdriften av raske reaktorer. IAEA sa for eksempel «for å oppnå det fulle potensialet for raske nøytronreaktorer, og nå et reelt gjennombrudd i bruken av kjernekraft, må forsknings-og teknologiutviklingen demonstrere oppfyllelsen av moderne kriterier for økonomisk konkurranseevne, strenge sikkerhets-og sikkerhetskrav, bærekraftig utvikling, spredningsmotstand og offentlig aksept.»
Ifølge Chetal hindres søken etter bedre økonomi av mangel på informasjon fordi bare SFRs hittil er bygget for demonstrasjon og kommersielle formål. «Teknologien levedyktighet Av SFRs har blitt godt demonstrert i eksperimentelle og demonstrasjonsreaktorer. DEN ØKONOMISKE konkurranseevnen TIL SFR har imidlertid ikke blitt godt bevist ennå, » bemerket han. «Den oppfattede høyere kostnaden For SFRs sammenlignet med har hindret veksten. Den økonomiske sammenligningen AV SFR versus LWR har sterke sammenhenger med kostnaden for uran, som for tiden legger press På SFRs for å lete etter måter og midler for å forbedre kapitalkostnaden, byggetiden og kapasitetsfaktoren,» sa han.
Betydelige forbedringer kan allerede ha blitt gjort for noen russiske raske reaktorprosjekter, foreslo Eo Adamov, en ekspert med Rosatoms PRORYV-prosjekt. Det føderale prosjektet har siden 2012 søkt å skape en teknologisk base for bredskala rask reaktorbruk ved hjelp av kunnskap fra driften AV BN-800 På Beloyarsk 4. HITTIL HAR bn-600, en 1981-bygget rask reaktor (Beloyarsk 3), vist seg å være økonomisk sammenlignbar med russisk VVER-teknologi, hvis den kan skaleres opp. Adamov sa Russland er nå ute etter å bevise AT BN-1200 som er under utvikling—og skiller seg vesentlig fra tidligere bn modeller-kan konkurrere med » de beste atomkraftverk på termiske nøytroner.»En sammenligning mellom den utjevnede energikostnaden for raske reaktorer og KOMBINERT syklus gassturbin (CCGT) kraftverk under russiske forhold har gitt nøkkelinnsikt, bemerket han. Det ene er at kjernekraftverk med termiske reaktorer med åpen drivstoffsyklus » ikke kan garantere den videre effektive konkurranseutviklingen.»Hvis etablerte ytelseskrav for BN-1200-anlegg oppnås, kan imidlertid raske reaktorer lett konkurrere enn CCGTs, og til og med fornybare kilder, sa han.
India, som er i ferd med å igangsette en mye forsinket 500 MW prototype fast-breeder reaktor (PFBR) På Kalpakkam I Tamil Nadu, har i mellomtiden anerkjent at kostnaden for reprosesseringsanlegg vil være viktig for fremtiden for raske reaktorer. Den «Indiske vurderingen viser at det er forsiktig å lokalisere det raske reaktorbrenselssyklusanlegget for reprosessering og omarbeiding på samme sted som reaktoren, og bør utformes for flere reaktorer,» Sa Chetal. «I lys av dette er et raskt reaktorbrenselsyklusanlegg under bygging på PFBR-stedet for å reprosessere og omarbeide drivstoffelementene TIL PFBR og to MOX-reaktorer på 600 MW hver.»
Andre Hindringer Bremse Raske Reaktorer
Første-av-sitt-slag raske reaktorer også møte tungvint utfordring å skaffe rettidig lisensiering. Som flere høyttalere på IAEA-konferansen bemerket, er få eksperter innen regulatoriske miljøer godt bevandret i raske reaktorutfordringer. Mangel på teknisk kompetanse som trengs for å produsere komponenter for raske reaktoranlegg, samt å bygge, kommisjonere, drive, vedlikeholde og avvikle dem er like kritisk.
Å Ta opp sikkerhetsspørsmål om det brede utvalget av systemer under utvikling er også avgjørende. Men mye forskning har pågått på denne fronten også, spesielt knyttet Til SFRs. I Japan studerer forskere for eksempel risiko gjennom vurderingsmetodikk. Kina har etablert en sikkerhetskode for nominelle forhold basert på SFR parametere for forfall varme og natrium betong interaksjoner. ASTRID, et demonstrasjons SFR-prosjekt Som Frankrike utvikler i samarbeid Med Japan, har gitt en sikkerhetsdesignguide med grunnleggende prinsipper. Russlands sikkerhetsvurdering AV BN-1200 identifiserte i mellomtiden tre typer ulykker utenfor design: tap av kraft (hvor pumper i primær-og sekundærkretsene stopper og det ikke er vannforsyning); innføring av reaktivitet ved uttak av to styrestenger; og en drivstoff montering blokkering ulykke).
Det Overordnede arbeidet er et stadig mer intrikat nettverk av internasjonalt samarbeid for å fremme informasjonsdeling om forskning og utvikling og teknisk kompetanse. SAMMEN med GIF koordinerer IAEA Det 2000-etablerte Internasjonale Prosjektet Om Innovative Atomreaktorer og Drivstoffsykluser. I mellomtiden utvikler European Sustainable Nuclear Industrial Initiative ASTRID I Frankrike, ALFRED, en LFR I Romania, OG MYRRHA, som er et ledende vismut bestrålingsprosjekt i Belgia. ■
—Sonal Patel er EN MAKT knytte redaktør.
