Nopea neutronireaktori

Nopea neutronireaktori  on ydinreaktori , jonka sydämessä ei ole neutronien hidastajia ja neutronispektri on lähellä fissioneutronien energiaa (~ 10 5  eV ). Näiden energioiden neutroneja kutsutaan nopeiksi, mistä johtuu tämän tyyppisen reaktorin nimi.

Nopea neutronireaktori mahdollistaa käytetyn ydinpolttoaineen muuntamisen uudeksi ydinvoimalaitospolttoaineeksi muodostaen suljetun ydinpolttoaineen käyttökierron ja mahdollistaen nykyisen 3 %:n sijasta noin 30 %:n käytön ydinpolttoainepotentiaalista. joka takaa ydinenergian mahdollisuuden vuosituhansien ajan.

Historia

Ensimmäiset tutkimus- ja teolliset nopeat neutronireaktorit suunniteltiin ja otettiin onnistuneesti käyttöön Neuvostoliitossa , ja tällä hetkellä Venäjällä on teknologinen etusija niiden kehittämisessä ja käytössä, mikä avaa lähes rajattomat mahdollisuudet ydinpolttoaineen energiapotentiaalin hyödyntämiseen. mukaan lukien ydinvoimalaitosjätteet ja asekäyttöinen plutonium.

Venäjällä on ensimmäinen paikka maailmassa tällaisten reaktorien rakentamiseen tarvittavien teknologioiden kehittämisessä, vaikka monet kehittyneet maat ovat tehneet tätä 1950-luvulta lähtien. Ensimmäinen voimayksikkö nopealla neutronireaktorilla BN-350 otettiin käyttöön Neuvostoliitossa vuonna 1973 ja se toimi Aktaussa vuoteen 1999 asti. Toinen voimayksikkö asennettiin Belojarskin ydinvoimalalle vuonna 1980 ( BN-600 ), ja se on toiminut keskeytyksettä tähän päivään asti, vuonna 2010 sen käyttöikää pidennettiin 10 vuodella [1] . Samassa paikassa 10.12.2015 otettiin käyttöön uuden sukupolven reaktori BN-800 .

Kuinka se toimii

Nopeiden neutronien pienen 235 U :n fissiopoikkileikkauksen vuoksi ketjureaktion ylläpitämiseksi on välttämätöntä ylläpitää paljon suurempia neutronikentän voimakkuuksia verrattuna lämpöneutronireaktoreihin . Neutronivirtojen lisääntymisen vuoksi paljon suurempi osa 238 U :sta on mukana transmutaatiossa plutoniumiksi , mikä laajentaa merkittävästi tämän tyyppisten reaktorien polttoainepohjaa.

Reaktorin sydämessä ei pitäisi olla tehokkaita neutronien hidastajia, ensinnäkin aineet, joissa on kevyitä ytimiä, kuten vety, ovat pohjimmiltaan mahdottomia hyväksyä . Siksi vettä ja hiilivetyjä ei voida käyttää reaktorin jäähdytysjärjestelmässä. Tämä vaatimus pakottaa käyttämään jäähdytysnesteenä matalassa lämpötilassa sulavia metalleja, kuten elohopeaa, natriumia, lyijyä. Elohopea hylättiin nopeasti sen korkean syövyttävyyden vuoksi. Nykyään on kehitetty reaktoreita, joissa on natrium-, lyijy-vismutti- ja lyijyjäähdytysnesteitä .

Fissiopoikkileikkaus nopean energian alueella ei ylitä 2 barn . Siksi ketjureaktion suorittamiseksi nopeille neutroneille tarvitaan suhteellisen korkea fissioituvan materiaalin ominaistiheys ytimessä verrattuna termisiin neutronireaktoreihin . Tämä pakottaa käyttämään erityisiä suunnitteluratkaisuja, kuten neutroniheijastimia ja suuritiheyksisiä polttoaineita, jotka lisäävät rakentamisen ja käytön kustannuksia. Myös rakennemateriaaleihin kohdistuvat säteilykuormat ovat paljon suuremmat kuin lämpöneutronireaktoreissa.

Yleiseen lämpöreaktoriin verrattuna nopeilla neutronireaktoreilla on useita turvallisuusetuja: reaktorissa ei ole korkeaa painetta, ei käytännössä ole vaaraa jäähdytysnesteen häviämisestä kiehumisen vuoksi, ei ole höyry-zirkoniumin riskiä. reaktio , josta tuli yksi Fukushiman ydinvoimalan räjähdyksen aiheuttajista . Toisaalta suosittu natriumjäähdytysneste reagoi kiivaasti veden kanssa ja palaa ilmassa, mikä tekee vuotoonnettomuuksista vaikeampaa. Siksi ainoan natriumjäähdytteisen sukellusveneen USS Seawolf (SSN-575) 3 vuoden käytön jälkeen tehtiin kielteisiä johtopäätöksiä tämän tyyppisen reaktorin soveltuvuudesta sukellusvenelaivastossa, ja itse sukellusveneen reaktori korvattiin. vesijäähdytteinen , ja natriumjäähdytteistä mallia ei enää käytetty Yhdysvaltain laivastossa, eikä Neuvostoliiton laivastoa käytetty ollenkaan. Neuvostoliiton laivasto oli aseistettu sarjaydinsukellusveneillä, joissa oli lyijy-vismuttijäähdytysreaktori - projekti 705 (K) "Lira" , 7 yksikköä, mutta tähän mennessä ne on myös poistettu käytöstä.

Tämän tyyppisten reaktorien tärkein etu on kyky ottaa polttoainekiertoon sellaisia ​​materiaaleja kuin uraani-238 ja torium -232. Tämä laajentaa merkittävästi ydinvoiman polttoainepohjaa. Lisäksi nämä reaktorit mahdollistavat suhteellisen turvallisesti eroon käytetyn ydinpolttoaineen aktiivisimmista ja pitkäikäisimmistä isotoopeista , mikä vähentää olennaisesti sen biologista vaaraa.

Syyskuussa 2016 venäläiset ydintutkijat testasivat menestyksekkäästi täydellä kapasiteetilla uutta ja maailman tehokkainta voimayksikköä, jossa oli Belojarskin ydinvoimalan nopea neutronireaktori - BN-800 . Yhdessä vuotta aiemmin käynnistetyn MOX-polttoaineen tuotannon kanssa Venäjästä tuli johtaja siirtymässä suljettuun ydinpolttoaineen käyttökiertoon, jonka avulla ihmiskunta voi saada lähes ehtymättömän energiaresurssin ydinjätteen kierrätyksellä, koska perinteinen ydinvoima laitokset käyttävät vain 3 % ydinpolttoaineen energiapotentiaalista [1] .

Nopeat neutronitutkimusreaktorit

Teolliset nopeat neutronireaktorit

Nopeiden neutronireaktorien kaupallisissa malleissa käytetään yleensä nestemäisellä metallilla jäähdytettyjä rakenteita . Yleensä se on joko nestemäistä natriumia tai eutektista metalliseosta (tarkemmin sanottuna nestemäistä seosta) lyijystä ja vismutista . Suolasulat ( uraanifluoridit ) katsottiin myös jäähdytysaineiksi , mutta niiden käyttö tunnustettiin lupaamattomaksi.

Neuvostoliiton ja Venäjän prioriteetti

Kokeelliset nopeat neutronireaktorit ilmestyivät 1950-luvulla. 1960- ja 1980-luvuilla työskenneltiin aktiivisesti teollisten nopeiden neutronireaktorien luomiseksi Neuvostoliitossa , Yhdysvalloissa ja useissa Euroopan maissa. Ensimmäinen teollisuusvoimayksikkö BN-350 nopealla neutronireaktorilla otettiin käyttöön Neuvostoliitossa vuonna 1973, toinen voimayksikkö asennettiin Belojarskin ydinvoimalaan vuonna 1980 ( BN-600 ). Sen jälkeen kun ranskalainen nopea natriumreaktori " Phoenix " (Phénix) suljettiin vuonna 2009, Venäjä pysyi ainoana maana maailmassa, jossa oli käytössä nopeita reaktoreita: BN-600 Belojarskin ydinvoimalan 3. voimayksikössä [2] [3] ja BN-800 Belojarskin ydinvoimalaitoksen 4. metrin voimayksikössä [4] . Jälkimmäinen lanseerattiin 10.12.2015, otettiin kaupalliseen käyttöön vuonna 2016, ja vuonna 2018 se alkoi käyttää Rosatomin kaivos- ja kemiantehtaalla tuotettua MOX - sarjapolttoainetta [5] .

BN-800- reaktoria käytetään useiden ydinpolttoainekierron sulkemistekniikoiden testaamiseen "nopeilla" reaktoreilla, jotka ratkaisevat käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitusongelman . Venäjä on luomassa kaksikomponenttista ydinvoimateollisuutta, joka sisältää lämpö- ja nopeat neutronireaktorit, mikä laajentaa merkittävästi rauhanomaisen atomin polttoainepohjaa ja samalla vähentää radioaktiivisen jätteen määrää "palamisen" takia. vaarallisista radionuklideista. Belojarskin ydinvoimalan yksiköstä 4 on tullut prototyyppi tehokkaammille kaupallisille "nopeille" voimayksiköille BN-1200, joiden rakentamista on suunniteltu 2030-luvulla [5] .

Aasialaiset kokeilut

Aasian maat ( Intia , Japani , Kiina , Etelä - Korea ) ovat kiinnostuneita tähän suuntaan . Intiassa on rakenteilla 500 MW(e) kapasiteetilla toimiva demonstraationopea natriumreaktori PFBR-500, jonka käynnistys ajoitettiin vuonna 2014 [6] , mutta 1.7.2017 reaktoria ei ollut alkoi [7] . Seuraavassa vaiheessa Intia suunnittelee rakentavansa pienen sarjan neljästä saman kapasiteetin nopeasta reaktorista.

8. toukokuuta 2010 Japanissa, vuoden 1995 tulipalon aiheuttaman neljäntoista vuoden tauon jälkeen, jolloin 640 kilogrammaa metallista natriumia vuoti, Monju-reaktori saatettiin kriittiseen tilaan ensimmäistä kertaa . Käynnistys- ja säätötyöt sen käyttöönottamiseksi, joista osa oli sarja kokeellisia reaktoritehoja minimikontrolloidulle tasolle, suunniteltiin valmistuvan vuonna 2013 . Elokuussa 2010 polttoaineen täyttötyön aikana polttoaineen tankkausjärjestelmän solmu kuitenkin murtautui reaktoriastiaan - 12-metrinen metalliputki, joka painoi 3,3 tonnia, joka upposi natriumiin. Melkein välittömästi ilmoitettiin, että säätötöiden jatkamista ja vastaavasti laukaisua lykättiin 1-1,5 vuodella [8] [9] [10] [11] [12] . 27. kesäkuuta 2011 uponnut osa löydettiin Monju-reaktorista. Osan poistamiseksi asiantuntijoiden oli purettava reaktorin yläosa. Kolmen tonnin rakenteen nostaminen pintaan kesti kahdeksan tuntia [13] . "Monjun" näkymät olivat useiden vuosien ajan epämääräiset, rahoitusta ei myönnetty [14] . Joulukuussa 2016 Japanin hallitus päätti poistaa Monjun ydinvoimalan kokonaan käytöstä. Vuonna 2022 on tarkoitus poistaa polttoaine reaktorista ja vuonna 2047 saattaa sen purkaminen päätökseen [15] [16] .

Reaktorit elohopeajäähdytteellä

• Venäjä / Neuvostoliitto
  • BR-2 IPPE , Obninsk , 1956

Mercury vaikutti aluksi lupaavalta jäähdytysnesteeltä. Se on raskasmetalli eikä siksi hidasta neutroneja hyvin . Tällaisen reaktorin spektri on erittäin nopea, ja lisääntymissuhde on korkea. Elohopea  on huoneenlämpötilassa nestettä, mikä yksinkertaistaa suunnittelua (neste-metalli piiriä ei tarvitse lämmittää käynnistystä varten), lisäksi elohopeahöyryä suunniteltiin ohjaamaan suoraan turbiiniin, mikä takasi erittäin korkean tehokkuutta suhteellisen alhaisessa lämpötilassa. BR-2-reaktori, jonka lämpöteho on 100 kW, rakennettiin käsittelemään elohopean jäähdytysnestettä. Reaktori oli kuitenkin toiminnassa alle vuoden. Elohopean suurin haittapuoli oli sen korkea syövyttävä aktiivisuus. Viiden kuukauden ajan elohopea kirjaimellisesti liuotti reaktorin ensimmäisen piirin, vuotoja tapahtui jatkuvasti. Muita elohopean haittoja ovat: myrkyllisyys, korkea hinta, korkea energiankulutus pumppaamiseen. Tämän seurauksena elohopea tunnustettiin taloudellisesti kannattamattomaksi jäähdytysnesteeksi.

BR-2:n ainutlaatuinen ominaisuus oli myös polttoaineen valinta - metallinen plutonium (σ-faasin plutoniumin ja galliumin seos). Uraania käytettiin vain lisääntymisvyöhykkeellä. [17] [18]

Luettelo reaktoreista

Nopeat reaktorit rakenteilla ja ennustetaan

Katso myös

• Kasvattajareaktori
• Terminen neutronireaktori
• Liikkuvan aallon reaktori
• MOX polttoaine

Muistiinpanot

1. ↑ 1 2 Venäjä ottaa seuraavat askeleet siirtyäkseen suljettuun ydinpolttoainekiertoon . Rosatomin virallinen verkkosivusto . www.rosatominternational.com (29. marraskuuta 2016). Haettu 17. joulukuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 17. joulukuuta 2019. (määrätön)
2. ↑ :: Ydinpolttoaine BN-600-reaktoriin (pääsemätön linkki) . Haettu 23. kesäkuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 14. maaliskuuta 2010. (määrätön) 
3. ↑ Rosatom State Corporation "Rosatom" ydinteknologiat ydinvoimat ydinvoimalat ydinlääketiede . Haettu 23. kesäkuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 14. kesäkuuta 2010. (määrätön)
4. ↑ BN-800-reaktori käynnistettiin . mining24.ru Haettu 23. joulukuuta 2015. Arkistoitu alkuperäisestä 23. joulukuuta 2015. (Venäjän kieli)
5. ↑ 1 2 Asiantuntija: Rosatom on ottanut askeleen kohti tulevaisuuden energiateknologioiden hallintaa . RIA Novosti (27. elokuuta 2019). Haettu 17. joulukuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 3. joulukuuta 2019. (Venäjän kieli)
6. ↑ PFBR-500:n fyysinen julkaisu tapahtuu syyskuussa 2014 . ATOMINFO.RU (28. heinäkuuta 2013). Haettu 15. kesäkuuta 2014. Arkistoitu alkuperäisestä 11. syyskuuta 2013. (määrätön)
7. ↑ PFBR-500:n julkaisua lykätty määräämättömäksi ajaksi . ATOMINFO.RU (1. heinäkuuta 2017). Haettu: 1.7.2017. (määrätön)
8. ↑ Monju saavutti 0,03% par-arvosta . AtomInfo.Ru (9. toukokuuta 2010). Käyttöpäivä: 30. tammikuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 24. huhtikuuta 2013. (määrätön)
9. ↑ Yksi polttoaineen tankkausjärjestelmän solmuista romahti Monjun reaktoriastian sisään . AtomInfo.Ru (30. elokuuta 2010). Käyttöpäivä: 30. tammikuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 3. heinäkuuta 2011. (määrätön)
10. ↑ Japanissa julkaistut valokuvat ja kaavio Monjun ydinvoimalaitoksen 26. elokuuta tapahtuneesta tapahtumasta . AtomInfo.Ru (11. syyskuuta 2010). Käyttöpäivä: 30. tammikuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 1. joulukuuta 2012. (määrätön)
11. ↑ Putkea ei ole mahdollista irrottaa Monjun rungosta tavanomaisin menetelmin . AtomInfo.Ru (10. marraskuuta 2010). Käyttöpäivä: 30. tammikuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 2. elokuuta 2011. (määrätön)
12. ↑ Japanilaiset suunnittelevat laitetta rikkoutuneen putken nostamiseksi Monjussa . AtomInfo.Ru (8. helmikuuta 2011). Käyttöpäivä: 30. tammikuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 24. huhtikuuta 2013. (määrätön)
13. ↑ Asiantuntijat saivat talteen kolmen tonnin osan Japanista Monju-reaktorista, joka putosi sinne vuonna 2010 . AtomInfo.Ru (27. kesäkuuta 2011). Arkistoitu alkuperäisestä 24. huhtikuuta 2013. (määrätön)
14. ↑ Japanin Monju-reaktorin pilottilaukaisu järjestetään vasta keväällä 2013 | Taloudellinen tekijä | Ekologia
15. ↑ Japani myönsi, että nopealla neutronireaktorilla varustetun ydinvoimalan käynnistäminen on mahdotonta . Arkistoitu alkuperäisestä 8. tammikuuta 2017. Haettu 7. tammikuuta 2017.
16. ↑ Monjun prototyyppireaktori, joka oli aikoinaan Japanin ydinenergiapolitiikan avainpyörä, romutetaan  , The Japan Times Online  (21. joulukuuta 2016). Arkistoitu alkuperäisestä 7. tammikuuta 2017. Haettu 7. tammikuuta 2017.
17. ↑ Lev Kochetkov: elohopeesta natriumiin, BR-1:stä BN-600:aan . Käyttöpäivä: 29. heinäkuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 24. huhtikuuta 2013. (määrätön)
18. ↑ Juri Bagdasarov: legendoista, elohopeasta ja natriumista . Haettu 29. heinäkuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 11. kesäkuuta 2012. (määrätön)
19. ↑ Nopeiden neutronien ydinvoimala suljetaan pysyvästi Japanissa . Lämpövoimalaitokset ja ydinvoimalaitokset (10.2.2014). Haettu 24. lokakuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 25. lokakuuta 2016. (määrätön)

Kirjallisuus

• Levin VE Ydinfysiikka ja ydinreaktorit. 4. painos - M.: Atomizdat , 1979.
• Petunin V.P. Ydinlaitosten lämpövoimatekniikka M.: Atomizdat , 1960.
• Klimov A. N. Ydinfysiikka ja ydinreaktorit. 2. painos Moskova: Energoatomizdat , 1985.

Linkit

• Nopeat neutronireaktorit // WNA, 2013-03-15
• TRENDIT JA KEHITYS NOPEILLE NEUTRONIREAKTORILLE JA NIIHIN NIIHIN POLTTOAINEKIERTOILLE // IAEA, 2013

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Britannica (verkossa)
Bibliografisissa luetteloissa	BNF : 11981271t J9U : 987007567828705171 LCCN : sh85047399 NDL : 01182440