snelle neutronenreactorsystemen kunnen 60 keer meer energie uit uranium halen dan bestaande thermische reactoren en dragen bij tot een aanzienlijke vermindering van de belasting van radioactief afval. In veel landen die de reactoren en de daarmee verband houdende technologieën voor de splijtstofcyclus actief ontwikkelen, is de laatste tijd grote vooruitgang geboekt.
het was een vloeistofmetaalgekoelde snelle neutronenreactor die–met de flits van vier gloeilampen-de mogelijkheid verlichtte dat onze wereld zou kunnen worden aangedreven door kernenergie. Maar hoewel dat baanbrekende moment op Dec. 20, 1951, in Argonne National Laboratory ‘ s experimentele kweekreactor I (EBR I)in Idaho, ontelbare doorbraken die exponentieel uitgebreid het rijk van kernenergie technologie, snelle-neutronenreactoren zijn commercieel ongrijpbaar gebleven.
1. Experimentele kweekreactor I (EBR I) luidde een nieuw tijdperk in toen het de eerste reactor werd die bruikbare hoeveelheden elektriciteit uit kernenergie opwekte. Het bereikte deze prestatie op Dec. 20, 1951, door vier gloeilampen aan te steken. De volgende dag werd de productie van EBR I opgevoerd en vanaf dat moment tot de ontmanteling in 1964 genereerde EBR I vaak alle elektriciteit die nodig was om het gebouw van stroom te voorzien. Bron: Argonne National Laboratory
in de decennia die volgden op de doorbraak van Argonne (figuur 1) werd het concept dat een kernreactor meer brandstof kon “produceren” dan hij verbruikt snel een belangrijk onderwerp van nationaal onderzoek dat werd overgenomen door een handvol andere landen, waaronder de Sovjet-Unie, het Verenigd Koninkrijk, Frankrijk, Duitsland, Japan en India. Tot op heden zijn er nog maar ongeveer twintig snelle reactoren in bedrijf geweest, sommige sinds de jaren vijftig, en slechts één heeft in bedrijf gewerkt in een commerciële capaciteit—het Franse commerciële prototype Superfenix van 1.250 MWe, dat liep van 1985 tot 1998, toen het om politieke redenen werd gesloten.
sinds kort lijkt de belangstelling voor snelle reactortechnologie echter opnieuw te zijn gewekt door de technische vooruitgang en de groeiende operationele ervaring. Aan het einde van 2016 zette Rusland de BN-800 online op zijn kerncentrale Beloyarsk (een winnaar van de POWER Top Plant in November 2016), een project dat algemeen wordt beschouwd als de “meest krachtige fast-kweekreactor in de wereld.”Ten minste 16 andere snelle reactor projecten zijn inching dichter bij de implementatie onder leiding van de VS, Frankrijk, België, Roemenië, Rusland, China, Zuid-Korea, India en Japan. Twee van deze projecten—de Russische BN-1200 en de Chinese CDFBR-1200—kunnen commerciële projecten zijn wanneer ze tegen 2030 online komen.
ondertussen worstelt de wereld vandaag met meer dringende zorgen over kernafval dan ooit tevoren; na jaren van politiek geweld is er weinig vooruitgang geboekt op het gebied van opslag en verwijdering van verbruikte splijtstof. Argonne voorspelt: “hoewel er op dit moment maar heel weinig actief zijn, zullen ze uiteindelijk van vitaal belang blijken om de energievoorziening van uranium en thorium in de wereld uit te breiden tot tienduizenden jaren en om de langlevende radiotoxiciteit uit gebruikte nucleaire brandstof te verwijderen.”
Snelle Reactoren: Een ander ras
zoals Argonne uitlegt, wanneer een atoom in een kernreactor “fissies”—of splitst in verschillende kleinere fragmenten—neutronen vrijkomen bij hoge energie (hoge snelheden). In thermische reactoren, die het grootste deel van ‘ s werelds kernenergiepark uitmaken, worden de splijtingsneutronen vertraagd tot lage (thermische) energieën door botsingen met lichte atomen in de reactor—waterstof in het water in watergekoelde reactoren, deuterium in zwaar water in zwaar watergekoelde reactoren, of koolstof in het grafiet in gasgekoelde reactoren. De meeste neutronen in deze reactoren vertragen tot lage snelheden voordat ze de kans hebben om vervolgens fissies te veroorzaken door te botsen met splijtbare kernen—gewoonlijk uranium 235 (u-235).
” In een snelle reactor worden de splijtingsneutronen echter niet vertraagd en veroorzaken ze in plaats daarvan fissions door botsingen met splijtbare kernen bij hoge energie, ” aldus het lab. “Dit is belangrijk omdat er meer neutronen vrijkomen door fissies veroorzaakt door hoge-energetische neutronen dan door fissies veroorzaakt door thermische neutronen.”Hoewel elke splijtingsreactie in een reactor een splijtbaar atoom vernietigt, kunnen splijtbare atomen ook worden gecreëerd wanneer een neutron wordt gevangen in een reactie met een vruchtbaar atoom, meestal U-238.”
in wezen legt het laboratorium uit dat in een snelle kweekreactor extra U-238 wordt toegevoegd, zodat er meer splijtbare atomen ontstaan dan door splijting worden vernietigd. “Dit betekent dat in wezen al het oorspronkelijke uraniumerts (dat 99,3% u-238 en 0,7% u-235 is) kan worden gebruikt als reactorbrandstof in een snelle kweekreactor. Daarentegen wordt slechts ongeveer 1% van het oorspronkelijke uranium in een thermische reactor verbruikt.”Het effect, merkte het op, is dat een snelle reactor de uraniumvoorraden van de wereld met een factor van ongeveer 60 zou kunnen uitbreiden.
een tweede, belangrijker voordeel is dat snelle reactoren door splijting de materialen (plutonium, americium, curium, enz.) kunnen vernietigen.) dat maakt gebruikt nucleaire brandstof radioactief voor langer dan honderden jaren,” Argonne zei. “Deze elementen kernsplijting vrij goed wanneer ze botsen met snelle neutronen, terwijl ze kernsplijting veel minder of helemaal niet wanneer ze botsen met thermische neutronen. Deze materialen werken dus als brandstof in snelle reactoren, in plaats van als afvalproducten, zoals in thermische reactoren. Dit kenmerk van de snelle reactoren maakt het probleem van de verwijdering van gebruikte splijtstof veel eenvoudiger door het gebruik van de langstlevende delen van het afval als energiebron.”
het brede scala aan technologieën in ontwikkeling
volgens de Internationale Organisatie voor Atoomenergie (IAEA) wordt de potentiële impuls die snelle reactorsystemen die in een volledig gesloten cyclus werken, bieden aan de efficiëntie van splijtstof en afvalbeheer—en de implicaties daarvan voor duurzaamheid—algemeen erkend, en wordt in veel landen de actieve ontwikkeling voortgezet op het gebied van reactor -, koelmiddel -, brandstof-en brandstofcyclustechnologieën. Op een conferentie van juni 2017 die het agentschap organiseerde voor ‘ s werelds snelle reactor en gerelateerde brandstofcyclus gemeenschap in Rusland (waarvan de procedure in December vorig jaar werd vrijgegeven), werd gemeld dat een breed scala aan demonstratieprojecten, variërend van klein tot grootschalig, in studie, ontwerp en bouw.Zoals Subhash Chandra Chetal, een voormalig hoofd van Indira Gandhi Centre for Atomic Research In India, de aanwezigen in zijn openingstoespraak vertelde, is de verscheidenheid aan onderzoek duizelingwekkend. “De gemeenschap van snelle reactoren is zich er terdege van bewust dat er geen perfect koelmiddel is voor snelle reactoren en de keuze wordt van tijd tot tijd zowel binnen de afzonderlijke landen als in internationale fora besproken.”Het Generation IV International Forum (GIF), een vereniging die in 2000 is opgericht om kernenergie te bevorderen tot de vierde generatie, heeft vandaag 14 lidstaten en heeft bijna 100 bestaande concepten gedestilleerd in vier snel-neutronenspectrumcategorieën die het zegt te bieden “de meest belofte.”
2. Centraal in het Russische”Proryv” —of “Doorbraak” -programma was de bouw van een BN-800 snelle reactor ontworpen door Rosatom ‘ s nucleaire engineering arm OKBM Afrikantov, die uiteindelijk begon als de vierde eenheid op Beloyarsk in 2006. De eenheid begon in December 2016 te functioneren. Hoffelijkheid: Rosatom
Natriumgekoelde snelle Reactor (SFR) met een gesloten splijtstofcyclus. De meest volwassen van alle concepten, 20 SFR prototypes of demonstraties zijn gebouwd over de hele wereld, die hebben gezorgd voor meer dan 400 reactor-jaren van exploitatie. Voorbeelden zijn BN-800 op Beloyarsk 4 (Figuur 2) in Rusland, India ’s FBTR, Frankrijk’ s SuperPhenix, en de EBR I en II in de VS een aantal particuliere bedrijven, zoals GE Hitachi en TerraPower, hebben ook interesse getoond in SFR.
” uit de snelle reactoren die in bedrijf zijn, is zeer waardevolle bedrijfservaring opgedaan als terugkoppeling voor het toekomstige ontwerp, zowel wat betreft het behoud als de teruggooi voor toekomstige ontwerpen in termen van materialen, ontwerpopties en natriumtechnologie, ” merkte Chetal op. Recente testen van gemengde oxide metaal en carbide brandstof hebben “uitstekende resultaten,” en brandstofverbranding is systematisch verhoogd met verbetering van de kern structurele materialen. Ondertussen, ” de oorzaken van natriumlekken in verschillende reactoren als gevolg van ontwerp ontoereikendheid in de details van het ontwerp, fabricagedeficiëntie, materialen van de bouw en thermische striping zijn vrij goed begrepen en worden opgenomen in toekomstige ontwerpen.”Echter,” een ernstige bezorgdheid is nog steeds voelbaar in sommige landen met betrekking tot natriumlekken, en dubbelwandige leidingen in secundaire circuits is geselecteerd om natriumbrand te voorkomen door een paar ontwerpers,” zei hij.
Loodgekoelde snelle Reactor (LFR) met een gesloten splijtstofcyclus. LFR ’s worden gekoeld door gesmolten lood (of op lood gebaseerde legeringen), wat geen snelle reacties met water en lucht geeft zoals bij SFR’ s. LFRs werken bij hoge temperatuur en bij bijna Atmosferische druk, omstandigheden mogelijk vanwege het zeer hoge kookpunt van het koelmiddel (tot 1743C) en de lage dampdruk. Het koelmiddel is zuiver lood of een legering van lood, meestal het eutectische mengsel van lood en bismut, ook bekend als LBE. Voorbeelden hiervan zijn de Europese grote energiereactor van 600 MW en de Russische BREST-300, en een microreactor, SSTAR, die een zeer lange levensduur van de kern heeft. Particuliere bedrijven als Westinghouse, Hydromine of LeadCold hebben ook basis LFR-ontwerpen ontwikkeld.
gasgekoelde snelle Reactor (GFR) met een gesloten splijtstofcyclus. GFR ‘s, die met helium worden gekoeld, worden voorgesteld als alternatief voor SFR’ s op langere termijn. GIF benadrukte de verschillende aantrekkelijke kenmerken van het innovatieve nucleaire systeem. Het maakt gebruik van “een eenfasige koelvloeistof die chemisch inert is, die niet dissocieert of geactiveerd wordt, is transparant en terwijl de koelvloeistof leegte coëfficiënt is nog steeds positief, het is klein en gedomineerd door Doppler feedback,” zei het. Ondertussen heeft de reactorkern een relatief hoge vermogensdichtheid, en biedt verbeterde inspectie en vereenvoudigde koelmiddelbehandeling. De hoge kern uitlaattemperaturen zijn boven 750F, maar dat “legt zware eisen aan het vermogen van de brandstof om continu te werken met de hoge vermogensdichtheid die nodig is voor een goede neutroneneconomie in een snelle reactorkern,” zei hij, een nadeel dat robuuste brandstof en structurele behoeften zal vereisen. Onder private GFR systemen is General Atomics ‘ EM 2 project. Volgens GIF bevindt het GFR-concept zich nog steeds in de haalbaarheidsfase en komen veel van deze ondernemingen pas in de prestatiefase voor 2022.
gesmolten Zoutreactor (MSR) met thermische en snelle Neutronenconcepten met een gesloten splijtstofcyclus. Een concept ontwikkeld in de jaren 1950, het concept gebruikt gesmolten zout zowel als brandstof en koelmiddel, en grafiet als moderator. Volgens GIF hebben deze typen reactoren met vloeibare brandstof belangrijke voordelen ten opzichte van systemen met vaste brandstof. Deze omvatten: “de mogelijkheid om de samenstelling van de splijtstof (vruchtbaar/splijtbaar) aan te passen en de splijtstof op te werken zonder de reactor te sluiten; de mogelijkheid om de moeilijkheden van de fabricage/herfabricage van vaste splijtstof met grote hoeveelheden transuranische elementen (Tru’ s)te overwinnen.; de mogelijkheden voor een betere benutting van de hulpbronnen door het bereiken van hoge brandstofverbrandingen (waarbij Tru ‘ s in de vloeibare brandstof blijven om splijting of transmutatie tot een splijtbaar element te ondergaan).”Fast spectrum MSRs bieden het beste van de snelle reactor en gesmolten zout technologieën, met inbegrip van uitgebreide resource gebruik en afval minimalisatie, evenals lage druk, hoge kooktemperatuur, en optische transparantie, zei het.
voorbeelden zijn de 1400 MWe MSFR die door Frankrijk is ontwikkeld in het kader van het SMOFAR-project, dat een thorium-splijtstofcyclus heeft, en het MosArt-project van 1000 MWe in Rusland. China onderzoekt ook een fluoride zoutgekoelde hoge-temperatuur reactor, en een thorium gesmolten fluoride zout-thermische reactor. De particuliere sector heeft inmiddels wereldwijd verschillende projecten gelanceerd. Onder bedrijven van belang zijn TerraPower, Thorcon, Terrestrial Energy, Flibe Energy, Transatomic Power, Elysium Industries, Alpha Tech Research Corp., en Kairos Power.
GIF merkte echter ook op dat de uitdagingen op het gebied van onderzoek en ontwikkeling talrijk zijn. “Voor vloeibare brandstof optie met een gesloten splijtstofcyclus, dat ze te maken hebben met het zout eigenschappen (fysisch, chemisch en thermodynamische eigenschappen) en de oplosbaarheid van actiniden en splijtingsproducten in de zout; ontwerp van het systeem en de veiligheid van de analyse (inclusief de ontwikkeling van geavanceerde neutronic en met thermo-hydraulische koppeling modellen); de ontwikkeling van geavanceerde materialen (met inbegrip van studies op hun verenigbaarheid met de gesmolten zouten en gedrag onder hoge neutronen-fluxen bij hoge temperatuur); corrosie en tritium release preventie op basis van de juiste gesmolten zout Redox controle; ontwikkeling van efficiënte technieken voor de extractie van gasvormige splijtingsproducten uit het brandstoftoevoer door heliumborrel; het stroomschema voor de verwerking van brandstoftoevoer (met inbegrip van reductieve extractietests voor de scheiding van actinide/lanthanide); en ontwikkeling van een veiligheidsbeveiligingsbenadering (en proliferatiebestendigheid) voor reactoren met vloeibare brandstof.”Het concept bevindt zich nog in een haalbaarheidsfase of haalbaarheidsfase, en de prestatiefase kan pas beginnen in 2025, merkte het op.
The Quest for Better Economics
hoewel de werkzaamheden over het algemeen optimistisch waren over de toekomst van snelle reactoren, erkenden verscheidene sprekers uitdagingen die de vooruitgang van snelle reactoren zouden kunnen belemmeren. De IAEA zei, bijvoorbeeld, ” om het volledige potentieel van snelle neutronenreactoren te bereiken, het bereiken van een echte doorbraak in het gebruik van kernenergie, het onderzoek en de technologische ontwikkelingen zal moeten aantonen dat de naleving van moderne criteria van economisch concurrentievermogen, strenge veiligheids-en beveiligingseisen, duurzame ontwikkeling, proliferatie weerstand en publieke acceptatie.”
volgens Chetal wordt het streven naar een betere economie belemmerd door een gebrek aan informatie omdat tot nu toe alleen SFRs zijn gebouwd voor demonstratie-en commerciële doeleinden. “De technologische levensvatbaarheid van SFRs is goed aangetoond in experimentele en demonstratie-reactoren. Het economisch concurrentievermogen van SFR is echter nog niet bewezen,” merkte hij op. “De waargenomen hogere kosten van SFRs vergeleken met heeft de groei ervan belemmerd. De economische vergelijking van SFR versus LWR heeft sterke banden met de kosten van uranium, die momenteel zet druk op SFRs om te zoeken naar manieren en middelen om te verbeteren op de kapitaalkosten, bouwtijd, en de factor capaciteit,” zei hij.Er kunnen al aanzienlijke verbeteringen zijn aangebracht voor sommige Russische snelle reactorprojecten, stelde E. O. Adamov voor, een deskundige van Rosatom ‘ s Proryv-project. Het federale project is sinds 2012 gericht op het creëren van een technologische basis voor grootschalige snelle reactor gebruik met behulp van de kennis die is opgedaan bij de exploitatie van de BN-800 in Beloyarsk 4. Tot op heden is gebleken dat de BN-600, een in 1981 gebouwde snelle reactor (Beloyarsk 3), economisch vergelijkbaar is met de Russische VVER-technologie, als deze kan worden opgeschaald. Adamov zei dat Rusland nu op zoek is om te bewijzen dat de BN-1200 die in ontwikkeling is—en aanzienlijk verschilt van de vorige BN—modellen-kan concurreren met “de beste kerncentrales op thermische neutronen.”Een vergelijking tussen de genivelleerde kosten van energie voor snelle reactoren en gecombineerde cyclus gasturbine (CCGT) energiecentrales onder Russische omstandigheden hebben opgeleverd belangrijke inzichten, merkte hij op. Een daarvan is dat kerncentrales met thermische reactoren met een open splijtstofcyclus “de verdere efficiënte concurrentieontwikkeling niet kunnen garanderen.”Als de vastgestelde prestatie-eisen voor BN-1200 faciliteiten worden bereikt, echter, snelle reactoren kunnen gemakkelijk concurreren dan Stegts, en zelfs hernieuwbare bronnen, zei hij.India, dat momenteel bezig is met de inbedrijfstelling van een prototype snelle kweekreactor van 500 MW te Kalpakkam in Tamil Nadu, heeft inmiddels erkend dat de kosten van opwerkingsfabrieken belangrijk zullen zijn voor de toekomst van snelle reactoren. De “Indiase beoordeling blijkt dat het verstandig is om co-lokaliseren van de fast reactor splijtstofcyclus faciliteit voor opwerking en herfabricatie op dezelfde locatie als de reactor en moet worden ontworpen voor meerdere reactoren,” Chetal zei. “In het licht hiervan wordt op het terrein van PFBR een faciliteit voor de splijtstofkringloop van een snelle reactor gebouwd om de splijtstofelementen voor PFBR en twee MOX-reactoren van elk 600 MW opnieuw te verwerken en te herfabriceren.”
andere belemmeringen die snelle reactoren vertragen
eerste-van-hun-soort snelle reactoren staan ook voor de lastige uitdaging om tijdig vergunningen te verkrijgen. Zoals verscheidene sprekers op de IAEA-conferentie hebben opgemerkt, zijn weinig deskundigen op regelgevingsgebied goed op de hoogte van de uitdagingen voor snelle reactoren. Een gebrek aan technische deskundigheid die nodig is voor de vervaardiging van componenten voor snelle reactorfaciliteiten en voor de bouw, inbedrijfstelling, exploitatie, onderhoud en ontmanteling ervan is even belangrijk.
het aanpakken van veiligheidskwesties met betrekking tot het brede scala van systemen in ontwikkeling is ook van cruciaal belang. Maar ook op dit gebied is veel onderzoek gaande, met name met betrekking tot SFRs. In Japan bestuderen onderzoekers bijvoorbeeld risico ‘ s door middel van beoordelingsmethodologie. China heeft een veiligheidscode opgesteld voor nominale omstandigheden op basis van SFR-parameters voor vervalwarmte en natriumbetoninteracties. ASTRID, een demonstratieproject van de SFR dat Frankrijk in samenwerking met Japan ontwikkelt, heeft een veiligheidsontwerpgids met basisprincipes opgeleverd. Rusland ‘ s veiligheidsbeoordeling van de BN-1200, ondertussen, geïdentificeerd drie soorten van buiten-ontwerp ongevallen: het verlies van vermogen (waar pompen in de primaire en secundaire circuits stoppen en er is geen watertoevoer); de invoering van reactiviteit door het terugtrekken van twee regelstaven; en een ongeval met een blokkering van de brandstofassemblage).
overkoepelend al deze inspanningen is een steeds complexer netwerk van internationale samenwerking om de uitwisseling van informatie over onderzoek en ontwikkeling en technische expertise te bevorderen. Samen met GIF coördineert de IAEA het in 2000 opgerichte internationale Project over innovatieve kernreactoren en Brandstofcycli. Ondertussen ontwikkelt het European Sustainable Nuclear Industrial Initiative ASTRID in Frankrijk, ALFRED, een LFR in Roemenië, en MYRRHA, een toonaangevend bismut bestralingsproject in België. ■
—Sonal Patel is een hoofdredacteur.
