Hafif su reaktörü - Light-water reactor

Basit bir hafif su reaktörü

Hafif su reaktörü ( LWR ) bir tür termal nötron reaktöre aksine normal su kullanan ağır su hem soğutucu ve benzeri gibi, nötron moderatör ayrıca bölünebilir elemanlarının bir katı form yakıt olarak kullanılır -. Termal nötron reaktörleri en yaygın nükleer reaktör tipidir ve hafif su reaktörleri en yaygın termal nötron reaktörüdür.

Üç çeşit hafif su reaktörü vardır: basınçlı su reaktörü (PWR), kaynar su reaktörü (BWR) ve süper kritik su reaktörü (SCWR).

Tarih

Erken kavramlar ve deneyler

Fisyon , ılımlılık ve nükleer zincirleme reaksiyonun teorik olasılığının keşiflerinden sonra , erken deneysel sonuçlar, doğal uranyumun yalnızca moderatör olarak grafit veya ağır su kullanılarak sürekli bir zincir reaksiyonuna girebileceğini gösterdi. Dünyanın ilk reaktörler (ederken CP-1 , X10 vs) başarıyla ulaşan edildi kritiklik , uranyum zenginleştirme hedefini karşılamak için pratik uygulamalara teorik kavramdan geliştirmeye başladı Manhattan Projesi bir inşa etmek, nükleer patlayıcı .

Mayıs 1944'te, şimdiye kadar üretilmiş ilk gram zenginleştirilmiş uranyum , atom bombası üretmek için U235'in kritik kütlesini tahmin etmek için kullanılan Los Alamos'taki düşük güçlü (LOPO) reaktörde kritikliğe ulaştı . LOPO ilk hafif su reaktörü olarak kabul edilemez çünkü yakıtı, korozyona dayanıklı malzeme ile kaplanmış katı bir uranyum bileşiği değil, suda çözünmüş uranil sülfat tuzundan oluşuyordu . Bununla birlikte, yakıt olarak zenginleştirilmiş uranyum ve moderatör olarak sıradan su kullanan ilk sulu homojen reaktör ve ilk reaktördür.

Savaşın sonunda, Alvin Weinberg'in bir fikrini takiben , doğal uranyum yakıt elementleri , nötron çarpma faktörünü değerlendirmek için X10 reaktörünün tepesinde sıradan su içinde bir kafes içinde düzenlenmiştir . Bu deneyin amacı, moderatör ve soğutucu olarak hafif su ve yakıt olarak kaplamalı katı uranyum kullanan bir nükleer reaktörün fizibilitesini belirlemekti. Sonuçlar, hafif zenginleştirilmiş bir uranyum ile kritikliğe ulaşılabileceğini gösterdi. Bu deney, hafif su reaktörüne yönelik ilk pratik adımdı.

İkinci Dünya Savaşı'ndan sonra ve zenginleştirilmiş uranyum mevcudiyeti ile yeni reaktör konseptleri uygulanabilir hale geldi. 1946'da Eugene Wigner ve Alvin Weinberg, yakıt olarak zenginleştirilmiş uranyum ve moderatör ve soğutucu olarak hafif su kullanan bir reaktör konseptini önerdi ve geliştirdi. Bu konsept, amacı malzemelerin nötron akışı altındaki davranışını test etmek olan bir reaktör için önerildi . Bu reaktör, Malzeme Test Reaktörü (MTR) , Idaho'da INL'de inşa edildi ve 31 Mart 1952'de kritikliğe ulaştı. Bu reaktörün tasarımı için deneyler gerekliydi, bu nedenle ORNL'de MTR'nin bir maketi yapıldı , birincil devrenin hidrolik performanslarını değerlendirmek ve ardından nötronik özelliklerini test etmek. Daha sonra Düşük Yoğunluklu Test Reaktörü (LITR) olarak adlandırılan bu MTR maketi, 4 Şubat 1950'de kritikliğe ulaştı ve dünyanın ilk hafif su reaktörü oldu.

basınçlı su reaktörleri

Hemen bitiminden sonra İkinci Dünya Savaşı Amerika Birleşik Devletleri Donanması Kaptan (daha sonra Amiral) yönetimindeki bir program başladı Hyman Rickover amacı ile, nükleer tahrik gemiler için. 1950'lerin başında ilk basınçlı su reaktörlerini geliştirdi ve ilk nükleer denizaltı USS  Nautilus'un  (SSN-571) başarılı bir şekilde konuşlandırılmasına yol açtı .

Sovyetler Birliği bağımsız adı altında, 1950'lerin sonlarında PWR bir versiyonunu geliştirdi VVER . İşlevsel olarak Amerikan çabasına çok benzer olsa da, Batı PWR'lerinden belirli tasarım farklılıklarına da sahiptir.

Kaynar su reaktörü

Araştırmacı Samuel Untermyer II , BORAX deneyleri adı verilen bir dizi testte ABD Ulusal Reaktör Test İstasyonunda (şimdi Idaho Ulusal Laboratuvarı ) BWR'yi geliştirme çabasına öncülük etti .

PIUS reaktörü

Process Inherent Ultimate Safety anlamına gelen PIUS, ASEA-ATOM tarafından tasarlanan bir İsveç tasarımıydı. Hafif su reaktör sistemi için bir konsepttir. SECURE reaktörü ile birlikte, güvenli çalışma sağlamak için operatör eylemleri veya harici enerji kaynakları gerektirmeyen pasif önlemlere dayanıyordu. Hiç birlik inşa edilmedi.

açık100

2020'de Enerji Etki Merkezi, Open100 olarak adlandırılan 300 MWth/100 MWe enerji üretebilen bir basınçlı su reaktörünün açık kaynaklı mühendislik tasarımının yayınlandığını duyurdu.

genel bakış

Koeberg iki oluşan nükleer santraller, basınçlı su reaktörleri yakıtlı uranyum

Hafif su reaktörleri (LWR) olarak bilinen, sıradan su kullanılarak soğutulan ve yumuşatılan nükleer reaktörler ailesi, diğer nükleer reaktör türlerinden daha basit ve daha ucuz inşa etme eğilimindedir; bu faktörler nedeniyle, 2009 itibariyle dünya çapında hizmet veren sivil nükleer reaktörlerin ve deniz sevk reaktörlerinin büyük çoğunluğunu oluşturuyorlar. LWR'ler üç kategoriye ayrılabilir – basınçlı su reaktörleri (PWR'ler), kaynar su reaktörleri (BWR'ler), ve süper kritik su reaktörleri ( SCWR'ler ). SCWR 2009 itibarıyla farazi kalır; hala hafif su reaktörü olan bir 4. Nesil tasarımdır, ancak hafif su tarafından yalnızca kısmen yönetilir ve hızlı bir nötron reaktörünün belirli özelliklerini sergiler .

İhracat için reaktörler sunan PWR'lerle ilgili ulusal deneyimdeki liderler, Amerika Birleşik Devletleri'dir (pasif olarak güvenli AP1000 , bir Westinghouse tasarımının yanı sıra Babcock & Wilcox MPower gibi birkaç daha küçük, modüler, pasif olarak güvenli PWR'yi sunar ve NuScale MASLWR), Rusya Federasyonu (arz hem VVER-1000 ve VVER-1200 ihracat için), Fransa Cumhuriyeti (sunan AREVA EPR ihracat için) ve Japonya (sunan Mitsubishi Gelişmiş Basınçlı Su Reaktörü ) ihracat için ; ek olarak, hem Çin Halk Cumhuriyeti'nin hem de Kore Cumhuriyeti'nin, Çin'in büyük bir nükleer enerji genişletme programına dahil olması ve Korelilerin de PWR inşa eden ulusların ön saflarına hızla yükseldiği kaydedildi. şu anda ikinci nesil yerli tasarımlarını tasarlıyor ve inşa ediyor. İhracat için reaktörler sunan BWR'lerle ilgili ulusal deneyimde liderler, General Electric (ABD'den) ve Hitachi (Japonya'dan) ittifakı ile Birleşik Devletler ve Japonya'dır ve hem Gelişmiş Kaynar Su Reaktörü (ABWR) hem de İnşaat ve ihracat için Ekonomik Basitleştirilmiş Kaynar Su Reaktörü (ESBWR) ; Ayrıca Toshiba , Japonya'da da inşaat için bir ABWR çeşidi sunuyor . Batı Almanya da bir zamanlar BWR'lerde önemli bir oyuncuydu. Güç üretimi için kullanılan diğer nükleer reaktör türleri, Kanada ( CANDU ) ve Hindistan Cumhuriyeti (AHWR) tarafından inşa edilen ağır su kontrollü reaktör , Birleşik Krallık tarafından inşa edilen gelişmiş gaz soğutmalı reaktör (AGCR), sıvı Rusya Federasyonu, Fransa Cumhuriyeti ve Japonya tarafından inşa edilen metal soğutmalı reaktör (LMFBR) ve yalnızca Rusya Federasyonu ve eski Sovyet devletlerinde bulunan grafit kontrollü , su soğutmalı reaktör (RBMK veya LWGR).

Yukarıda bahsedilen özellikler ve LWR'nin operasyonlarındaki kapsamlı deneyim nedeniyle elektrik üretim yetenekleri tüm bu reaktör türleri arasında karşılaştırılabilir olsa da , yeni nükleer santrallerin büyük çoğunluğunda tercih edilmektedir. Ek olarak, hafif su reaktörleri, donanma nükleer gücüyle çalışan gemilere güç sağlayan reaktörlerin büyük çoğunluğunu oluşturuyor . Nükleer deniz sevk kapasitesine sahip beş büyük güçten dördü yalnızca hafif su reaktörlerini kullanıyor: İngiliz Kraliyet Donanması , Çin Halk Kurtuluş Ordusu Donanması , Fransız Deniz Kuvvetleri ve Birleşik Devletler Donanması . Yalnızca Rusya Federasyonu Donanması , üretim gemilerinde, özellikle reaktör moderatörü ve soğutucu olarak kurşun-bizmut ötektik kullanan Alfa sınıfı denizaltıda , nispeten bir avuç sıvı metal soğutmalı reaktör kullandı , ancak Rus nükleer motorlu teknelerinin büyük çoğunluğu ve gemiler yalnızca hafif su reaktörlerini kullanır. Nükleer donanma gemilerinde neredeyse özel LWR kullanımının nedeni, bu tür reaktörlerde yerleşik olan doğal güvenlik seviyesidir. Bu reaktörlerde hem soğutucu hem de nötron moderatörü olarak hafif su kullanıldığından, bu reaktörlerden biri askeri harekat nedeniyle hasar görürse ve bu da reaktör çekirdeğinin bütünlüğünün tehlikeye girmesine yol açarsa, hafif su moderatörünün ortaya çıkan salınımı etkili olacaktır. nükleer reaksiyonu durdurmak ve reaktörü kapatmak için. Bu yetenek, negatif boşluk reaktivite katsayısı olarak bilinir .

Şu anda sunulan LWR'ler şunları içerir:

LWR istatistikleri

Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı'nın 2009 yılı verileri :

Reaktörler çalışır durumda. 359
Reaktörler yapım aşamasında. 27
LWR'leri olan ülke sayısı. 27
Üretim kapasitesi ( gigawatt ). 328.4

reaktör tasarımı

Hafif su reaktörü kontrollü nükleer fisyon ile ısı üretir . Nükleer reaktör çekirdeği , nükleer reaksiyonların gerçekleştiği bir nükleer reaktör kısmıdır . Esas olarak nükleer yakıt ve kontrol elemanlarından oluşur . Her biri yaklaşık 3,7 m uzunluğunda olan kurşun kalem inceliğinde nükleer yakıt çubukları, yakıt tertibatları adı verilen yüzlerce demet halinde gruplandırılmıştır. Her yakıt çubuğunun içinde uranyum peletleri veya daha yaygın olarak uranyum oksit uçtan uca istiflenir. Kontrol çubukları adı verilen kontrol elemanları, nötronları kolayca yakalayan hafniyum veya kadmiyum gibi maddelerin peletleriyle doldurulur . Kontrol çubukları çekirdeğe indirildiğinde nötronları emerler ve bu nedenle zincirleme reaksiyonda yer alamazlar . Tersine, kontrol çubukları yoldan çekildiğinde, daha fazla nötron , yakındaki yakıt çubuklarındaki bölünebilir uranyum-235 veya plütonyum-239 çekirdeklerine çarpar ve zincirleme reaksiyon yoğunlaşır. Bütün bunlar, reaktör kabı adı verilen, suyla dolu çelik bir basınçlı kap içinde bulunur .

Olarak sıcak su reaktörünün , fizyon tarafından üretilen ısı, doğrudan doğruya güç üreten türbinleri tahrik suyun buhar haline döner. Ancak basınçlı su reaktöründe , fisyon tarafından üretilen ısı, bir ısı eşanjörü aracılığıyla ikincil bir döngüye aktarılır. İkincil döngüde buhar üretilir ve ikincil döngü, güç üreten türbinleri çalıştırır. Her iki durumda da, türbinlerden geçtikten sonra buhar, kondenserde tekrar suya dönüşür.

Kondansatörü soğutmak için gereken su yakındaki bir nehirden veya okyanustan alınır. Daha sonra ısıtılmış durumda nehre veya okyanusa geri pompalanır. Isı ayrıca bir soğutma kulesi aracılığıyla atmosfere dağıtılabilir. Amerika Birleşik Devletleri, Kanada'da kullanılan ağır su reaktörlerine kıyasla, elektrik enerjisi üretimi için LWR reaktörleri kullanıyor .

Kontrol

Üstte görünen kontrol çubukları ile bir basınçlı su reaktör kafası

Kontrol çubukları genellikle kontrol çubuğu tertibatları halinde birleştirilir - tipik olarak ticari bir basınçlı su reaktör tertibatı için 20 çubuk - ve bir yakıt elemanı içindeki kılavuz borulara yerleştirilir. Daha fazla uranyum atomunu bölecek nötron sayısını kontrol etmek için bir nükleer reaktörün merkezi çekirdeğinden bir kontrol çubuğu çıkarılır veya içine yerleştirilir . Bu da reaktörün termal gücünü, üretilen buhar miktarını ve dolayısıyla üretilen elektriği etkiler. Kontrol çubukları, bir zincirleme reaksiyonun meydana gelmesine izin vermek için çekirdekten kısmen çıkarılır . Yerleştirilen kontrol çubuklarının sayısı ve yerleştirildikleri mesafe, reaktörün reaktivitesini kontrol etmek için değiştirilebilir.

Genellikle reaktiviteyi kontrol etmenin başka yolları da vardır. PWR tasarımında , reaktör soğutucusuna, sabit güç çalışması sırasında kontrol çubuklarının tamamen çıkarılmasına izin veren , genellikle borik asit olan çözünür bir nötron emici eklenir, tüm çekirdek üzerinde eşit bir güç ve akı dağılımı sağlar. BWR tasarımının operatörleri, reaktör devridaim pompalarının hızını değiştirerek reaktiviteyi kontrol etmek için çekirdekten geçen soğutucu akışını kullanır. Çekirdek içinden soğutucu akışındaki bir artış, buhar kabarcıklarının giderilmesini iyileştirir, böylece artan gücün sonucu olarak soğutucu/moderatörün yoğunluğunu arttırır.

Soğutucu

Hafif su reaktörü ayrıca reaktörü soğutmak için sıradan su kullanır. Soğutma kaynağı olan hafif su, ürettiği ısıyı emmek için reaktör çekirdeğini geçerek dolaştırılır. Isı reaktörden taşınır ve daha sonra buhar üretmek için kullanılır. Çoğu reaktör sistemi , basınçlı su reaktörü gibi türbinler için basınçlı buhar üretmek üzere kaynatılacak sudan fiziksel olarak ayrı bir soğutma sistemi kullanır . Ancak bazı reaktörlerde buhar türbinleri için su, örneğin kaynar su reaktörü gibi doğrudan reaktör çekirdeği tarafından kaynatılır.

Diğer birçok reaktör de, özellikle RBMK ve bazı askeri plütonyum üretim reaktörleri olmak üzere hafif su soğutmalıdır . Bunlar, grafit tarafından yönetildikleri için LWR olarak kabul edilmezler ve sonuç olarak nükleer özellikleri çok farklıdır. Ticari PWR'lerde soğutucu akış hızı sabit olmasına rağmen, ABD Donanması gemilerinde kullanılan nükleer reaktörlerde değildir .

Yakıt

Bir nükleer yakıt peleti
Yakıt montajının tamamlanması için hazır olan nükleer yakıt peletleri

Sıradan su kullanımı, reaktörün gerekli kritikliği muhafaza edilebilmesi için uranyum yakıtının belirli bir miktarda zenginleştirilmesini gerekli kılar. Hafif su reaktörü, yakıt olarak yaklaşık yüzde 3 oranında zenginleştirilmiş uranyum 235 kullanıyor . Ana yakıtı bu olmasına rağmen, uranyum 238 atomları da plütonyum 239'a dönüşerek fisyon sürecine katkıda bulunur ; bunun yaklaşık yarısı reaktörde tüketilir. Hafif su reaktörlerine genellikle her 12 ila 18 ayda bir yakıt doldurulur, bu sırada yakıtın yaklaşık yüzde 25'i değiştirilir.

Zenginleştirilmiş UF 6 , daha sonra pelet formuna işlenen uranyum dioksit tozuna dönüştürülür . Peletler daha sonra zenginleştirilmiş uranyumdan sert, seramik topaklar oluşturmak için yüksek sıcaklıklı sinterleme fırınında ateşlenir . Silindirik topaklar daha sonra tek tip bir pelet boyutu elde etmek için bir öğütme işlemine tabi tutulur. Uranyum oksit, seramik yakıtta korozyona ve hidrojen gevrekleşmesine yol açabilecek nemi ortadan kaldırmaya çalışmak için tüplere yerleştirilmeden önce kurutulur. Peletler, her bir nükleer çekirdeğin tasarım özelliklerine göre, korozyona dayanıklı metal alaşımdan tüplere istiflenir . Tüpler, yakıt peletlerini içerecek şekilde kapatılmıştır: bu tüplere yakıt çubukları denir.

Bitmiş yakıt çubukları, daha sonra bir güç reaktörünün nükleer yakıt çekirdeğini oluşturmak için kullanılan özel yakıt düzeneklerinde gruplandırılır. Tüpler için kullanılan metal, reaktörün tasarımına bağlıdır - geçmişte paslanmaz çelik kullanılıyordu, ancak çoğu reaktör şimdi bir zirkonyum alaşımı kullanıyor . En yaygın reaktör türleri için tüpler, tüpler kesin mesafeler arasında olacak şekilde demetler halinde monte edilir. Bu demetlere daha sonra benzersiz bir kimlik numarası verilir, bu da onların üretimden kullanım ve imhaya kadar takip edilmesini sağlar.

Basınçlı su reaktör yakıtı, demetler halinde yerleştirilmiş silindirik çubuklardan oluşur. Bir uranyum oksit seramiği topaklar haline getirilir ve birlikte paketlenmiş zirkonyum alaşımlı tüplere yerleştirilir. Zirkonyum alaşımlı borular yaklaşık 1 cm çapındadır ve yakıttan kaplamaya ısı iletimini iyileştirmek için yakıt kaplaması boşluğu helyum gazı ile doldurulur . Yakıt demeti başına yaklaşık 179-264 yakıt çubuğu vardır ve yaklaşık 121 ila 193 yakıt demeti bir reaktör çekirdeğine yüklenir . Genellikle yakıt demetleri, 14x14 ila 17x17 arasında demetlenmiş yakıt çubuklarından oluşur. PWR yakıt demetleri yaklaşık 4 metre uzunluğundadır. Zirkonyum alaşımlı tüpler, uzun süreler boyunca yakıt çubuğunun arızalanmasına yol açabilecek pelet kaplama etkileşimini en aza indirmeye çalışmak için helyum ile basınçlandırılır .

Kaynar su reaktörlerinde, demetlerin "konserve" olması dışında yakıt PWR yakıtına benzer; yani her demeti çevreleyen ince bir tüp vardır. Bu öncelikle yerel yoğunluk değişimlerinin nükleer çekirdeğin nötronik ve termal hidroliğini küresel ölçekte etkilemesini önlemek için yapılır . Modern BWR yakıt demetlerinde, üreticiye bağlı olarak montaj başına 91, 92 veya 96 yakıt çubuğu bulunur. En küçük ABD BWR için 368 düzenek ve en büyük ABD BWR için 800 düzenek arasında bir aralık reaktör çekirdeğini oluşturur. Her bir BWR yakıt çubuğu, yaklaşık üç atmosferlik (300 kPa) bir basınca kadar helyum ile geri doldurulur.

moderatör

Bir nötron moderatörü, hızlı nötronların hızını azaltan ve böylece onları uranyum-235 içeren bir nükleer zincir reaksiyonunu sürdürebilen termal nötronlara dönüştüren bir ortamdır . İyi bir nötron moderatörü, nötronları kolayca absorbe etmeyen hafif çekirdekli atomlarla dolu bir malzemedir. Nötronlar çekirdeğe çarpar ve sıçrar. Yeterli darbeden sonra, nötronun hızı, çekirdeklerin termal hızlarıyla karşılaştırılabilir olacaktır; bu nötron daha sonra termal nötron olarak adlandırılır.

Hafif su reaktörü , nötron moderatörü olarak hafif su olarak da adlandırılan sıradan su kullanır . Hafif su, zenginleştirilmemiş doğal uranyum ile kullanılmak üzere çok fazla nötron emer ve bu nedenle bu tür reaktörleri çalıştırmak için uranyum zenginleştirme veya nükleer yeniden işleme gerekli hale gelir ve bu da genel maliyetleri artırır. Bu, onu nötron moderatörü olarak ağır su kullanan bir ağır su reaktöründen ayırır. Sıradan suyun içinde bazı ağır su molekülleri olsa da, çoğu uygulamada önemli olmak yeterli değildir. Basınçlı su reaktörlerinde, soğutucu su, nötronların sudaki hafif hidrojen atomları ile çoklu çarpışmalara girmesine izin vererek, süreçte hız kaybederek moderatör olarak kullanılır. Nötronların bu yumuşaması, su daha yoğun olduğunda daha sık gerçekleşecek çünkü daha fazla çarpışma meydana gelecektir.

Suyun moderatör olarak kullanılması, PWR'lerin önemli bir güvenlik özelliğidir, çünkü sıcaklıktaki herhangi bir artış suyun genleşmesine ve yoğunluğunun azalmasına neden olur; böylece nötronların yavaşlama derecesini azaltır ve dolayısıyla reaktördeki reaktiviteyi azaltır. Bu nedenle, reaktivite normalin üzerine çıkarsa, nötronların azaltılmış ılımlılığı zincirleme reaksiyonun yavaşlamasına ve daha az ısı üretilmesine neden olur. Negatif sıcaklık reaktivite katsayısı olarak bilinen bu özellik, PWR'leri çok kararlı hale getirir. Bir durumunda kaybı-soğutucu kaza , moderatör de kayıp olduğunu ve aktif fizyon reaksiyonu durduracak. Fisyonun radyoaktif yan ürünlerinden zincirleme reaksiyon durduktan sonra bile, nominal gücün yaklaşık %5'inde ısı üretilir. Bu "çürüme ısısı", kapatıldıktan sonra 1 ila 3 yıl boyunca devam edecek ve bunun üzerine reaktör nihayet "tam soğuk kapatmaya" ulaşacaktır. Çürüme ısısı, çekirdeği eritmek için yeterince tehlikeli ve güçlü olsa da, neredeyse aktif bir fisyon reaksiyonu kadar yoğun değildir. Kapatma sonrası periyot sırasında, reaktöre soğutma suyunun pompalanması gerekir veya reaktör aşırı ısınacaktır. Sıcaklık 2200 ° C'yi aşarsa, soğutma suyu olacak yıkmak bir (kimyasal olarak) patlayıcı karışımlar meydana getirebilir, hidrojen ve oksijen. Çürüme ısısı, LWR güvenlik kaydında önemli bir risk faktörüdür.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar