Yetiştirici reaktörü - Breeder reactor

Meclisi çekirdeğinin Deneysel Damızlık Reaktör I in Idaho , Amerika Birleşik Devletleri 1951,

Bir besleyici reaktör a, bir nükleer reaktör daha oluşturur parçalanabilir malzemeyi bu daha tüketir . Yetiştirici reaktörler bunu başarırlar, çünkü nötron ekonomileri , reaktöre bölünebilir yakıtla birlikte yüklenen uranyum-238 veya toryum-232 gibi verimli bir malzemenin ışınlanmasıyla kullandıklarından daha fazla bölünebilir yakıt üretecek kadar yüksektir . Yetiştiriciler, hafif su reaktörlerinden daha eksiksiz uranyum yakıtı kullandıkları için ilk başta çekici bulundular , ancak 1960'lardan sonra daha fazla uranyum rezervi bulunduğundan ve yeni uranyum zenginleştirme yöntemleri yakıt maliyetlerini azalttıkça ilgi azaldı.

Yakıt verimliliği ve nükleer atık türleri

Damızlık reaktörleri, prensip olarak, uranyum veya toryumda bulunan enerjinin neredeyse tamamını çıkarabilir ve uranyumdaki enerjinin %1'inden daha azını çeken yaygın olarak kullanılan tek geçişli hafif su reaktörlerine kıyasla yakıt gereksinimlerini 100 kat azaltır. topraktan çıkarıldı. Yetiştirici reaktörlerin yüksek yakıt verimliliği, yakıt tedariği, madencilikte kullanılan enerji ve radyoaktif atıkların depolanması ile ilgili endişeleri büyük ölçüde azaltabilir. Taraftarlar, deniz suyu uranyum ekstraksiyonu ile , 1983'ün toplam enerji tüketim oranında 5 milyar yıl boyunca enerji ihtiyacımızı karşılamak için ıslah reaktörleri için yeterli yakıt olacağını ve böylece nükleer enerjiyi etkin bir şekilde yenilenebilir bir enerji haline getireceğini iddia ediyorlar .

Nükleer atık 1990'larda daha büyük bir endişe haline geldi. Geniş anlamda, kullanılmış nükleer yakıtın iki ana bileşeni vardır. Birincisi , enerjiyi serbest bırakmak için ayrıldıktan sonra yakıt atomlarının arta kalan parçaları olan fisyon ürünlerinden oluşur . Fisyon ürünleri, hepsi uranyumdan daha hafif olan düzinelerce element ve yüzlerce izotop halinde gelir. Kullanılmış yakıtın ikinci ana bileşeni, nötronları emdiklerinde yakıttaki uranyumdan veya daha ağır atomlardan üretilen ancak fisyona uğramayan transuraniklerdir (uranyumdan daha ağır atomlar). Tüm transuranik izotoplar , periyodik tablodaki aktinit serisi içinde yer alır ve bu nedenle sıklıkla aktinit olarak adlandırılırlar.

Fisyon ürünlerinin fiziksel davranışı, transuraniklerinkinden belirgin şekilde farklıdır. Özellikle, fisyon ürünleri kendi başlarına fisyona uğramazlar ve bu nedenle nükleer silahlar için kullanılamazlar. Ayrıca, yalnızca yedi uzun ömürlü fisyon ürünü izotopunun yarılanma ömrü yüz yıldan uzundur, bu da onların jeolojik depolanmasını veya bertaraf edilmesini transuranik malzemelere göre daha az sorunlu hale getirir.

Nükleer atıklarla ilgili artan endişelerle birlikte, aktinit atıklarını, özellikle plütonyum ve küçük aktinitleri azaltabildikleri için, üreme yakıt döngüleri yeniden ilgi çekici hale geldi . Damızlık reaktörleri, aktinit atıklarını yakıt olarak parçalamak ve böylece onları daha fazla fisyon ürününe dönüştürmek için tasarlanmıştır.

Sonra nükleer yakıt hafif bir su reaktörden çıkarılır, farklı bir hızda, her nüklid bozunur gibi kompleks bozunma profil maruz kalır. Aşağıda atıfta bulunulan bir fiziksel tuhaflık nedeniyle, transuranik izotoplara kıyasla fisyon ürünlerinin bozunma yarı ömürlerinde büyük bir boşluk vardır. Transuranikler kullanılmış yakıtta bırakılırsa, 1000 ila 100.000 yıl sonra, bu transuraniklerin yavaş çürümesi, kullanılmış yakıttaki radyoaktivitenin çoğunu üretecektir. Böylece, transuraniklerin atıklardan uzaklaştırılması, kullanılmış nükleer yakıtın uzun vadeli radyoaktivitesinin çoğunu ortadan kaldırır.

Günümüzün ticari hafif su reaktörleri, çoğunlukla plütonyum formunda, bazı yeni bölünebilir malzemeler üretiyor. Ticari reaktörler damızlık olarak tasarlanmıştır hiçbir zaman olduğundan, yeterince dönüştürmeyin uranyum-238 içine plütonyum yerine uranyum-235 tükettiler. Bununla birlikte, ticari nükleer reaktörler tarafından üretilen gücün en az üçte biri, yakıt içinde üretilen plütonyumun fisyonundan gelir. Bu plütonyum tüketimi seviyesinde bile, hafif su reaktörleri ürettikleri plütonyum ve minör aktinitlerin yalnızca bir kısmını tüketir ve önemli miktarlarda diğer küçük aktinitlerle birlikte bölünmeyen plütonyum izotopları oluşur .

Dönüşüm oranı, başa baş, üreme oranı, ikiye katlama süresi ve tükenmişlik

Bir reaktörün performansının bir ölçüsü, üretilen yeni bölünebilir atomların tüketilen bölünebilir atomlara oranı olarak tanımlanan "dönüşüm oranı"dır . Özel olarak tasarlanmış ve çalıştırılan aktinit brülörleri dışında önerilen tüm nükleer reaktörler bir dereceye kadar dönüşüm yaşar. Reaktörün nötron akışı içinde herhangi bir miktarda verimli malzeme olduğu sürece , her zaman bazı yeni bölünebilir malzemeler yaratılır. Dönüşüm oranı 1'den büyük olduğunda, genellikle "üreme oranı" olarak adlandırılır.

Örneğin, yaygın olarak kullanılan hafif su reaktörleri, yaklaşık 0,6'lık bir dönüşüm oranına sahiptir. Doğal uranyum üzerinde çalışan basınçlı ağır su reaktörleri ( PHWR ) 0,8'lik bir dönüşüm oranına sahiptir. Yetiştirici bir reaktörde, dönüşüm oranı 1'den yüksektir. Dönüşüm oranı 1.0'a ulaştığında ve reaktör kullandığı kadar bölünebilir malzeme ürettiğinde "başabaş" elde edilir.

İki katına çıkma süresi , bir damızlık reaktörün orijinal yakıtın yerini alacak kadar yeni bölünebilir malzeme üretmesi ve ek olarak başka bir nükleer reaktör için eşdeğer miktarda yakıt üretmesi için gereken süredir. Bu, uranyumun kıt olduğu düşünülen ilk yıllarda damızlık performansının önemli bir ölçüsü olarak kabul edildi. Bununla birlikte, nükleer reaktör geliştirmenin ilk günlerinde uranyum düşünülenden daha bol olduğundan ve kullanılmış reaktör yakıtında bulunan plütonyum miktarı göz önüne alındığında, modern damızlık reaktör tasarımında iki katına çıkma süresi daha az önemli bir ölçü haline geldi.

" Yanma ", yakıtta belirli bir ağır metal kütlesinden ne kadar enerji çıkarıldığının bir ölçüsüdür ve genellikle (güç reaktörleri için) bir ton ağır metal başına gigawatt-gün olarak ifade edilir. Yanma, bir fisyon reaktörü tarafından üretilen izotopların türlerini ve bolluklarını belirlemede önemli bir faktördür. Yetiştirici reaktörler, tasarım gereği, geleneksel bir reaktöre kıyasla son derece yüksek yanmaya sahiptir, çünkü damızlık reaktörler, atığının çok daha fazlasını fisyon ürünleri şeklinde üretirken, aktinitlerin çoğu veya tamamı fisyona uğramak ve yok edilmek içindir.

Geçmişte, ıslahçı-reaktör geliştirme , toryum yakıtı ile çalışan ve geleneksel hafif su ile soğutulan Shippingport Reaktörü için 1.01'den Sovyet BN-350 sıvı metal soğutmalı reaktör için 1.2'nin üzerine kadar düşük üreme oranlarına sahip reaktörlere odaklandı . Yakıt elemanlarının ("kabuk içinde boru" yapısı) içindeki tüplerden akan sıvı sodyum soğutucuya sahip yetiştiricilerin teorik modelleri, endüstriyel ölçekte en az 1.8'lik üreme oranlarının mümkün olduğunu öne sürmektedir. Sovyet BR-1 test reaktörü, ticari olmayan koşullar altında 2.5'lik bir üreme oranına ulaştı.

Damızlık reaktör türleri

Nötron yakalama ve bozunma yoluyla mevcut termal-nötron fisyon reaktörlerinde ağır transuranik aktinitlerin üretimi. Uranyum-238'den başlayarak, plütonyum, amerikyum ve curium izotoplarının tümü üretilir. Hızlı bir nötron-üretici reaktörde, tüm bu izotoplar yakıt olarak yakılabilir.

Birçok türde damızlık reaktörü mümkündür:

Bir 'yetiştirici' basitçe, 1.0'dan daha yüksek bir dönüşüm oranı ile çok yüksek nötron ekonomisi için tasarlanmış bir reaktördür. Prensip olarak, hemen hemen her reaktör tasarımı, yetiştirici olmak için ince ayar yapılabilir. Bu sürecin bir örneği, çok yoğun bir şekilde ılımlı bir termal tasarım olan Hafif Su Reaktörünün, nötron ekonomisini üremeye izin verecek kadar yüksek bir seviyeye çıkarmak için son derece düşük yoğunluklu bir süper kritik formda hafif su kullanarak Süper Hızlı Reaktör konseptine evrimidir .

Su soğutmalı dışında, şu anda mümkün olduğu düşünülen birçok başka türde damızlık reaktörü vardır. Bunlar , birçok varyasyonda erimiş tuz soğutmalı , gaz soğutmalı ve sıvı metal soğutmalı tasarımları içerir. Bu temel tasarım türlerinin hemen hemen her biri, uranyum, plütonyum, birçok küçük aktinit veya toryum tarafından beslenebilir ve daha fazla bölünebilir yakıt, uzun vadeli kararlı durum çalışması veya aktif yanma gibi birçok farklı amaç için tasarlanabilir. nükleer atıkların

Mevcut reaktör tasarımları bazen nötron spektrumlarına dayalı olarak iki geniş kategoriye ayrılır; bu kategoriler genellikle esas olarak uranyum ve transuranik kullanmak üzere tasarlananları toryum kullanmak ve transuranikten kaçınmak için tasarlananlardan ayırır. Bu tasarımlar:

• Bölünebilir plütonyum ve verimli uranyum-238'den muhtemelen daha yüksek transuranikler üretmek için hızlı (yani, denetlenmemiş) nötronlar kullanan hızlı üreme reaktörü (FBR). Hızlı spektrum, istenirse toryumdan bölünebilir uranyum-233 üretebilecek kadar esnektir.
• Toryumdan bölünebilir uranyum-233 ( toryum yakıt döngüsü ) üretmek için termal spektrumlu (yani ılımlı) nötronları kullanan termal üreme reaktörü . Çeşitli nükleer yakıtların davranışından dolayı, bir termal yetiştiricinin ticari olarak yalnızca toryum yakıtı ile mümkün olduğu düşünülmektedir, bu da daha ağır transuraniklerin birikmesini önler.

Yeniden işleme

Nükleer yakıtın herhangi bir reaktörde bölünmesi , nötron emici fisyon ürünleri üretir . Bu kaçınılmaz fiziksel süreç nedeniyle, bu nötron zehirlerini gidermek için verimli materyali bir üreme reaktöründen yeniden işlemek gerekir . Bu adım, tüketilenden daha fazla veya daha fazla yakıt üretme yeteneğinden tam olarak yararlanmak için gereklidir. Tüm yeniden işleme, kullanılmış yakıttan silahlarda kullanılabilecek materyali çıkardığı için bir çoğalma endişesi sunabilir . En yaygın yeniden işleme tekniği olan PUREX , saf plütonyumu ayırmak için açıkça tasarlandığından özel bir endişe sunar. Yetiştirici-reaktör yakıt döngüsü için erken öneriler, nükleer silahlarda kullanım için oldukça çekici bir izotopik formda plütonyumu ayırmak için PUREX kullanacakları için daha da büyük bir çoğalma endişesi yarattı.

Birkaç ülke, plütonyumu diğer aktinitlerden ayırmayan yeniden işleme yöntemleri geliştiriyor. Örneğin, su bazlı olmayan pirometalurjik elektrokazanma işlemi, entegre bir hızlı reaktörden gelen yakıtı yeniden işlemek için kullanıldığında , reaktör yakıtında büyük miktarlarda radyoaktif aktinit bırakır. Daha geleneksel su bazlı yeniden işleme sistemleri SANEX, UNEX, DIAMEX, COEX ve TRUEX'i ve PUREX'i ortak süreçlerle birleştirme önerilerini içerir.

Tüm bu sistemler, benimsenme oranları düşük olsa da, PUREX'ten biraz daha iyi çoğalma direncine sahiptir.

Toryum döngüsünde, toryum-232 önce protaktinyum-233'e dönüşerek ürer, sonra uranyum-233'e bozunur. Protaktinyum reaktörde kalırsa , bozunma zincirinde güçlü gama yayıcı talyum-208 bulunan küçük miktarlarda uranyum-232 de üretilir . Uranyum yakıtlı tasarımlara benzer şekilde, yakıt ve verimli malzeme reaktörde ne kadar uzun süre kalırsa, bu istenmeyen elementlerin sayısı o kadar artar. Öngörülen ticari toryum reaktörlerinde , yüksek seviyelerde uranyum-232'nin birikmesine izin verilecek ve bu da toryumdan türetilen herhangi bir uranyumdan aşırı yüksek gama radyasyon dozlarına yol açacaktır. Bu gama ışınları, bir silahın güvenli kullanımını ve elektronik aksamının tasarımını zorlaştırır; bu, uranyum-233'ün neden kavram kanıtı gösterilerinin ötesinde silahlar için asla takip edilmediğini açıklıyor.

Toryum döngüsü, yakıttan uranyum-233 ekstraksiyonu ile ilgili olarak (uranyum-232'nin varlığı nedeniyle) çoğalmaya dirençli olsa da, protaktinyumun kimyasal olarak ekstrakte edilmesini içeren alternatif bir uranyum-233 ekstraksiyonu yolundan bir çoğalma riski oluşturur. 233 ve reaktörün dışında saf uranyum-233'e bozunmasına izin verilmesi. Bu süreç, Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı (IAEA) gibi kuruluşların gözetiminin ötesinde gerçekleşebilir.

Atık azaltma

Nükleer atık 1990'larda daha büyük bir endişe haline geldi. Yetiştirme yakıt çevrimleri, aktinit atıklarını, özellikle plütonyum ve küçük aktinitleri azaltma potansiyelleri nedeniyle yeniden ilgi gördü. Kapalı bir yakıt döngüsündeki üreme reaktörleri, kendilerine beslenen aktinitlerin neredeyse tamamını yakıt olarak kullanacağından, yakıt gereksinimleri yaklaşık 100 kat azalacaktır. Ürettikleri atık hacmi ise yaklaşık 100 kat azalacaktır. kuyu. Damızlık reaktörden kaynaklanan atık hacminde büyük bir azalma olsa da, atığın aktivitesi hafif su reaktörünün ürettiği ile yaklaşık olarak aynıdır.

Ek olarak, damızlık reaktörden çıkan atık, farklı malzemelerden oluştuğu için farklı bir bozunma davranışına sahiptir. Yetiştirici reaktör atığı çoğunlukla fisyon ürünleridir, hafif su reaktör atığı ise büyük miktarda transuranik içerir. Sonra kullanılmış nükleer yakıt daha uzun 100.000 yıldır hafif su reaktörünün çıkarıldığını, bu transuranics radyoaktivite ana kaynağı olacak. Bunları ortadan kaldırmak, kullanılmış yakıttan gelen uzun vadeli radyoaktivitenin çoğunu ortadan kaldıracaktır.

Prensip olarak, yetiştirici yakıt çevrimleri, yalnızca fisyon ürünleri bırakarak tüm aktinitleri geri dönüştürebilir ve tüketebilir . Bu bölümdeki grafiğin gösterdiği gibi, fisyon ürünlerinin toplam yarı ömürlerinde özel bir 'boşluk' vardır, öyle ki hiçbir fisyon ürününün yarı ömrü 91 yıl ile iki yüz bin yıl arasında değildir. Bu fiziksel tuhaflığın bir sonucu olarak, birkaç yüz yıllık depolamadan sonra, Hızlı Yetiştirici Reaktörden gelen radyoaktif atıkların aktivitesi hızla uzun ömürlü fisyon ürünlerinin düşük seviyesine düşecektir . Bununla birlikte, bu faydayı elde etmek için, transuraniklerin kullanılmış yakıttan oldukça verimli bir şekilde ayrılmasını gerektirir. Kullanılan yakıt yeniden işleme yöntemleri, nihai atık akışında transuraniklerin büyük bir bölümünü bırakırsa, bu avantaj büyük ölçüde azaltılacaktır.

Her iki üreme döngüsü türü de aktinit atıklarını azaltabilir:

• Hızlı üretken reaktör 's hızlı nötronlar fizyon aktinid çekirdekler proton ve nötron hem çift sayılı sahip olabilir. Bu tür çekirdekler genellikle LWR'lerde kullanılan bölünebilir yakıtların düşük hızlı " termal nötron " rezonanslarından yoksundur .
• Toryum yakıt döngüsü doğal ağır aktinidler düşük seviyelerde üretir. Toryum yakıt döngüsündeki verimli malzemenin atom ağırlığı 232 iken, uranyum yakıt döngüsündeki verimli malzemenin atom ağırlığı 238'dir. Bu kütle farkı, toryum-232'nin transuranikten önce çekirdek başına altı nötron yakalama olayı gerektirdiği anlamına gelir. elemanlar üretilebilir. Bu basit kütle farkına ek olarak, reaktör, kütle arttıkça çekirdekleri parçalamak için iki şans elde eder: Birincisi, etkin yakıt çekirdekleri U233 ve iki nötron daha emdiği için, yine yakıt çekirdekleri U235 olarak.

Ana amacı bölünebilir yakıt stoklarını artırmak yerine aktinitleri yok etmek olan bir reaktör bazen bir brülör reaktörü olarak bilinir . Hem üreme hem de yakma, iyi nötron ekonomisine bağlıdır ve birçok tasarım da bunu yapabilir. Üreme tasarımları, çekirdeği verimli materyalden oluşan bir üreme örtüsü ile çevreler . Atık brülörleri, çekirdeği yok edilecek verimsiz atıklarla çevreler. Bazı tasarımlar nötron reflektörleri veya emiciler ekler.

Damızlık reaktör konseptleri

Yetiştirici reaktörler için çeşitli kavramlar vardır; iki ana şunlardır:

• Bir ile reaktörler hızlı nötron spektrumu hızlı üretken reaktörler (FBR) olarak adlandırılır - bunlar tipik olarak yakıt olarak uranyum-238 kullanmaktadır.
• Bir ile reaktörler termal nötron spektrumu kuluçka makinesi reaktörler olarak adlandırılır - bunlar tipik olarak toryum-232 kullanan yakıt olarak.

Hızlı üreme reaktörü

LMFBR'nin Döngü ve Havuz türleri arasındaki farkı gösteren şematik diyagram.

2006'da tüm büyük ölçekli hızlı çoğaltıcı reaktör (FBR) elektrik santralleri, sıvı sodyum ile soğutulan sıvı metal hızlı çoğaltıcı reaktörlerdi ( LMFBR ) . Bunlar iki tasarımdan biri olmuştur:

• Birincil soğutucunun, reaktör tankının dışındaki birincil ısı eşanjörleri aracılığıyla dolaştırıldığı döngü tipi (ancak birincil soğutucudaki radyoaktif sodyum-24 nedeniyle biyolojik kalkanın içinde )

İntegral Hızlı Reaktörün prototipi olarak görev yapan Deneysel Damızlık Reaktörü II

• Havuz birincil ısı eşanjörleri ve pompalar, reaktör tankı içine daldırılmış olan tip,

Mevcut tüm hızlı nötron reaktör tasarımları, ısıyı çekirdekten elektrik üreten türbinlere güç sağlamak için kullanılan buhara aktarmak için birincil soğutucu olarak sıvı metal kullanır. FBR'ler, sodyum dışındaki sıvı metallerle soğutularak yapılmıştır - bazı eski FBR'ler cıva kullanmıştır , diğer deneysel reaktörler NaK adı verilen bir sodyum - potasyum alaşımı kullanmıştır . Her ikisinin de, deney teçhizatları için uygun olan, ancak pilot veya tam ölçekli elektrik santralleri için daha az önemli olan oda sıcaklığında sıvı olmaları avantajı vardır. Kurşun ve kurşun-bizmut alaşımı da kullanılmıştır .

Önerilen IV. nesil reaktör tiplerinden üçü FBR'lerdir:

• Helyum ile soğutulan gaz soğutmalı hızlı reaktör (GFR).
• Mevcut sıvı metal FBR'ye ( LMFBR ) ve entegre hızlı reaktör tasarımlarınadayanan sodyum soğutmalı hızlı reaktör (SFR).
• Sovyet deniz sevk birimlerine dayalı kurşun soğutmalı hızlı reaktör (LFR).

FBR'ler genellikle %20'ye kadar plütonyum dioksit (PuO ₂ ) ve en az % 80 uranyum dioksit (UO ₂ ) içeren karma oksit yakıt çekirdeği kullanır . Diğer bir yakıt seçeneği , tipik olarak bir uranyum, plütonyum ve zirkonyum karışımı olan metal alaşımlarıdır (nötronlara "saydam" olduğu için kullanılır). Zenginleştirilmiş uranyum tek başına da kullanılabilir.

Birçok tasarım çekirdeği, çekirdekteki reaksiyondan hızlı nötronları yakalayarak bölünebilir plütonyum-239'a (çekirdekteki uranyumun bir kısmı gibi) dönüştüren, bölünemez uranyum-238 içeren bir tüp battaniyesi içinde çevreler. daha sonra yeniden işlenir ve nükleer yakıt olarak kullanılır. Diğer FBR tasarımları, yeterli hızlı nötron yakalama elde etmek için düzenlenmiş yakıtın kendisinin (aynı zamanda uranyum-238 içerir) geometrisine dayanır. Plütonyum-239 (veya bölünebilir uranyum-235) fisyon kesiti, ²³⁹ Pu/ ²³⁵ U fisyon kesiti ile ²³⁸ U absorpsiyon kesiti arasındaki oran gibi hızlı bir spektrumda termal spektrumdan çok daha küçüktür. -Bölüm. Bu, zincirleme reaksiyonu sürdürmek için gereken ²³⁹ Pu/ ²³⁵ U konsantrasyonunu ve ayrıca üremenin fisyona oranını artırır . Öte yandan, hızlı reaktör hiçbir ihtiyacı moderatör için nötronları yavaşlatmak yararlanarak, hiç hızlı nötronlar daha fisyon başına nötron daha fazla sayıda üreten yavaş nötronlar . Bu nedenle normal sıvı su , moderatör ve nötron soğurucu özelliği ile hızlı reaktörler için istenmeyen bir birincil soğutucudur. Reaktörü soğutmak için çekirdekte büyük miktarlarda su gerektiğinden, nötronların verimi ve dolayısıyla ²³⁹ Pu'nun üremesi güçlü bir şekilde etkilenir. Teorik çalışma üzerinde yapılmıştır düşük denetleme su reaktörleri biraz fazla 1. Bu muhtemelen, kabul edilemez bir güç değer kaybı ve yüksek maliyetli olmaktadır bir üreme oranını sağlamak için yeterince hızlı bir spektrumuna sahip olan, bir sıvı-su-soğutmalı reaktör ancak süper kritik su reaktörünün (SCWR) süper kritik su soğutucusu, daha az su ile yeterli soğutmaya izin vermek için yeterli ısı kapasitesine sahiptir, bu da hızlı spektrumlu su soğutmalı bir reaktörü pratik bir olasılık haline getirir.

Soğutucu tipi, sıcaklıklar ve hızlı nötron spektrumu, yakıt kaplama malzemesini (normalde östenitik paslanmaz veya ferritik-martensitik çelikler) aşırı koşullara sokar. Radyasyon hasarının, soğutucu etkileşimlerinin, gerilimlerin ve sıcaklıkların anlaşılması, herhangi bir reaktör çekirdeğinin güvenli çalışması için gereklidir. ONR-RRR-088 incelemesinde incelendiği gibi, sodyum soğutmalı hızlı reaktörlerde bugüne kadar kullanılan tüm malzemelerin bilinen sınırları vardır. Oksit Dağılımla Güçlendirilmiş (ODS) çelik, günümüzün malzeme seçimlerinin eksikliklerinin üstesinden gelen uzun vadeli radyasyona dayanıklı yakıt kaplama malzemesi olarak görülüyor.

2017 itibariyle ticari olarak çalışan yalnızca iki damızlık reaktör vardır: 560 MWe'de BN-600 reaktörü ve 880 MWe'de BN-800 reaktörü . Her ikisi de Rus sodyum soğutmalı reaktörlerdir.

Entegre hızlı reaktör

Özellikle atık bertarafı ve plütonyum konularını ele almak için tasarlanmış bir hızlı nötron reaktörü tasarımı, entegre hızlı reaktördü (IFR, aynı zamanda entegre hızlı üreme reaktörü olarak da bilinir, ancak orijinal reaktör net bir bölünebilir malzeme fazlası üretmeyecek şekilde tasarlanmıştır. ).

Atık bertaraf sorununu çözmek için, IFR , uranyumu ve tüm transuranikleri (sadece plütonyum değil) elektrokaplama yoluyla geri dönüştüren ve atıkta sadece kısa yarı ömürlü fisyon ürünleri bırakan, yerinde elektro kazandıran bir yakıt yeniden işleme ünitesine sahipti . Bu fisyon ürünlerinden bazıları daha sonra endüstriyel veya tıbbi kullanımlar için ayrılabilir ve geri kalanı atık deposuna gönderilebilir. IFR piroişleme sistemi, metalik yakıtı doğrudan reaktörde yerinde yeniden işlemek için erimiş kadmiyum katotları ve elektro arıtıcılar kullanır . Bu tür sistemler, tüm küçük aktinitleri hem uranyum hem de plütonyum ile karıştırmakla kalmaz, aynı zamanda kompakt ve bağımsızdırlar, böylece plütonyum içeren hiçbir materyalin üreme reaktöründen uzağa taşınması gerekmez. Bu tür teknolojiyi içeren damızlık reaktörleri büyük olasılıkla 1.00'a çok yakın üreme oranları ile tasarlanacaktır, böylece zenginleştirilmiş uranyum ve/veya plütonyum yakıtının ilk yüklemesinden sonra, reaktör daha sonra yalnızca küçük doğal uranyum metal teslimatları ile yakıt ikmali yapacaktır. Ayda bir süt sandığı büyüklüğünde bir bloğa eşdeğer miktarda doğal uranyum metali, böyle bir 1 gigawatt reaktörün ihtiyaç duyacağı tüm yakıt olacaktır. Bu tür kendi kendine yeten yetiştiriciler, şu anda nükleer reaktör tasarımcılarının nihai kendi kendine yeten ve kendi kendini destekleyen nihai hedefi olarak tasavvur edilmektedir. Proje 1994 yılında Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanı Hazel O'Leary tarafından iptal edildi .

Diğer hızlı reaktörler

Erimiş Tuz Reaktörü Deneyinin grafit çekirdeği

Önerilen bir başka hızlı reaktör, erimiş tuzun düzenleyici özelliklerinin önemsiz olduğu hızlı bir erimiş tuz reaktörüdür . Bu, tipik olarak hafif metal florürler (örneğin, LİF, BeF değiştirilmesiyle elde edilir ₂ ağır metal klorürler ile tuz taşıyıcı içinde) (örneğin, KCI, RbCl, ZrCl ₄ ).

Çeşitli prototip FBRs birkaç ışık Ampul eşdeğer (elektrik çıkışı arasında değişen inşa edildiği EBR-I 1000'den fazla üzere, 1951)  MWe . 2006 itibariyle, teknoloji, termal reaktör teknolojisine ekonomik olarak rekabetçi değildir, ancak Hindistan , Japonya, Çin, Güney Kore ve Rusya, artan uranyum fiyatlarının bunu gelecekte değiştireceğini tahmin ederek, hızlı üretici reaktörlerin daha da geliştirilmesi için önemli araştırma fonları taahhüt etmektedir. uzun vadeli. Almanya, aksine, güvenlik endişeleri nedeniyle teknolojiyi terk etti. SNR-300 hızlı üretken reaktör daha sonra terk edilmesi sadece, maliyet aşımları € 3,6 milyar toplam özetliyor rağmen 19 yıl sonra tamamlandı.

Hindistan ayrıca hem uranyum hem de toryum hammaddelerini kullanarak FBR teknolojisi geliştiriyor.

Termal damızlık reaktörü

Ağustos 1977'de başlayarak beş yıl boyunca prototip hafif su üreticisi olarak kullanılan Shippingport Reaktörü

Gelişmiş ağır su reaktörü (AHWR) birkaç teklif edilen geniş çaplı kullanım biridir toryum . Hindistan, önemli toryum rezervleriyle motive olan bu teknolojiyi geliştiriyor; dünyadaki toryum rezervlerinin neredeyse üçte biri, önemli uranyum rezervlerinden yoksun olan Hindistan'dadır.

Shippingport Atomik Güç Santrali 60 MWe reaktörünün üçüncü ve son çekirdeği, 1977'de çalışmaya başlayan hafif su toryum yetiştiricisiydi. Toryum dioksit ve uranyum-233 oksitten yapılmış topaklar kullandı ; başlangıçta, peletlerin U-233 içeriği tohum bölgesinde %5-6, battaniye bölgesinde %1.5-3 ve yansıtıcı bölgede hiç değildi. 236 MWt'ta çalıştı, 60 MWe üretti ve sonuçta 2,1 milyar kilovat saatin üzerinde elektrik üretti. Beş yıl sonra, çekirdek çıkarıldı ve kurulduğu zamana göre yaklaşık %1.4 daha fazla bölünebilir malzeme içerdiği bulundu, bu da toryumdan üremenin gerçekleştiğini gösteriyor.

Sıvı florür toryum reaktörü (LFTR), bir toryum termal damızlık olarak planlanmıştır. Sıvı florür reaktörleri, doğal güvenlik, yakıt çubukları üretmeye gerek olmaması ve muhtemelen sıvı yakıtın daha basit yeniden işlenmesi gibi çekici özelliklere sahip olabilir. Bu kavram ilk olarak 1960'larda Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı Erimiş Tuz Reaktörü Deneyinde araştırıldı . 2012'den itibaren dünya çapında yenilenen ilginin konusu haline geldi. Japonya, Hindistan, Çin, Birleşik Krallık'ın yanı sıra özel ABD, Çek ve Avustralya şirketleri, teknolojiyi geliştirme ve ticarileştirme niyetlerini ifade ettiler.

Tartışma

Nükleer enerjinin pek çok yönü gibi, hızlı üretici reaktörler de yıllar boyunca pek çok tartışmaya konu olmuştur. 2010 yılında Uluslararası Bölünebilir Malzemeler Paneli, "Altmış yıldan ve on milyarlarca dolara eşdeğer harcamadan sonra, damızlık reaktörlerin vaadi büyük ölçüde yerine getirilmedi ve çoğu ülkede bunları ticarileştirme çabaları istikrarlı bir şekilde kesildi" dedi. Almanya, Birleşik Krallık ve Amerika Birleşik Devletleri'nde damızlık reaktör geliştirme programları terk edilmiştir. Damızlık reaktörlerini takip etmenin mantığı - bazen açık ve bazen örtük - aşağıdaki temel varsayımlara dayanıyordu:

• Uranyumun kıt olması ve fisyon gücü büyük ölçekte kullanılırsa yüksek dereceli tortuların hızla tükenmesi bekleniyordu; Ancak gerçek şu ki, soğuk savaşın sona ermesinden bu yana uranyum, ilk tasarımcıların beklediğinden çok daha ucuz ve bol oldu.
• Yetiştirici reaktörlerin günümüzde nükleer enerjiye hakim olan hafif su reaktörleriyle ekonomik olarak hızla rekabet etmesi bekleniyordu, ancak gerçek şu ki sermaye maliyetleri su soğutmalı reaktörlerden en az %25 daha fazla.
• Yetiştirici reaktörlerin hafif su reaktörleri kadar güvenli ve güvenilir olabileceği düşünülüyordu, ancak güvenlik sorunları, bir sızıntının sodyum yangınına yol açabileceği bir sodyum soğutucu kullanan hızlı reaktörlerde endişe kaynağı olarak gösteriliyor.
• Yetiştiricilerin yarattığı çoğalma risklerinin ve plütonyumun geri dönüştürüleceği "kapalı" yakıt döngüsünün yönetilebilmesi bekleniyordu. Ancak plütonyum üreten reaktörler U238'den plütonyum ürettiğinden ve toryum reaktörler toryumdan bölünebilir U233 ürettiğinden, tüm üreme döngüleri teorik olarak çoğalma riskleri oluşturabilir. Bununla birlikte , damızlık reaktörlerde üretilen U233'te her zaman bulunan U232 , yan ürünleri aracılığıyla güçlü bir gama yayıcıdır ve silah kullanımını son derece tehlikeli ve silahın tespit edilmesini kolaylaştıracaktır.

Yetiştirici reaktörler atıklarının çoğunu etkin bir şekilde geri dönüştürdüğü için temiz bir elektrik kaynağı olarak nükleer güç haline gelen geçmişte nükleer karşıtı savunucular var. Bu, nükleer enerjinin en önemli olumsuz sorunlarından birini çözüyor. Pandora'nın Vaadi belgeselinde , fosil yakıt enerjisine gerçek bir yüksek kW alternatifi sağladıkları için damızlık reaktörler için bir vaka yapılmıştır. Filme göre, bir pound uranyum, 5.000 varil petrol kadar enerji sağlıyor .

FBR'ler Amerika Birleşik Devletleri, Birleşik Krallık, Fransa, eski SSCB , Hindistan ve Japonya'da inşa edilmiş ve işletilmiştir . Deneysel FBR SNR-300 Almanya'da inşa edildi, ancak hiçbir zaman çalıştırılmadı ve Çernobil felaketinin ardından siyasi tartışmalar arasında sonunda kapatıldı . 2019 itibariyle, Rusya'da elektrik üretimi için iki FBR işletilmektedir. Birçoğu IV . Nesil reaktör girişimiyle ilgili araştırmalar için birkaç reaktör planlandı .

Geliştirme ve dikkate değer damızlık reaktörler

Sovyetler Birliği (1991 içinde çözülmüş Rusya ve diğer ülkelerde, ihtiva eder), hızlı reaktörü inşa birinci varlık cıva soğutuldu ve plütonyum metal ile beslenen ve daha sonra bitkiler, sodyum soğutulmuş ve plütonyum oksit ile yakıt.

BR-1 (1955) 100W (termal) idi, bunu100 kW'da BR- 2 ve ardından 5MW BR-5 izledi.

BOR-60 (ilk kritiklik 1969) 60 MW idi, inşaatı 1965'te başladı.

BN-, 600 (1981,), ardından Rusya sitesindeki BN-800 (2016)

Gelecek bitkiler

Çin Deneysel Hızlı Reaktörü 65 MW (termal), 20 MW (elektrikli), sodyum soğutmalı, havuz tipi reaktördür ve 30 yıllık tasarım ömrüne ve 100 MWd/kg hedef yanmaya sahiptir.

Hindistan , FBR segmentinde erken bir lider olmuştur. 2012 yılında Prototip Hızlı Damızlık Reaktörü adı verilen bir FBR'nin tamamlanması ve devreye alınması gerekiyordu. Programın amacı, bölünebilir uranyum-233'ü üretmek için verimli toryum-232'yi kullanmaktır. Hindistan ayrıca toryum termal damızlık reaktör teknolojisini de takip ediyor. Hindistan'ın toryuma odaklanması, ülkenin büyük rezervlerinden kaynaklanmaktadır, ancak dünya çapında bilinen toryum rezervleri, uranyum rezervlerinin dört katıdır. Hindistan Atom Enerjisi Departmanı (DAE), 2007'de, Kalpakkam'da ikisi de dahil olmak üzere her biri 500 MWe'lik dört damızlık reaktörü aynı anda inşa edeceğini söyledi.

Hintli bir nükleer enerji şirketi olan BHAVINI , Hindistan'ın üç aşamalı nükleer enerji programında ana hatlarıyla belirtilen tüm II. Aşama hızlı üreme reaktörlerini inşa etmek, işletmeye almak ve işletmek üzere 2003 yılında kurulmuştur . Bu planları ilerletmek için Hint FBR-600 , 600 MWe dereceli havuz tipi sodyum soğutmalı bir reaktördür.

Hızlı Çin Deneysel Reaktör (GER) planlanan Çin Prototip Hızlı Reaktör (CFRP) için 25 MW (e) prototipidir. 21 Temmuz 2011 tarihinde elektrik üretmeye başlamıştır.

Çin ayrıca , Ocak 2011'de Çin Bilimler Akademisi'nin (CAS) yıllık konferansında resmen ilan edilen toryum erimiş-tuz termal damızlık reaktör teknolojisinde (sıvı florür toryum reaktörü) bir araştırma ve geliştirme projesi başlattı . Nihai hedefi araştırmak ve geliştirmekti. yaklaşık 20 yıl boyunca toryum bazlı erimiş tuz nükleer sistemi.

Eski NASA bilim adamı ve Teledyne Brown Engineering'de baş nükleer teknoloji uzmanı olan Kirk Sorensen, uzun süredir toryum yakıt döngüsünün ve özellikle sıvı florür toryum reaktörlerinin destekçisi olmuştur . 2011 yılında Sorensen, askeri üslere güç sağlamak için 20-50 MW LFTR reaktör tasarımları geliştirmeyi amaçlayan bir şirket olan Flibe Energy'yi kurdu.

Güney Kore , halihazırda geliştirdikleri ve inşa ettikleri standartlaştırılmış PWR (basınçlı su reaktörü) ve CANDU tasarımlarını tamamlamak için ihracat için standartlaştırılmış bir modüler FBR için bir tasarım geliştiriyor, ancak henüz bir prototip oluşturmayı taahhüt etmedi.

BN-800 reaktör ailesinin yerini alan BN-600 reaktörünün bir kesit modeli .

BN-800 reaktörünün inşaatı

Rusya'nın hızlı üretici reaktör filosunu önemli ölçüde artırma planı var. Beloyarsk'ta bir BN-800 reaktörü (800 MWe) 2012'de tamamlandı ve daha küçük bir BN-600'ün yerini aldı . Haziran 2014'te BN-800, minimum güç modunda başlatıldı. Nominal verimin %35'i ile çalışan reaktör, 10 Aralık 2015 tarihinde enerji şebekesine katkı sağlamıştır. 2016 yılı Ağustos ayında tam güç üretimine ulaşmıştır.

Daha büyük bir BN-1200 reaktörünün (1.200 MWe) inşası için planların 2018'de tamamlanması planlandı ve 2030'un sonuna kadar iki ek BN-1200 reaktörü inşa edildi. Ancak, 2015'te Rosenergoatom , yakıt tasarımına izin vermek için inşaatı süresiz olarak erteledi. BN-800 reaktörünü çalıştırma konusunda daha fazla deneyimden sonra ve maliyet endişeleri arasında geliştirildi.

Deneysel kurşun soğutmalı hızlı reaktör BREST-300 inşa edilecek Kombine Sibirya Chemical içinde (SCC) Seversk'te . BREST ( Rusça : bystry reaktor so svintsovym teplonositelem , İngilizce: kurşun soğutuculu hızlı reaktör ) tasarımı, BN serisinin halefi olarak görülüyor ve SCC'deki 300 MWe birimi, geniş dağıtım için 1.200 MWe'lik bir sürümün öncüsü olabilir. ticari bir elektrik üretim birimi. Geliştirme programı, aksi takdirde atık olarak bertaraf edilecek radyoaktif maddeleri 'yakarken' uranyum verimliliği için hızlı reaktörlerden yararlanmayı amaçlayan Gelişmiş Nükleer Teknolojiler Federal Programı 2010-2020'nin bir parçasıdır. Çekirdeği yaklaşık 2,3 metre çapında ve 1,1 metre yüksekliğinde olacak ve 16 ton yakıt içerecek. Birime her yıl yakıt ikmali yapılacaktı ve her bir yakıt elemanı çekirdek içinde toplam beş yıl geçirecekti. Kurşun soğutma sıvısı sıcaklığı 540 °C civarında olacak ve %43'lük yüksek bir verimlilik, 700 MWt'lik birincil ısı üretimi ve 300 MWe'lik elektrik gücü sağlayacaktır. Ünitenin operasyonel ömrü 60 yıl olabilir. Tasarımın, 2016 ve 2020 yılları arasındaki inşaat için 2014 yılında NIKIET tarafından tamamlanması bekleniyor.

16 Şubat 2006'da Amerika Birleşik Devletleri, Fransa ve Japonya, Küresel Nükleer Enerji Ortaklığını desteklemek için sodyum soğutmalı hızlı reaktörleri araştırmak ve geliştirmek için bir "düzenleme" imzaladılar . Nisan 2007'de Japon hükümeti Mitsubishi Heavy Industries'i (MHI) "Japonya'da FBR geliştirmede ana şirket" olarak seçti . Kısa bir süre sonra MHI, FBR teknolojisini geliştirmek ve sonunda satmak için Mitsubishi FBR Systems (MFBR) adında yeni bir şirket kurdu.

Marcoule Nükleer Sitesi Fransa'da, konumu Phénix (solda).

Eylül 2010'da Fransız hükümeti, 2020'de tamamlanacak 600 MW dördüncü nesil reaktör tasarımı olan ASTRID (Endüstriyel Gösterim için Gelişmiş Sodyum Teknolojik Reaktör) tasarımını tamamlamak için Commissariat à l'énergie atomique'e 651,6 milyon € tahsis etti . 2013 yılında Birleşik Krallık, PRISM reaktörüne ilgi göstermiş ve ASTRID'i geliştirmek için Fransa ile birlikte çalışıyordu. 2019'da CEA , bu tasarımın yüzyılın ortalarından önce yapılmayacağını duyurdu.

Ekim 2010'da GE Hitachi Nuclear Energy , ABD Enerji Bakanlığı'nın Savannah Nehri Sahası işletmecileri ile, tasarımın tam olarak teslim alınmasından önce şirketin S-PRISM hızlı üreme reaktörüne dayalı bir gösteri tesisinin inşasına izin vermesi gereken bir mutabakat anlaşması imzaladı. Nükleer Düzenleme Komisyonu (NRC) lisans onayı. Ekim 2011'de The Independent , Birleşik Krallık Nükleer Hizmetten Çıkarma Otoritesi (NDA) ve Enerji ve İklim Değişikliği Departmanındaki (DECC) kıdemli danışmanların, kısmen ülkenin plütonyum stokunu azaltmanın bir yolu olarak, PRISM'in teknik ve finansal ayrıntılarını istediğini bildirdi.

Gezgin dalga reaktörü ile bir patentte önerilen (EAH) Fikri Yönetime reaktör, onlarca yıldan beri ömrü boyunca gerek yakıt yeniden işleme için tasarlanmış hızlı üreyen reaktördür. TWR tasarımındaki tür-yanma dalgası, reaktörün bir ucundan diğerine değil, içten dışa yavaş yavaş hareket eder. Ayrıca, nükleer dönüşüm yoluyla yakıtın bileşimi değiştikçe, herhangi bir zamanda nötron akışını ve yakıt kullanımını optimize etmek için yakıt çubukları çekirdek içinde sürekli olarak yeniden karıştırılır. Böylece, dalganın yakıt içinde yayılmasına izin vermek yerine, yakıtın kendisi büyük ölçüde sabit bir yanma dalgası içinde hareket eder. Bu, konsepti bir yakıt çubuğunu aşağı doğru hareket ettiren bir yanma bölgesi olan mum benzeri bir reaktör olarak popülerleştiren birçok medya raporunun aksine. TerraPower'ın tasarımı, statik bir çekirdek konfigürasyonunu aktif olarak yönetilen bir "duran dalga" veya "soliton" çekirdekle değiştirerek, oldukça değişken bir yanma bölgesinin soğutulması sorununu ortadan kaldırır. Bu senaryoda, yakıt çubuklarının yeniden yapılandırılması robotik cihazlar tarafından uzaktan gerçekleştirilir; muhafaza kabı prosedür sırasında kapalı kalır ve buna bağlı herhangi bir aksama süresi yoktur.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar

• "Deneyimden Beklentilere Hızlı Nötron Reaktör Tesisleri" (PDF) . Arşivlenmiş orijinal (PDF) , 1 Ağustos 2020 tarihinde . 29 Kasım 2019'da alındı .– OKBM Afrikantov resmi pdf'inde (İngilizce)
• damızlık terminolojisi
• ABD Nükleer Programı
• IAEA Hızlı Reaktörler Veritabanı
• IAEA Hızlı Reaktörlere İlişkin Teknik Belgeler
• Argonne Ulusal Laboratuvarı Tarafından Tasarlanan Reaktörler: Hızlı Reaktör Teknolojisi Argonne, hızlı reaktörlerin geliştirilmesine öncülük etti ve dünya çapında hızlı reaktörlerin geliştirilmesinde liderdir. Ayrıca bkz. Argonne'nin Nükleer Bilim ve Teknoloji Mirası .
• Atom Mirası Vakfı – EBR-I
• Bir Damızlık Reaktörü için Değişen İhtiyaç, Richard Wilson, Uranyum Enstitüsü 24. Yıllık Sempozyumu, Eylül 1999
• Deneysel Yetiştirici Reaktörü-II (EBR-II): Entegre Deneysel Hızlı Reaktör Nükleer Santrali
• Uluslararası Toryum Enerji Organizasyonu – www.IThEO.org