Systemy szybkich reaktorów neutronowych mogą wydobywać 60 razy więcej energii z uranu w porównaniu z istniejącymi reaktorami termicznymi i przyczyniają się do znacznego zmniejszenia obciążenia odpadami promieniotwórczymi. W wielu krajach, które aktywnie rozwijają reaktory i związane z nimi technologie związane z cyklem paliwowym, poczyniono ostatnio znaczne postępy.
był to reaktor szybko–neutronowy chłodzony ciekłym metalem, który oświetlał-za pomocą błysku czterech żarówek—możliwość, że nasz świat może być zasilany energią jądrową. Ale choć ten pionierski moment w grudniu 20 listopada 1951 r.w eksperymentalnym reaktorze hodowca i (EBR i) w Argonne National Laboratory w Idaho dokonał niezliczonych przełomów, które wykładniczo rozszerzyły sferę technologii energii jądrowej, Reaktory szybko-neutronowe pozostały komercyjnie nieuchwytne.
1. Eksperymentalny Reaktor hodowca i (EBR i) zapoczątkował nową erę, kiedy stał się pierwszym reaktorem do generowania użytecznych ilości energii elektrycznej z energii jądrowej. Dokonał tego wyczynu w grudniu. 20.1951 r., zapalając cztery żarówki. Następnego dnia produkcja EBR I została zwiększona i od tego momentu, aż do jej likwidacji w 1964 roku, EBR i często generował całą energię elektryczną potrzebną do zasilania budynku. Źródło: Argonne National Laboratory
w dziesięcioleciach, które nastąpiły po przełomie w Argonie (Rysunek 1), koncepcja, że reaktor jądrowy może „wyhodować” więcej paliwa niż zużywa, szybko stała się głównym przedmiotem krajowych badań przyjętych przez kilka innych krajów, w tym Związek Radziecki, Wielką Brytanię, Francję, Niemcy, Japonię i Indie. Do tej pory działało tylko około 20 szybkich reaktorów, niektóre od lat 50., a tylko jeden działał w charakterze komercyjnym-Francuski prototyp Superphenix o mocy 1250 MWe, który działał w latach 1985-1998, kiedy został zamknięty z powodów politycznych.
ostatnio jednak, ze względu na postęp techniczny i rosnące doświadczenie operacyjne, zainteresowanie technologią szybkiego reaktora wydaje się być ponownie wzbudzone. Pod koniec 2016 r. Rosja udostępniła do sieci BN-800 w swojej elektrowni jądrowej w Biełojarsku (zwycięzca POWER Top Plant w listopadzie 2016 r.), projekt powszechnie uważany za „najpotężniejszy reaktor szybkorozprężalny na świecie.”Co najmniej 16 innych projektów fast reactor zbliża się do wdrożenia, którym przewodzą Stany Zjednoczone, Francja, Belgia, Rumunia, Rosja, Chiny, Korea Południowa, Indie i Japonia. Dwa z tych projektów-Rosyjski BN-1200 i Chiński CDFBR—1200-mogą być projektami komercyjnymi, gdy pojawią się w Internecie do 2030 roku.
tymczasem dziś świat zmaga się z obawami o odpady jądrowe z większą pilnością niż kiedykolwiek wcześniej; po latach politycznych haranguingu, poczyniono niewielkie postępy w składowaniu i unieszkodliwianiu wypalonego paliwa jądrowego. Argonne przewiduje: „chociaż obecnie działa bardzo niewiele, ostatecznie okażą się one niezbędne do przedłużenia światowych dostaw energii uranu i toru do dziesiątek tysięcy lat i usunięcia długowiecznej radiotoksyczności z zużytego paliwa jądrowego.”
Szybkie Reaktory: Inna rasa
jak wyjaśnia Argonne, kiedy atom w reaktorze jądrowym „rozszczepia się”—lub dzieli na kilka mniejszych fragmentów—neutrony są uwalniane z dużą energią (szybkie prędkości). W reaktorach termicznych, które stanowią większość światowej floty energii jądrowej, neutrony rozszczepienia są spowolnione do niskiej energii (termicznej) przez zderzenia z lekkimi atomami w reaktorze—wodór w wodzie w reaktorach chłodzonych wodą, Deuter w ciężkiej wodzie w reaktorach chłodzonych wodą lub węgiel w grafitu w reaktorach chłodzonych gazem. Większość neutronów w tych reaktorach zwalnia do niskich prędkości, zanim będą miały szansę spowodować kolejne rozszczepienia poprzez zderzenie z jądrami rozszczepialnymi-którym jest zwykle uran-235 (U-235).
„jednak w szybkim reaktorze neutrony rozszczepienia nie są spowolnione, a zamiast tego powodują rozszczepienia poprzez zderzenie z jądrami rozszczepialnymi o wysokiej energii” – mówi laboratorium. „Jest to ważne, ponieważ więcej neutronów jest uwalnianych z rozszczepień spowodowanych przez wysokoenergetyczne neutrony niż z rozszczepień spowodowanych przez neutrony termiczne.”Chociaż każda reakcja rozszczepienia w reaktorze niszczy jeden atom rozszczepialny, Atomy rozszczepialne mogą również powstać, gdy neutron zostanie wychwycony w reakcji z płodnym atomem, Zwykle U-238.”
zasadniczo laboratorium wyjaśnia, że w reaktorze fast breeder dodaje się dodatkowy U-238, dzięki czemu powstaje więcej atomów rozszczepialnych niż ulega zniszczeniu w wyniku rozszczepienia. „Oznacza to, że zasadniczo Cała oryginalna Ruda uranu (która stanowi 99,3% U-238 i 0,7% U-235) może być wykorzystana jako paliwo reaktora w reaktorze szybkiej hodowli. W przeciwieństwie do tego, tylko około 1% pierwotnego uranu jest zużywane w reaktorze termicznym.”Efektem, jak zauważył, jest to, że szybki reaktor może zwiększyć światowe zasoby uranu o współczynnik około 60.
drugą, bardziej znaczącą korzyścią jest to, że szybkie Reaktory ” mogą niszczyć, poprzez rozszczepienie, materiały (Pluton, Ameryk, kurium itp.), które sprawiają, że używane paliwo jądrowe jest radioaktywne przez ponad setki lat ” – powiedział Argonne. „Te pierwiastki rozszczepiają się dość dobrze, gdy zderzają się z szybkimi neutronami, podczas gdy rozszczepiają się znacznie mniej lub wcale, gdy zderzają się z neutronami termicznymi. Stąd materiały te działają jako paliwo w szybkich reaktorach, zamiast jako produkty odpadowe, jak czynią to w reaktorach termicznych. Ta cecha szybkich reaktorów sprawia, że problem utylizacji zużytego paliwa jest znacznie prostszy dzięki wykorzystaniu najdłuższych części okresu półtrwania odpadów jako źródła energii.”
szeroka gama technologii w fazie rozwoju
według Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej (MAEA), potencjalny impuls, jaki szybkie systemy reaktorów działające w całkowicie zamkniętym cyklu oferują oszczędności paliwa jądrowego i gospodarowaniu odpadami—i ich implikacje dla zrównoważonego rozwoju—jest powszechnie uznawany, a aktywny rozwój w wielu krajach trwa nadal w zakresie technologii reaktorów, chłodziwa, paliwa i cyklu paliwowego. Podczas konferencji w czerwcu 2017 r., którą Agencja zorganizowała dla światowej społeczności fast reactor i związanej z nią społeczności cyklu paliwowego w Rosji (której prace opublikowano w grudniu ubiegłego roku), zgłoszono, że badany, projektowany i budowany jest szeroki wachlarz projektów demonstracyjnych, od małych do dużych.
Subhash Chandra Chetal, były szef Indyjskiego Centrum Badań atomowych Indira Gandhi, powiedział uczestnikom w swoim przemówieniu inauguracyjnym, różnorodność badań jest oszałamiająca. „Społeczność fast reactor doskonale zdaje sobie sprawę z tego, że nie ma idealnego płynu chłodzącego do szybkich reaktorów, a wybór jest rozważany od czasu do czasu zarówno w poszczególnych krajach, jak i na forach międzynarodowych.”Międzynarodowe Forum generacji IV (GIF), stowarzyszenie założone w 2000 r.w celu rozwoju energetyki jądrowej w czwartej generacji, ma obecnie 14 krajów członkowskich i destyluje prawie 100 istniejących koncepcji w cztery kategorie widma szybkich neutronów, które według niego oferują „najbardziej obiecujące.”
2. Kluczowym elementem rosyjskiego programu „PRORYV” —czyli”przełom” -była budowa szybkiego reaktora BN-800 zaprojektowanego przez ramię inżynierii jądrowej Rosatomu Okbm Afrikantov, który ostatecznie rozpoczął pracę jako czwarta jednostka w Biełojarsku w 2006 roku. Jednostka rozpoczęła działalność w grudniu 2016 roku. Dzięki uprzejmości: Rosatom
szybki Reaktor chłodzony sodą (SFR) z zamkniętym cyklem paliwowym. Najbardziej dojrzała ze wszystkich koncepcji, 20 prototypów lub demonstracji SFR zostało zbudowanych na całym świecie, które zapewniły ponad 400 lat pracy reaktora. Przykłady obejmują BN-800 W Beloyarsk 4 (Rysunek 2) w Rosji, Indie FBTR, Francja SuperPhenix i EBR i I II w USA.szereg prywatnych firm, takich jak GE Hitachi i TerraPower, również wykazały zainteresowanie SFR.
„bardzo cenne doświadczenie operacyjne zostało zgromadzone z działających szybkich reaktorów jako informacja zwrotna dla przyszłego projektu pod względem zarówno wartości zatrzymania, jak i odrzucenia dla przyszłych projektów pod względem materiałów, opcji projektowych i technologii sodowej”, zauważył Chetal. Ostatnie testy mieszanego tlenku metalu i paliwa węglikowego wykazały „doskonałe wyniki”, a spalanie paliwa było systematycznie zwiększane wraz z ulepszeniem podstawowych materiałów konstrukcyjnych. Tymczasem ” przyczyny wycieków sodu w różnych reaktorach ze względu na nieadekwatność projektu w szczegółach projektu, niedobór produkcji, materiały konstrukcyjne i taśmy termiczne są dość dobrze poznane i są włączane do przyszłych projektów.”Jednak” w niektórych krajach nadal odczuwalne są poważne obawy dotyczące wycieków sodu, a rurociągi dwuścienne w obwodach wtórnych są wybierane, aby uniknąć pożaru sodu przez kilku projektantów” – powiedział.
Reaktor szybki chłodzony ołowiem (LFR) z zamkniętym cyklem paliwowym. LFRs są chłodzone stopionym ołowiem (lub stopami na bazie ołowiu), który nie oferuje szybkich reakcji z wodą i powietrzem, jak w przypadku SFRs. LFRs działa w wysokiej temperaturze i przy bliskim ciśnieniu atmosferycznym, warunki włączone ze względu na bardzo wysoką temperaturę wrzenia chłodziwa (do 1743C) i jego niskie ciśnienie pary. Chłodziwem jest czysty ołów lub stop ołowiu, najczęściej eutektyczna mieszanina ołowiu i bizmutu, znana również jako LBE. Przykładem może być Europejski reaktor dużej mocy o mocy 600 MW i Rosyjski BREST-300 oraz mikroreaktor SSTAR, który charakteryzuje się bardzo długą żywotnością rdzenia. Prywatne firmy, takie jak Westinghouse, Hydromine lub LeadCold, również opracowały podstawowe projekty LFR.
szybki Reaktor chłodzony gazem (GFR) z zamkniętym cyklem paliwowym. GFR, które są chłodzone przez Hel, proponuje się jako długoterminową alternatywę dla SFR. GIF podkreślił kilka atrakcyjnych cech innowacyjnego systemu jądrowego. Wykorzystuje „jednofazowy chłodziwo, które jest chemicznie obojętne, które nie dysocjuje ani nie ulega aktywacji, jest przezroczyste i podczas gdy współczynnik pustki chłodziwa jest nadal dodatni, jest mały i zdominowany przez sprzężenie dopplerowskie”, powiedział. Tymczasem rdzeń reaktora ma stosunkowo dużą gęstość mocy i oferuje lepszą kontrolę i uproszczoną obsługę chłodziwa. Wysokie temperatury wylotowe rdzenia wynoszą powyżej 750F, ale to „stawia uciążliwe wymagania dotyczące zdolności paliwa do ciągłej pracy z wysoką gęstością mocy niezbędną do dobrej ekonomiki neutronów w szybkim rdzeniu reaktora”, mówi, co jest wadą, która będzie wymagała solidnego paliwa i potrzeb strukturalnych. Wśród prywatnych systemów GFR znajduje się projekt General Atomics ’ EM 2. Według GIF koncepcja GFR nadal znajduje się w fazie rentowności, a wiele z nich nie wchodzi w fazę wydajności przed 2022 r.
reaktor ze stopioną solą (MSR) z termiczną i szybką koncepcją neutronów z zamkniętym cyklem paliwowym. Koncepcja opracowana w latach 50. XX wieku, wykorzystuje stopioną sól zarówno jako paliwo, jak i chłodziwo, a grafit jako moderator. Według GIF tego typu Reaktory zasilane cieczą mają kluczową przewagę nad systemami zasilanymi paliwem stałym. Należą do nich: „możliwość regulacji składu paliwa (rozszczepialnego/rozszczepialnego) i przerobu paliwa bez wyłączania reaktora; możliwość pokonania trudności związanych z wytwarzaniem/przerobem paliwa stałego z dużą ilością elementów transuranowych (TRUs); możliwość lepszego wykorzystania zasobów poprzez osiągnięcie wysokiego spalania paliwa (przy czym TRUs pozostający w paliwie ciekłym poddawany jest rozszczepieniu lub Transmutacji w element rozszczepialny).”Szybkie spektrum MSR oferuje najlepsze technologie szybkiego reaktora i stopionej soli, w tym rozszerzone wykorzystanie zasobów i minimalizację odpadów, a także niskie ciśnienie, wysoką temperaturę wrzenia i przejrzystość optyczną, powiedział.
przykłady obejmują MSFR o mocy 1400 MWe opracowany przez Francję w ramach projektu SMOFAR, który ma torowy cykl paliwowy, oraz rosyjski projekt MOSART o mocy 1000 MWe. Chiny badają również reaktor wysokotemperaturowy chłodzony solą fluorową i reaktor termiczny z solą fluorową. Tymczasem sektor prywatny uruchomił kilka projektów na całym świecie. Wśród firm godnych uwagi są TerraPower, Thorcon, Terrestrial Energy, Flibe Energy, Transatomic Power, Elysium Industries, Alpha Tech Research Corp. i Kairos Power.
GIF zauważył jednak również, że wyzwania w zakresie badań i rozwoju są liczne. „W przypadku opcji płyn-paliwo z zamkniętym cyklem paliwowym zajmują się one właściwościami soli (fizycznymi, chemicznymi i termodynamicznymi) oraz rozpuszczalnością aktynowców i produktów rozszczepienia w soli; projektowaniem systemu i analizą bezpieczeństwa (w tym opracowaniem zaawansowanych modeli sprzęgieł neutronowych i termiczno-hydraulicznych); opracowywaniem zaawansowanych materiałów (w tym badaniami ich kompatybilności ze stopionymi solami i zachowania się w warunkach wysokich strumieni neutronowych w wysokiej temperaturze); zapobieganiem korozji i uwalnianiu trytu w oparciu o właściwą kontrolę redoks stopionej soli; opracowanie wydajnych technik ekstrakcji gazowych produktów rozszczepienia z soli paliwowej przez bąbelkowanie helem; arkusz przetwarzania soli paliwowej (w tym redukcyjne testy ekstrakcji dla separacji aktynowców/lantanowców); oraz opracowanie podejścia zabezpieczającego (i odporności na proliferację) dedykowanego reaktorom zasilanym cieczą.”Koncepcja jest nadal w fazie wykonalności lub rentowności, a faza wydajności może rozpocząć się dopiero w 2025 r., zauważył.
The Quest for Better Economics
podczas gdy postępowanie wykazało ogólny optymizm co do przyszłości szybkich reaktorów, kilku mówców dostrzegło wyzwania, które mogą utrudnić rozwój szybkich reaktorów. MAEA powiedziała na przykład: „aby osiągnąć pełny potencjał szybkich reaktorów neutronowych, osiągając prawdziwy przełom w wykorzystaniu energii jądrowej, badania i rozwój technologiczny będą musiały wykazać spełnienie nowoczesnych kryteriów konkurencyjności gospodarczej, rygorystycznych wymogów bezpieczeństwa i ochrony, zrównoważonego rozwoju, odporności na proliferację i akceptacji społecznej.”
według Chetala dążenie do lepszej ekonomii jest utrudnione przez brak informacji, ponieważ do tej pory tylko SFR zostały zbudowane w celach demonstracyjnych i komercyjnych. „Żywotność technologiczna SFR została dobrze zademonstrowana w reaktorach eksperymentalnych i demonstracyjnych. Jednak konkurencyjność gospodarcza SFR nie została jeszcze dobrze udowodniona-zauważył. „Postrzegany wyższy koszt SFR w porównaniu z utrudnił jego wzrost. Ekonomiczne porównanie SFR z LWR ma silne powiązania z kosztem uranu, co obecnie wywiera presję na SFR, aby szukali sposobów i środków na poprawę kosztów kapitałowych, czasu budowy i współczynnika wydajności”, powiedział.
w niektórych rosyjskich projektach szybkiego reaktora mogły już zostać wprowadzone znaczące ulepszenia, zasugerował E. O. Adamov, ekspert projektu PRORYV firmy Rosatom. Projekt federalny od 2012 r. ma na celu stworzenie bazy technologicznej do szybkiego wykorzystania reaktorów na szeroką skalę, wykorzystując wiedzę zdobytą podczas eksploatacji BN-800 przy ulicy Biełojarsk 4. Do tej pory stwierdzono, że BN-600, zbudowany w 1981 r. szybki reaktor (Beloyarsk 3), jest ekonomicznie porównywalny z rosyjską technologią VVER, jeśli można go zwiększyć. Adamow powiedział, że Rosja chce teraz udowodnić, że BN—1200, który jest w fazie rozwoju—i różni się znacznie od poprzednich modeli BN-może konkurować z „najlepszymi elektrowniami jądrowymi na neutronach termicznych.”Porównanie wyrównanych kosztów energii dla szybkich reaktorów i elektrowni z turbiną gazową o cyklu kombinowanym (CCGT) w rosyjskich warunkach przyniosło kluczowe spostrzeżenia, zauważył. Jednym z nich jest to, że elektrownie jądrowe z reaktorami termicznymi z otwartym cyklem paliwowym „nie mogą zagwarantować dalszego efektywnego rozwoju konkurencyjnego.”Jeśli zostaną osiągnięte ustalone wymagania dotyczące wydajności instalacji BN-1200, szybkie Reaktory mogą łatwo konkurować niż CCGT, a nawet źródła odnawialne, powiedział.
Indie, które są w trakcie uruchamiania znacznie opóźnionego prototypu szybkiego reaktora o mocy 500 MW (PFBR) w Kalpakkam w Tamil Nadu, w międzyczasie uznały, że koszt ponownego przetwarzania roślin będzie ważny dla przyszłości szybkich reaktorów. „Indyjska ocena pokazuje, że rozsądne jest wspólne zlokalizowanie obiektu fast reactor fuel cycle facility do ponownego przetwarzania i refabrykacji w tym samym miejscu co reaktor i powinno być zaprojektowane dla wielu reaktorów”, powiedział Chetal. „W związku z tym na terenie PFBR budowany jest obiekt szybkiego cyklu paliwowego reaktora w celu ponownego przetworzenia i refabrykacji elementów paliwowych dla PFBR i dwóch kolejnych reaktorów MOX o mocy 600 MW każdy.”
inne przeszkody spowalniające szybkie Reaktory
pierwsze w swoim rodzaju szybkie Reaktory również stoją przed kłopotliwym wyzwaniem uzyskania terminowej licencji. Jak zauważyło kilku prelegentów na konferencji MAEA, niewielu ekspertów w środowiskach regulacyjnych jest dobrze zorientowanych w wyzwaniach związanych z szybkimi reaktorami. Brak wiedzy technicznej niezbędnej do produkcji komponentów do szybkich reaktorów, a także do ich budowy, uruchomienia, eksploatacji, konserwacji i likwidacji jest równie krytyczny.
rozwiązanie kwestii bezpieczeństwa dotyczących szerokiej gamy opracowywanych systemów ma również kluczowe znaczenie. W tej dziedzinie trwają jednak również liczne badania, szczególnie dotyczące SFR. Na przykład w Japonii naukowcy badają ryzyko za pomocą metodologii oceny. Chiny ustanowiły kod bezpieczeństwa dla warunków nominalnych w oparciu o parametry SFR dla interakcji ciepła rozpadu i betonu sodowego. ASTRID, demonstracyjny projekt SFR, który Francja opracowuje we współpracy z Japonią, przyniósł przewodnik dotyczący projektowania bezpieczeństwa z podstawowymi zasadami. Tymczasem Rosyjska Ocena bezpieczeństwa BN-1200 zidentyfikowała trzy rodzaje wypadków wykraczających poza projekt: utratę mocy (gdzie pompy w obiegu pierwotnym i wtórnym zatrzymują się i nie ma zasilania w wodę); wprowadzenie reaktywności poprzez wycofanie dwóch prętów sterujących; oraz wypadek blokady zespołu paliwowego).
Nadrzędnym celem wszystkich tych wysiłków jest coraz bardziej skomplikowana sieć współpracy międzynarodowej w celu wspierania wymiany informacji na temat badań i rozwoju oraz wiedzy technicznej. Wraz z GIF MAEA koordynuje ustanowiony w 2000 r. międzynarodowy projekt dotyczący innowacyjnych reaktorów jądrowych i cykli paliwowych. W międzyczasie Europejska inicjatywa zrównoważonego przemysłu jądrowego rozwija ASTRID we Francji, ALFRED, LFR w Rumunii i MYRRHA, który jest wiodącym projektem napromieniania bizmutu w Belgii. ■
—Sonal Patel jest redaktorem naczelnym.
