sistemele de reactoare cu neutroni rapizi au potențialul de a extrage de 60 de ori mai multă energie din uraniu în comparație cu reactoarele termice existente și contribuie la o reducere semnificativă a sarcinii deșeurilor radioactive. S-au înregistrat progrese mari în multe țări care dezvoltă în mod activ reactoarele și tehnologiile aferente ciclului de combustibil.
a fost un reactor cu neutroni rapizi răcit cu metal lichid care a luminat–cu blițul a patru becuri-posibilitatea ca lumea noastră să poată fi alimentată cu energie nucleară. Dar, deși acel moment de pionierat pe decembrie. 20, 1951, la Laboratorul Național Argonne ‘ s experimental Breeder Reactor I (EBR I) în Idaho, a dat naștere la nenumărate descoperiri care au extins exponențial domeniul tehnologiei energiei nucleare, reactoarele cu neutroni rapizi au rămas evazive din punct de vedere comercial.
1. Reactorul experimental de ameliorare i (EBR I) a inaugurat o nouă eră când a devenit primul reactor care a generat cantități utilizabile de energie electrică din energia nucleară. Acesta a realizat acest feat pe decembrie. 20, 1951, prin aprinderea a patru becuri. A doua zi, producția EBR I a fost sporită și, din acel moment, până la dezafectarea sa în 1964, EBR I a generat adesea toată energia electrică necesară pentru alimentarea clădirii sale. Sursa: Laboratorul Național Argonne
în deceniile care au urmat descoperirii Argonne (Figura 1), conceptul că un reactor nuclear ar putea „reproduce” mai mult combustibil decât a consumat rapid a devenit un subiect principal al cercetării naționale adoptate de o mână de alte țări, inclusiv Uniunea Sovietică, Marea Britanie, Franța, Germania, Japonia și India. Cu toate acestea, până în prezent, doar aproximativ 20 de reactoare rapide au funcționat, unele începând cu anii 1950, și doar unul a funcționat într—o capacitate comercială-prototipul comercial francez de 1.250 MWe Superphenix, care a funcționat din 1985 până în 1998, când a fost închis din motive politice.
mai recent, cu toate acestea, datorită progreselor tehnice și a experienței operaționale în creștere, interesul pentru tehnologia reactoarelor rapide pare să fi fost din nou stârnit. La sfârșitul anului 2016, Rusia a pus online BN-800 la centrala nucleară Beloyarsk (un câștigător al Centralei electrice în noiembrie 2016), un proiect considerat pe scară largă „cel mai puternic reactor de creștere rapidă din lume.”Cel puțin alte 16 proiecte de reactoare rapide se apropie de implementarea condusă de SUA, Franța, Belgia, România, Rusia, China, Coreea de Sud, India și Japonia. Două dintre aceste proiecte-BN-1200 din Rusia și CDFBR—1200 din China-ar putea fi proiecte comerciale atunci când vor fi online până în 2030.
între timp, astăzi lumea se luptă cu preocupările legate de deșeurile nucleare cu mai multă urgență decât oricând; după ani de hărțuire politică, s-au făcut puține progrese în depozitarea și eliminarea combustibilului uzat. Argonne prezice: „deși în prezent există foarte puține operațiuni, acestea se vor dovedi în cele din urmă vitale pentru extinderea aprovizionării cu energie a uraniului și toriului la zeci de mii de ani și pentru eliminarea radiotoxicității de lungă durată din combustibilul nuclear folosit.”
Reactoare Rapide: O rasă diferită
după cum explică Argonne, atunci când un atom dintr—un reactor nuclear „fisiuni”—sau se împarte în mai multe fragmente mai mici-neutronii sunt eliberați la energie mare (viteze rapide). În reactoarele termice, care cuprind cea mai mare parte a flotei nucleare mondiale, neutronii de fisiune sunt încetiniți la energii scăzute (termice) prin coliziuni cu atomii ușori din reactor—hidrogen în apă în reactoarele răcite cu apă, deuteriu în apă grea în reactoarele răcite cu apă grea sau carbon în grafit în reactoarele răcite cu gaz. Majoritatea neutronilor din aceste reactoare încetinesc la viteze mici înainte de a avea șansa de a provoca fisiuni ulterioare prin ciocnirea cu nucleele fisionabile—care este de obicei uraniu-235 (U-235).
„într-un reactor rapid, totuși, neutronii de fisiune nu sunt încetiniți și, în schimb, provoacă fisiuni prin ciocnirea cu nucleele fisionabile la energie ridicată”, a spus Laboratorul. „Acest lucru este important deoarece mai mulți neutroni sunt eliberați din fisiunile cauzate de neutronii cu energie ridicată decât din fisiunile cauzate de neutronii termici.”Deși fiecare reacție de fisiune dintr-un reactor distruge un atom fisil, atomii fisili pot fi creați și atunci când un neutron este capturat într-o reacție cu un atom fertil, de obicei U-238.”
în esență, explică Laboratorul, într-un reactor de ameliorare rapidă, se adaugă U-238 suplimentar, astfel încât să se creeze mai mulți atomi fisionabili decât să fie distruși prin fisiune. „Aceasta înseamnă că, în esență, tot minereul original de uraniu (care este de 99,3% U-238 și 0,7% U-235) poate fi utilizat ca combustibil al reactorului într-un reactor de ameliorare rapidă. În schimb, doar aproximativ 1% din uraniul original este consumat într-un reactor termic.”Efectul, a remarcat, este că un reactor rapid ar putea extinde resursele de uraniu ale lumii cu un factor de aproximativ 60.
un al doilea beneficiu, mai semnificativ, este că reactoarele rapide „pot distruge, prin fisiune, materialele (plutoniu, americiu, curiu etc.) care fac combustibilul nuclear uzat radioactiv pentru mai mult de sute de ani”, a spus Argonne. „Aceste elemente se fisionează destul de bine atunci când se ciocnesc cu neutronii rapizi, în timp ce fisionează mult mai puțin sau deloc atunci când se ciocnesc cu neutronii termici. Astfel, aceste materiale funcționează ca combustibil în reactoare rapide, în loc să funcționeze ca produse reziduale, așa cum se întâmplă în reactoarele termice. Această caracteristică a reactoarelor rapide face ca problema eliminării combustibilului uzat să fie mult mai simplă prin utilizarea celor mai lungi părți de înjumătățire ale deșeurilor ca resursă energetică.”
gama largă de tehnologii în curs de dezvoltare
potrivit Agenției Internaționale pentru Energie Atomică (AIEA), potențialul impuls pe care sistemele de reactoare rapide care funcționează într—un ciclu complet închis îl oferă eficienței combustibilului nuclear și gestionării deșeurilor—și implicațiile lor pentru durabilitate-este recunoscut pe scară largă, iar dezvoltarea activă continuă în multe țări în ceea ce privește tehnologiile reactorului, lichidului de răcire, combustibilului și ciclului combustibilului. La o conferință din iunie 2017 pe care agenția a găzduit-o pentru reactorul rapid din lume și comunitatea aferentă ciclului de combustibil din Rusia (ale cărei proceduri au fost lansate în decembrie anul trecut), o gamă largă de proiecte demonstrative, variind de la mici la scară largă, au fost raportate a fi în studiu, proiectare și construcție.
după cum le-a spus participanților Subhash Chandra Chetal, fost șef al Centrului Indira Gandhi pentru cercetări atomice din India, în discursul său de deschidere, varietatea cercetărilor este amețitoare. „Comunitatea reactoarelor rapide este conștientă de faptul că nu există un lichid de răcire perfect pentru reactoarele rapide și alegerea este deliberată din când în când atât în țările individuale, cât și în forumurile internaționale. Forumul Internațional Generation IV (GIF), o asociație fondată în 2000 pentru a avansa energia nucleară în a patra generație, are astăzi 14 țări membre și a distilat aproape 100 de concepte existente în patru categorii de spectru rapid de neutroni despre care spune că oferă „cea mai mare promisiune”.”
2. Pivotul programului Rusesc ” PRORYV „—sau”descoperire” -a fost construirea unui reactor rapid BN-800 proiectat de brațul de Inginerie Nucleară al Rosatom OKBM Afrikantov, care a început în cele din urmă ca a patra unitate la Beloyarsk în 2006. Unitatea a început să funcționeze în decembrie 2016. Prin amabilitate: Rosatom
Reactor rapid răcit cu sodiu (SFR) cu ciclu de combustibil închis. Cel mai matur dintre toate conceptele, 20 de prototipuri sau demonstrații SFR au fost construite în întreaga lume, care au oferit mai mult de 400 de ani de funcționare a reactorului. Exemplele includ BN-800 la Beloyarsk 4 (Figura 2) în Rusia, Fbtr din India, Superphenix din Franța și EBR I și II în SUA o serie de companii private, cum ar fi GE Hitachi și TerraPower, s-au arătat, de asemenea, interesate de SFR.
„experiența de operare foarte valoroasă a fost acumulată din reactoarele rapide care funcționează ca feedback pentru proiectarea viitoare, atât în ceea ce privește reținerea, cât și aruncarea pentru proiectele viitoare în ceea ce privește materialele, opțiunile de proiectare și tehnologia sodiului”, a remarcat Chetal. Testarea recentă a combustibilului din metal cu oxid mixt și carbură a arătat „rezultate excelente”, iar arderea combustibilului a crescut sistematic odată cu îmbunătățirea materialelor structurale de bază. Între timp, ” cauzele scurgerilor de sodiu în diferite reactoare din cauza inadecvării proiectării în detalierea proiectării, a deficienței de fabricație, a materialelor de construcție și a stripării termice sunt destul de bine înțelese și sunt încorporate în proiectele viitoare.”Cu toate acestea,” o preocupare serioasă este încă resimțită în unele țări cu privire la scurgerile de sodiu, iar conductele cu perete dublu din circuitele secundare sunt selectate pentru a evita focul de sodiu de către câțiva designeri”, a spus el.
Reactor rapid răcit cu plumb (LFR) cu ciclu de combustibil închis. LFR – urile sunt răcite de plumb topit (sau aliaje pe bază de plumb), care nu oferă reacții rapide cu apa și aerul ca în cazul SFr-urilor. LFRs funcționează la temperaturi ridicate și la presiune atmosferică apropiată, condiții activate din cauza punctului de fierbere foarte ridicat al lichidului de răcire (până la 1743c) și a presiunii scăzute a vaporilor. Lichidul de răcire este fie plumb pur, fie un aliaj de plumb, cel mai frecvent amestecul eutectic de plumb și bismut, cunoscut și sub numele de LBE. Exemplele includ reactorul european de mare putere de 600 MW și Brest-300 din Rusia și un microreactor, SSTAR, care are o durată de viață foarte lungă. Companii Private precum Westinghouse, Hydromine sau LeadCold, au dezvoltat, de asemenea, modele de bază LFR.
Reactor rapid răcit cu gaz (GFR) cu ciclu de combustibil închis. GFRs, care sunt răcite de heliu, sunt propuse ca o alternativă pe termen lung la SFr. GIF a evidențiat câteva caracteristici atractive ale sistemului nuclear inovator. Folosește „un lichid de răcire monofazat care este inert chimic, care nu se disociază sau nu se activează, este transparent și, în timp ce coeficientul de golire a lichidului de răcire este încă pozitiv, este mic și dominat de feedback-ul Doppler”, a spus acesta. Între timp, miezul reactorului are o densitate de putere relativ mare și oferă o inspecție îmbunătățită și o manipulare simplificată a lichidului de răcire. Temperaturile sale ridicate de evacuare a miezului sunt peste 750F, dar acest lucru „impune cerințe oneroase asupra capacității combustibilului de a funcționa continuu cu densitatea mare de putere necesară pentru o bună economie de neutroni într-un miez de reactor rapid”, a spus acesta, un dezavantaj care va necesita combustibil robust și nevoi structurale. Printre sistemele private GFR se numără proiectul General Atomics’ EM 2. Totuși, potrivit GIF, conceptul GFR este încă în faza de viabilitate și mulți nu intră în faza de performanță înainte de 2022.
Reactor de sare topită (MSR) cu concepte de neutroni termici și rapizi cu un ciclu de combustibil închis. Un concept dezvoltat în anii 1950, conceptul folosește sare topită atât ca combustibil și lichid de răcire, cât și grafit ca moderator. Potrivit GIF, aceste tipuri de reactoare cu combustibil lichid au avantaje cheie față de sistemele cu combustibil solid. Acestea includ ” posibilitatea reglării compoziției combustibilului (fertil/fisionabil) și reprocesarea combustibilului fără oprirea reactorului; posibilitatea depășirii dificultăților de fabricare/refabricare a combustibilului solid cu cantități mari de elemente transuranice (TRUs); potențialul pentru o mai bună utilizare a resurselor prin realizarea unor arderi mari de combustibil (cu Tru-urile rămase în combustibilul lichid pentru a fi supuse fisiunii sau transmutării la un element fisionabil).”MSR-urile cu spectru rapid oferă cele mai bune tehnologii de reactor rapid și sare topită, inclusiv utilizarea extinsă a resurselor și minimizarea deșeurilor, precum și presiunea scăzută, temperatura ridicată de fierbere și transparența optică”, a spus acesta.
Exemplele includ MSFR de 1.400 MWe dezvoltat de Franța în cadrul proiectului SMOFAR, care are un ciclu de combustibil cu toriu, și proiectul MosArt de 1.000 MWe al Rusiei. China investighează, de asemenea, un reactor cu temperatură ridicată răcit cu sare cu fluor și un reactor termic cu sare topită cu fluorură de toriu. Între timp, sectorul privat a lansat mai multe proiecte la nivel mondial. Printre companiile notabile se numără TerraPower, Thorcon, energia terestră, energia Flibe, puterea Transatomică, Elysium Industries, Alpha Tech Research Corp.și puterea Kairos.
GIF a remarcat, de asemenea, că provocările de cercetare și dezvoltare sunt numeroase. „Pentru opțiunea combustibil lichid cu ciclu de combustibil închis, acestea se ocupă de proprietățile sării (proprietăți fizice, chimice și termodinamice) și solubilitatea actinidelor și a produselor de fisiune din sare; proiectarea sistemului și analiza siguranței (inclusiv dezvoltarea modelelor avansate de cuplare neutronică și termo-hidraulică); dezvoltarea materialelor avansate( inclusiv studii privind compatibilitatea acestora cu sărurile topite și comportamentul sub fluxuri mari de neutroni la temperaturi ridicate); prevenirea coroziunii și; dezvoltarea unor tehnici eficiente de extracție a produselor de fisiune gazoasă din sarea combustibilului prin barbotare cu heliu; fișa de procesare a sării combustibilului (inclusiv teste de extracție reductivă pentru separarea actinidelor/lantanidelor); și dezvoltarea unei abordări siguranță-securitate (și rezistență la proliferare) dedicată reactoarelor cu combustibil lichid.”Conceptul este încă într-o fază de fezabilitate sau viabilitate, iar faza de performanță ar putea să nu înceapă până în 2025.
căutarea unei economii mai bune
în timp ce procedurile au arătat optimism general cu privire la viitorul reactoarelor rapide, mai mulți vorbitori au recunoscut provocări care ar putea împiedica progresul reactoarelor rapide. AIEA a spus, de exemplu, „pentru a atinge întregul potențial al reactoarelor cu neutroni rapizi, ajungând la un progres real în utilizarea energiei nucleare, evoluțiile de cercetare și tehnologie vor trebui să demonstreze îndeplinirea criteriilor moderne de competitivitate economică, cerințe stricte de siguranță și securitate, dezvoltare durabilă, rezistență la proliferare și acceptare publică.”
potrivit lui Chetal, căutarea unei economii mai bune este împiedicată de o lipsă de informații, deoarece doar SFr-urile au fost construite până acum în scopuri demonstrative și comerciale. „Viabilitatea tehnologică a SFr – urilor a fost bine demonstrată în reactoarele experimentale și demonstrative. Cu toate acestea, competitivitatea economică a SFR nu a fost încă bine dovedită”, a menționat el. „Costul perceput mai mare al SFr comparativ cu a împiedicat creșterea sa. Comparația economică dintre SFR și LWR are legături puternice cu costul uraniului, ceea ce pune în prezent presiune asupra SFr-urilor pentru a căuta modalități și mijloace de îmbunătățire a costului de capital, a timpului de construcție și a factorului de capacitate”, a spus el.
s-ar fi putut face deja îmbunătățiri substanțiale pentru unele proiecte de reactoare rapide rusești, a sugerat E. O. Adamov, expert în proiectul Proryv al Rosatom. Proiectul federal a căutat, din 2012, să creeze o bază tehnologică pentru utilizarea rapidă a reactorului la scară largă, folosind cunoștințele dobândite din funcționarea BN-800 la Beloyarsk 4. Până în prezent, BN-600, un reactor rapid construit în 1981 (Beloyarsk 3), s-a dovedit a fi comparabil din punct de vedere economic cu tehnologia rusă VVER, dacă poate fi extinsă. Adamov a spus că Rusia încearcă acum să demonstreze că BN—1200 care este în curs de dezvoltare—și diferă semnificativ de modelele BN anterioare-poate concura cu „cele mai bune centrale nucleare pe neutroni termici”.”O comparație între costul nivelat al energiei pentru reactoarele rapide și centralele electrice cu turbină cu gaz cu ciclu combinat (CCGT) în condițiile rusești au dat informații cheie, a menționat el. Una este că centralele nucleare cu reactoare termice cu un ciclu de combustibil deschis ” nu pot garanta dezvoltarea competitivă eficientă.”Dacă sunt îndeplinite cerințele de performanță stabilite pentru instalațiile BN-1200, reactoarele rapide ar putea concura cu ușurință decât CCGT-urile și chiar sursele regenerabile, a spus el.
India, care este în curs de punere în funcțiune a unui prototip de reactor rapid de 500 MW (PFBR) mult întârziat la Kalpakkam în Tamil Nadu, a recunoscut între timp că costul instalațiilor de reprocesare va fi important pentru viitorul reactoarelor rapide. „Evaluarea indiană arată că este prudent să Co-localizăm instalația pentru ciclul de combustibil al reactorului rapid pentru reprocesare și refabricare în același loc cu reactorul și ar trebui să fie proiectată pentru mai multe reactoare”, a spus Chetal. „Având în vedere acest lucru, o instalație de ciclu rapid de combustibil a reactorului este în construcție la locul PFBR pentru reprocesarea și refacerea elementelor de combustibil pentru PFBR și încă două reactoare MOX de 600 MW fiecare.”
alte obstacole care încetinesc reactoarele rapide
primele reactoare rapide se confruntă, de asemenea, cu provocarea greoaie de a obține licențe în timp util. După cum au remarcat mai mulți vorbitori la conferința AIEA, puțini experți din mediile de reglementare sunt bine pregătiți în provocările reactoarelor rapide. Lipsa expertizei tehnice necesare pentru fabricarea componentelor pentru instalațiile reactoarelor rapide, precum și pentru construirea, punerea în funcțiune, operarea, întreținerea și dezafectarea acestora este la fel de critică.
abordarea problemelor de siguranță privind gama largă de sisteme în curs de dezvoltare sunt, de asemenea, cruciale. Dar multe cercetări au fost în curs de desfășurare și pe acest front, în special în ceea ce privește SFr. În Japonia, de exemplu, cercetătorii studiază riscurile prin metodologia de evaluare. China a stabilit un cod de siguranță pentru condițiile nominale pe baza parametrilor SFR pentru interacțiunile de căldură și beton de sodiu. ASTRID, un proiect demonstrativ SFR pe care Franța îl dezvoltă în colaborare cu Japonia, a oferit un ghid de proiectare a siguranței cu principii de bază. Între timp, evaluarea siguranței de către Rusia a BN-1200 a identificat trei tipuri de accidente dincolo de proiectare: pierderea puterii (unde pompele din circuitele primare și secundare se opresc și nu există alimentare cu apă); introducerea reactivității prin retragerea a două tije de control; și un accident de blocare a ansamblului de combustibil).
toate aceste eforturi sunt o rețea din ce în ce mai complexă de Cooperare Internațională pentru a încuraja schimbul de informații privind cercetarea și dezvoltarea și expertiza tehnică. Împreună cu GIF, AIEA coordonează proiectul internațional stabilit în 2000 privind reactoarele nucleare inovatoare și ciclurile de combustibil. Între timp, European Sustainable Nuclear Industrial Initiative dezvoltă ASTRID în Franța, ALFRED, un LFR în România și MYRRHA, care este un proiect principal de iradiere cu bismut în Belgia. ■
—Sonal Patel este un editor asociat de putere.
