Sodíkem chlazený rychlý reaktor - Sodium-cooled fast reactor

Sodíkem chlazený rychlý reaktor (SFR)

A sodíkem chlazený rychlý reaktor je rychlý neutronový reaktor chlazený kapalinou sodík.

Zkratka SFR zvláště se týká dvou Reaktor IV. Generace návrhy založené na existujících reaktor chlazený tekutým kovem (LMFR) využívající technologii směsné oxidové palivo (MOX), druhý na základě kovového paliva integrovaný rychlý reaktor.

Bylo vyrobeno několik sodíkem chlazených rychlých reaktorů, některé jsou stále v provozu a jiné jsou v plánování nebo ve výstavbě. Bill Gates ' TerraPower plánuje postavit vlastní pojmenované reaktory Natrium.[1]

Palivový cyklus

The jaderný palivový cyklus zaměstnává plný aktinid recyklujte se dvěma hlavními možnostmi: Jednou je sodíkem chlazený reaktor střední velikosti (150–600 MWe) s uran -plutonium -minor-aktinid-zirkonium palivo ze slitin kovů, podporované palivovým cyklem založeným na pyrometalurgické přepracování v zařízeních integrovaných do reaktoru. Druhým je středně velký až velký (500–1500 MWe) sodíkem chlazený reaktor se směsným palivem oxidu uran-plutonium, podporovaný palivovým cyklem založeným na pokročilém vodném zpracování v centrálním místě obsluhujícím řadu reaktorů. Výstupní teplota je u obou přibližně 510–550 stupňů Celsia.

Sodík jako chladivo

Jako výhradní chladivo lze použít tekutý kovový sodík, který přenáší teplo z jádra. Sodík má pouze jeden stabilní izotop, sodík-23. Sodík-23 je velmi slabý absorbér neutronů. Když absorbuje neutron, který produkuje sodík-24, který má poločas 15 hodin a rozpadá se na hořčík-24, stabilní izotop.

Typ bazénu nebo smyčky

Schematické znázornění rozdílu mezi návrhem Loop a Pool a rychlý množitelský reaktor z tekutého kovu

U sodíkem chlazených reaktorů existují dva hlavní koncepční přístupy.

V typ bazénu, je primární chladivo zcela obsaženo v hlavní nádobě reaktoru, která tedy zahrnuje nejen jádro reaktoru, ale také výměník tepla. Spojené státy EBR-2, Francouzsky Phénix a další použili tento přístup a používají ho indičtí Prototypový rychlý šlechtitelský reaktor a Čína CFR-600.

V typ smyčky, tepelné výměníky jsou vně nádrže reaktoru. Francouzi Rapsodie Britové Prototypový rychlý reaktor a další použili tento přístup.

Výhody

Hlavní výhodou kapalných kovových chladicích kapalin, jako jsou kapaliny sodík, je, že atomy kovů jsou slabé neutron moderátoři. Voda je mnohem silnější moderátor neutronů protože atomy vodíku se nacházejí v voda jsou mnohem lehčí než atomy kovů, a proto neutrony ztrácejí více energie kolize s atomy vodíku. To ztěžuje použití vody jako chladiva pro rychlý reaktor, protože voda má tendenci zpomalovat (umírňovat) rychlé neutrony na tepelné neutrony (i když koncepty pro reaktory se sníženou mírou moderace Další výhodou kapalného chladiva sodíku je to, že se sodík taje při 371 K a vaří / odpařuje se při 1156 K, což je celkový teplotní rozsah 785 K mezi pevným / zmrazeným a plynným / parním stavem. Pro srovnání, teplotní rozsah kapaliny vody (mezi ledem a plynem) je pouze 100 K za normálních podmínek atmosférického tlaku na úrovni moře. I přes nízké měrné teplo sodíku (ve srovnání s vodou) to umožňuje absorpci významného tepla v kapalné fázi, dokonce s ohledem na bezpečnostní rezervy. Kromě toho vysoká tepelná vodivost sodíku účinně vytváří rezervoár tepelná kapacita která poskytuje tepelnou setrvačnost proti přehřátí.[2] Sodík také nemusí být pod tlakem, protože jeho bod varu je mnohem vyšší než v reaktoru Provozní teplota a sodík nekoroduje části ocelového reaktoru.[2] Vysoké teploty dosahované chladicí kapalinou ( Phénix teplota na výstupu z reaktoru byla 560 ° C), což umožňuje vyšší termodynamická účinnost než ve vodou chlazených reaktorech.[3] Roztavený sodík, který je elektricky vodivý, může být také čerpán elektromagnetická čerpadla.[3]

Nevýhody

Nevýhodou sodíku je jeho chemická reaktivita, která vyžaduje zvláštní opatření k prevenci a potlačení požárů. Pokud sodík přijde do styku s vodou, reaguje za vzniku hydroxidu sodného a vodíku a vodík hoří při kontaktu se vzduchem. Tak tomu bylo v případě Jaderná elektrárna Monju při nehodě z roku 1995. Neutrony navíc způsobují, že se stává radioaktivní; nicméně, aktivován sodík má poločas pouze 15 hodin.[2]

Dalším problémem jsou úniky sodíku, které kritik rychlých reaktorů považuje M.V. Ramana jako „téměř nemožné zabránit“.[4]

Cíle designu

Aktinidy a štěpné produkty do poločasu rozpadu
Aktinidy[5] podle řetěz rozpaduPoločas rozpadu
rozsah (A )		Štěpné produkty z 235U podle výtěžek[6]
4n4n+14n+24n+3
4.5–7%0.04–1.25%<0.001%
228Ra№4–6 a†155Euþ
244Cmƒ241Puƒ250Srov227Ac№10–29 a90Sr85Kr113 mCDþ
232Uƒ238Puƒ243Cmƒ29–97 a137Čs151Smþ121 mSn
248Bk[7]249Srovƒ242 mDopoledneƒ141–351 a

Žádné štěpné produkty
mít poločas
v rozsahu
100–210 ka ...

241Dopoledneƒ251Srovƒ[8]430–900 a
226Ra№247Bk1,3–1,6 ka
240Pu229Čt246Cmƒ243Dopoledneƒ4,7–7,4 ka
245Cmƒ250Cm8,3–8,5 ka
239Puƒ24,1 ka
230Čt№231Pa№32–76 ka
236Npƒ233Uƒ234U№150–250 ka‡99Tc₡126Sn
248Cm242Pu327–375 ka79Se₡
1,53 Ma93Zr
237Npƒ2,1–6,5 Ma135Čs₡107Pd
236U247Cmƒ15–24 Ma129Já₡
244Pu80 Ma

... ani za 15,7 Ma[9]

232Čt№238U№235Uƒ č0,7–14,1 Ga

Legenda pro symboly horního indexu
₡ má termální zachycení neutronů průřez v rozmezí 8–50 stodol
ƒ štěpitelný
m metastabilní izomer
№ primárně a přirozeně se vyskytující radioaktivní materiál (NORMA)
þ neutronový jed (průřez zachycení tepelných neutronů větší než 3k stodoly)
† rozsah 4–97 a: Produkt štěpení se středně dlouhou životností
‡ nad 200 ka: Produkt štěpení s dlouhou životností

Provozní teplota by neměla překročit teplotu tání paliva. Musí být navržena chemická interakce mezi palivem a obkladem (FCCI). FCCI je eutektický tání mezi palivem a obkladem; uran, plutonium a lanthan (A štěpný produkt ) interdifundují se železem obkladu. Slitina, která se tvoří, má nízkou eutektickou teplotu tání. FCCI způsobuje snížení pevnosti pláště a mohlo by nakonec prasknout. Množství transuranové transmutace je omezeno produkcí plutonia z uranu. Bylo navrženo konstrukční řešení, které má inertní matici. Hořčík oxid byl navržen jako inertní matrice. Oxid hořečnatý má o řád menší pravděpodobnost interakce s neutrony (tepelnými a rychlými) než prvky jako železo.[10]

SFR je určen pro nakládání s odpady na vysoké úrovni a zejména pro nakládání s plutoniem a jinými aktinidy. Mezi důležité bezpečnostní prvky systému patří dlouhá doba tepelné odezvy, velká rezerva varu chladicí kapaliny, primární systém pracující blízko atmosférického tlaku a přechodný sodíkový systém mezi radioaktivním sodíkem v primárním systému a vodou a párou v elektrárně . S inovacemi na snížení kapitálových nákladů, jako je modulární konstrukce, odstranění primární smyčky, integrace čerpadla a mezilehlého výměníku tepla nebo jednoduše hledání lepších materiálů pro stavbu, může být SFR životaschopnou technologií pro výrobu elektřiny.[11]

Rychlé spektrum SFR také umožňuje používat dostupné štěpné a úrodné materiály (včetně ochuzený uran ) podstatně účinněji než reaktory s tepelným spektrem s jednorázovými palivovými cykly.

Reaktory

Sodíkem chlazené reaktory zahrnovaly:

ModelkaZeměTepelný výkon (MW)Elektrická energie (MW)Rok provizeRok vyřazení z provozuPoznámky
BN-350 Sovětský svaz13519731999Byl použit k napájení zařízení na odsolování vody.
BN-600 Sovětský svaz14706001980ProvozníSpolu s BN-800, jedním z pouhých dvou komerčních rychlých reaktorů na světě.
BN-800 Sovětský svaz / Rusko21008802015ProvozníSpolu s BN-600, jedním z pouhých dvou komerčních rychlých reaktorů na světě.
BN-1200 Rusko290012202036Dosud nezkonstruovánoVe vývoji. Jako model pro export bude následovat BN-1200M.
CEFR Čína65202012Provozní
CRBRP Spojené státy1000350Nikdy postavenýNikdy postavený
EBR-1 Spojené státy1.40.219501964
EBR-2 Spojené státy62.52019651994
Fermi 1 Spojené státy2006919631975
Experiment sodíkového reaktoru Spojené státy206519571964
S1G Spojené státyNámořní reaktory Spojených států
S2G Spojené státyNámořní reaktory Spojených států
PFR Spojené království50025019741994
FBTR Indie4013.21985Provozní
PFBR Indie5002020Ve výstavběVe výstavbě
Monju Japonsko7142801995/20102010Pozastaveno na 15 let. Znovu aktivováno v roce 2010, poté trvale uzavřeno
Jojo Japonsko1501971Provozní
SNR-300 Německo32719851991
Rapsodie Francie402419671983
Phénix Francie59025019732010
Superphénix Francie3000124219861997Největší SFR, jaký byl kdy vyroben. Během jeho výstavby utrpěl teroristický útok.

Většina z nich byla experimentální zařízení, která již nejsou v provozu. 30. listopadu 2019 CTV uvedli, že 3 kanadské provincie New Brunswick, Ontario a Saskatchewan plánují oznámení o interprovinčním plánu spolupráce na malých sodíkových rychlých modulárních jaderných reaktorech z ARC Nuclear Canada se sídlem v New Brunswick.[12]

Příbuzný:

Viz také

Reference

  1. ^ https://www.reuters.com/article/us-usa-nuclearpower-terrapower/bill-gates-nuclear-venture-plans-reactor-to-complement-solar-wind-power-boom-idUSKBN25N2U8
  2. ^ A b C Fanning, Thomas H. (3. května 2007). „Sodík jako chladivo pro rychlý reaktor“ (PDF). Série tematických seminářů o sodíkových rychlých reaktorech. Division Nuclear Engineering Division, US Nuclear Regulatory Commission, US Department of Energy. Archivovány od originál (PDF) 13. ledna 2013.
  3. ^ A b Bonin, Bernhard; Klein, Etienne (2012). Le nucléaire expliqué par des physiciens.
  4. ^ Martin, Richard (2015-10-21). „TerraPower tiše zkoumá novou strategii jaderných reaktorů“. Recenze technologie. Citováno 2020-09-20. „Problémem sodíku je, že bylo téměř nemožné zabránit únikům,“ říká jaderný fyzik M.V. Ramana, přednášející na programu Princeton University pro vědu a globální bezpečnost a laboratoř jaderné budoucnosti.
  5. ^ Plus radium (prvek 88). Ve skutečnosti je to subaktinid, který bezprostředně předchází aktinium (89) a sleduje tříprvkovou mezeru nestability po polonium (84) kde žádné nuklidy nemají poločasy nejméně čtyř let (nejdelší nuklid v mezeře je radon-222 s poločasem rozpadu menším než čtyři dnů). Nejdelší izotop Radia, 1600 let, si tedy zaslouží začlenění prvku zde.
  6. ^ Konkrétně od tepelný neutron štěpení U-235, např. v typickém nukleární reaktor.
  7. ^ Milsted, J .; Friedman, A. M .; Stevens, C. M. (1965). „Alfa poločas rozpadu berkelium-247; nový izomer berkelia-248 s dlouhým poločasem rozpadu.“ Nukleární fyzika. 71 (2): 299. Bibcode:1965NucPh..71..299M. doi:10.1016/0029-5582(65)90719-4.
    „Izotopové analýzy odhalily druh s hmotností 248 v konstantním množství ve třech vzorcích analyzovaných po dobu asi 10 měsíců. Toto bylo připisováno izomeru Bk248 s poločasem rozpadu větším než 9 [let]. Žádný růst srov248 byla detekována a dolní mez pro β− poločas lze nastavit na přibližně 104 [roky]. Nebyla detekována žádná alfa aktivita, kterou lze přičíst novému izomeru; poločas alfa je pravděpodobně větší než 300 [let]. “
  8. ^ Toto je nejtěžší nuklid s poločasem rozpadu nejméně čtyři roky předMoře nestability ".
  9. ^ Vyjma těchto “klasicky stabilní "nuklidy s poločasy významně převyšujícími 232Th; např. zatímco 113 mCd má poločas pouze čtrnáct let, tedy 113Cd je téměř osm kvadrilion let.
  10. ^ Bays SE, Ferrer RM, Pope MA, Forget B (únor 2008). „Neutronické hodnocení transmutačních cílových kompozic v heterogenních geometriích sodíkových rychlých reaktorů“ (PDF). Idaho National Laboratory, americké ministerstvo energetiky. INL / EXT-07-13643 rev. 1. Archivováno od originál (PDF) dne 2012-02-12.
  11. ^ Lineberry MJ, Allen TR (říjen 2002). „Sodium-Cooled Fast Reactor (SFR)“ (PDF). Argonne National Laboratory, Americké ministerstvo energetiky. ANL / NT / CP-108933.
  12. ^ https://www.ctvnews.ca/politics/three-premiers-plan-to-fight-climate-change-by-investing-in-small-nuclear-reactors-1.4709865

externí odkazy