Rychlý neutronový reaktor

Rychlý neutronový reaktor  je jaderný reaktor , v jehož jádru nejsou žádné moderátory neutronů a spektrum neutronů se blíží energii štěpných neutronů (~ 10 5  eV ). Neutronům těchto energií se říká rychlé, odtud název tohoto typu reaktoru.

Rychlý neutronový reaktor umožňuje přeměnit vyhořelé jaderné palivo na nové palivo pro jaderné elektrárny, tvořící uzavřený cyklus využití jaderného paliva a umožňuje namísto v současnosti dostupných 3 % využít asi 30 % potenciálu jaderného paliva, která zajistí perspektivu jaderné energetiky na tisíciletí.

Historie

První výzkumné a průmyslové reaktory s rychlými neutrony byly navrženy a úspěšně uvedeny do provozu v Sovětském svazu a v současné době má Rusko technologickou prioritu v jejich vývoji a provozu, což otevírá téměř neomezené možnosti využití energetického potenciálu jaderného paliva, včetně odpadu z jaderných elektráren a plutonia pro zbraně.

Rusko zaujímá první místo na světě ve vývoji technologií pro stavbu takových reaktorů, ačkoli mnoho vyspělých zemí to dělá již od 50. let. První energetická jednotka s rychlým neutronovým reaktorem BN-350 byla spuštěna v SSSR v roce 1973 a do roku 1999 pracovala v Aktau . Druhý energetický blok byl v Bělojarské JE instalován v roce 1980 ( BN-600 ) a funguje nepřetržitě dodnes, v roce 2010 byla jeho životnost prodloužena o 10 let [1] . Na stejném místě byl 10. prosince 2015 uveden do provozu reaktor nové generace BN-800 .

Jak to funguje

Vzhledem k malému štěpnému průřezu 235 U rychlými neutrony je pro udržení řetězové reakce nutné udržovat mnohem vyšší síly neutronového pole ve srovnání s tepelnými neutronovými reaktory . V důsledku nárůstu toků neutronů je do procesu transmutace na plutonium zapojena mnohem větší frakce 238 U , což významně rozšiřuje palivovou základnu tohoto typu reaktoru.

V aktivní zóně reaktoru by neměly být účinné moderátory neutronů, především látky s lehkými jádry jako vodík jsou zásadně nepřijatelné . V chladicím systému reaktoru proto nelze použít vodu a uhlovodíky. Tento požadavek si vynucuje použití nízkotavitelných kovů, jako je rtuť, sodík, olovo, jako chladicí kapaliny. Merkur byl rychle opuštěn kvůli jeho vysoké korozivnosti. Dnes byly vyvinuty reaktory s chladivem sodíku, olova-bismutu a olova .

Štěpný průřez v oblasti rychlé energie nepřesahuje 2 barny . K provedení řetězové reakce na rychlých neutronech je proto ve srovnání s tepelnými neutronovými reaktory zapotřebí relativně vysoká měrná hustota štěpného materiálu v aktivní zóně . To si vynucuje použití speciálních konstrukčních řešení, jako jsou neutronové reflektory a palivo s vysokou hustotou, které zvyšují náklady na stavbu a provoz. Radiační zatížení konstrukčních materiálů je také mnohem vyšší než u tepelných neutronových reaktorů.

Rychlé neutronové reaktory mají oproti běžnému tepelnému reaktoru řadu výhod z hlediska bezpečnosti: v reaktoru není vysoký tlak, prakticky nehrozí ztráta chladiva varem, nehrozí nebezpečí vzniku páry-zirkonium reakce , která se stala jednou z příčin výbuchů v JE Fukušima . Na druhou stranu populární sodíkové chladivo prudce reaguje s vodou a na vzduchu hoří, což ztěžuje případnou nehodu úniku. Proto po 3 letech provozu jediné sodíkem chlazené ponorky USS Seawolf (SSN-575) byly učiněny negativní závěry o použitelnosti tohoto typu reaktoru v ponorkové flotile, reaktor na samotné ponorce byl vyměněn za vodou chlazený a sodíkem chlazený design se již nepoužíval v americkém námořnictvu a sovětské námořnictvo se nepoužívalo vůbec. Námořnictvo SSSR bylo vyzbrojeno sériovými jadernými ponorkami s olověným vizmutovým chladicím reaktorem - projekt 705 (K) "Lira" v počtu 7 jednotek, ale nyní byly také vyřazeny z provozu.

Hlavní výhodou tohoto typu reaktoru je schopnost zapojit do palivového cyklu materiály jako uran-238 a thorium -232. To výrazně rozšiřuje palivovou základnu jaderné energetiky. Tyto reaktory navíc umožňují relativně bezpečně se zbavit vyhořelého jaderného paliva nejaktivnějších a nejdéle žijících izotopů , čímž se zásadně snižuje jeho biologická nebezpečnost.

V září 2016 ruští jaderní vědci úspěšně otestovali na plný výkon nový a nejvýkonnější energetický blok na světě s rychlým neutronovým reaktorem - BN-800 z JE Bělojarsk . Spolu s výrobou paliva MOX zahájenou o rok dříve se Rusko stalo lídrem v přechodu na uzavřený cyklus využívání jaderného paliva, který lidstvu umožní získat téměř nevyčerpatelný zdroj energie prostřednictvím recyklace jaderného odpadu, protože konvenční jaderná energetika elektrárny využívají pouze 3 % energetického potenciálu jaderného paliva [1] .

Výzkumné reaktory rychlých neutronů

Průmyslové reaktory s rychlými neutrony

Komerční konstrukce pro reaktory s rychlými neutrony mají tendenci používat konstrukce chlazené tekutým kovem . Obvykle je to buď kapalný sodík , nebo eutektická slitina (přesněji kapalná směs) olova a vizmutu . Taveniny solí ( fluoridy uranu ) byly také považovány za chladiva , ale jejich použití bylo uznáno jako neperspektivní.

Priorita SSSR a Ruska

Experimentální reaktory s rychlými neutrony se objevily v 50. letech 20. století. V 60. a 80. letech 20. století se v SSSR , USA a řadě evropských zemí aktivně prováděly práce na vytvoření průmyslových reaktorů s rychlými neutrony . První průmyslová energetická jednotka s rychlým neutronovým reaktorem BN-350 byla spuštěna v SSSR v roce 1973, druhá energetická jednotka byla instalována v Bělojarské JE v roce 1980 ( BN-600 ). Po uzavření francouzského rychlého sodíkového reaktoru " Phoenix " (Phénix) v roce 2009 zůstalo Rusko jedinou zemí na světě s provozovanými rychlými energetickými reaktory: BN-600 ve 3. energetickém bloku JE Bělojarsk [2] [3] a BN-800 ve 4. m energetickém bloku JE Bělojarsk [4] . Poslední jmenovaný byl spuštěn 10. prosince 2015, do komerčního provozu vstoupil v roce 2016 a v roce 2018 začal využívat sériové palivo MOX vyrobené v Důlním a chemickém závodě Rosatom [ 5] .

Reaktor BN-800 slouží k testování řady technologií pro uzavírání jaderného palivového cyklu pomocí „rychlých“ reaktorů, které řeší problém likvidace vyhořelého jaderného paliva . Rusko vytváří dvousložkový jaderný energetický průmysl, který bude zahrnovat tepelné a rychlé neutronové reaktory, které výrazně rozšíří palivovou základnu mírového atomu a zároveň sníží množství radioaktivního odpadu v důsledku „vyhoření“ nebezpečných radionuklidů. Blok č. 4 Bělojarské JE se stal prototypem výkonnějších komerčních „rychlých“ energetických bloků BN-1200, jejichž výstavba je plánována na třicátá léta 20. století [5] .

Asijské experimenty

Zájem o tento směr projevují asijské země ( Indie , Japonsko , Čína , Jižní Korea ) . V Indii je ve výstavbě demonstrační rychlý sodíkový reaktor PFBR-500 o výkonu 500 MW(e), jehož spuštění bylo naplánováno na rok 2014 [6] , ale k 1. červenci 2017 nebyl reaktor zahájeno [7] . V další fázi Indie plánuje postavit malou sérii čtyř rychlých reaktorů stejné kapacity.

8. května 2010 byl v Japonsku po čtrnáctileté přestávce způsobené požárem v roce 1995, kdy uniklo 640 kilogramů kovového sodíku, poprvé uveden do kritického stavu reaktor Monju . Spouštěcí a seřizovací práce pro jeho uvedení do provozu, jejichž součástí byla série experimentálních výkonů reaktoru na minimální řízenou úroveň, bylo plánováno skončit v roce 2013 . V srpnu 2010 se však při pracích na doplňování paliva do nádoby reaktoru vloupal uzel systému doplňování paliva - 12metrová kovová trubka o hmotnosti 3,3 tuny, která se potopila v sodíku. Téměř okamžitě bylo oznámeno, že pokračování prací na úpravě, a tedy i spuštění, bylo odloženo o 1–1,5 roku [8] [9] [10] [11] [12] . Dne 27. června 2011 byla potopená část vytažena z reaktoru Monju. K vyjmutí části museli specialisté rozebrat horní část reaktoru. Samotné vyzdvižení třítunové konstrukce na povrch trvalo osm hodin [13] . Po několik let byly vyhlídky na „Monju“ nejasné, finanční prostředky nebyly přiděleny [14] . V prosinci 2016 rozhodla japonská vláda o úplném vyřazení jaderné elektrárny Monju z provozu. V roce 2022 je plánováno vyjmutí paliva z reaktoru a v roce 2047 dokončení jeho demontáže [15] [16] .

Reaktory se rtuťovým chladivem

• Rusko/ SSSR
  • BR-2 IPPE , Obninsk , 1956

Rtuť se zpočátku zdála být slibnou chladicí kapalinou. Je to těžký kov a proto špatně zpomaluje neutrony . Spektrum takového reaktoru je velmi rychlé a poměr chovu je vysoký. Rtuť  je kapalina při pokojové teplotě, což zjednodušuje konstrukci (není potřeba ohřívat okruh kapalina-kov pro spouštění), navíc bylo plánováno nasměrování par rtuti přímo do turbíny, což zaručovalo velmi vysoký účinnost při relativně nízké teplotě. Pro zpracování rtuťového chladiva byl postaven reaktor BR-2 o tepelném výkonu 100 kW. Reaktor však fungoval necelý rok. Hlavní nevýhodou rtuti byla její vysoká korozivní aktivita. Po dobu pěti měsíců rtuť doslova rozpouštěla ​​první okruh reaktoru, neustále docházelo k únikům. Dalšími nevýhodami rtuti jsou: toxicita, vysoká cena, vysoká spotřeba energie na čerpání. V důsledku toho byla rtuť uznána jako ekonomicky nerentabilní chladivo.

Unikátní vlastností BR-2 byla také volba paliva – kovového plutonia (slitina σ-fázového plutonia s galliem). Uran byl použit pouze v reprodukční zóně. [17] [18]

Seznam reaktorů

Rychlé reaktory ve výstavbě a projektování

Viz také

• Chovatelský reaktor
• Tepelný neutronový reaktor
• Reaktor s postupnou vlnou
• Palivo MOX

Poznámky

1. ↑ 1 2 Rusko podniká další kroky k přechodu na uzavřený jaderný palivový cyklus . Oficiální stránky Rosatomu . www.rosatominternational.com (29. listopadu 2016). Staženo 17. prosince 2019. Archivováno z originálu 17. prosince 2019. (neurčitý)
2. ↑ :: Jaderné palivo pro reaktor BN-600 (nedostupný odkaz) . Získáno 23. června 2010. Archivováno z originálu 14. března 2010. (neurčitý) 
3. ↑ Rosatom State Corporation "Rosatom" jaderné technologie jaderné elektrárny jaderné elektrárny jaderná medicína . Získáno 23. června 2010. Archivováno z originálu 14. června 2010. (neurčitý)
4. ↑ Reaktor BN-800 spuštěn . mining24.ru Získáno 23. prosince 2015. Archivováno z originálu dne 23. prosince 2015. (Ruština)
5. ↑ 1 2 Expert: Rosatom učinil krok k ovládnutí energetických technologií budoucnosti . RIA Novosti (27. srpna 2019). Získáno 17. prosince 2019. Archivováno z originálu dne 3. prosince 2019. (Ruština)
6. ↑ Fyzické spuštění PFBR-500 proběhne v září 2014 . ATOMINFO.RU (28. července 2013). Získáno 15. června 2014. Archivováno z originálu 11. září 2013. (neurčitý)
7. ↑ Spuštění PFBR-500 odloženo na neurčito . ATOMINFO.RU (1. července 2017). Staženo: 1. července 2017. (neurčitý)
8. ↑ Monju vyšlo na 0,03 % par . AtomInfo.Ru (9. května 2010). Datum přístupu: 30. ledna 2011. Archivováno z originálu 24. dubna 2013. (neurčitý)
9. ↑ Jeden z uzlů systému doplňování paliva se zhroutil uvnitř nádoby reaktoru Monju . AtomInfo.Ru (30. srpna 2010). Datum přístupu: 30. ledna 2011. Archivováno z originálu 3. července 2011. (neurčitý)
10. ↑ Fotografie a schéma incidentu z 26. srpna v jaderné elektrárně Monju zveřejněné v Japonsku . AtomInfo.Ru (11. září 2010). Datum přístupu: 30. ledna 2011. Archivováno z originálu 1. prosince 2012. (neurčitý)
11. ↑ Není možné vyjmout trubku z trupu Monju konvenčními metodami . AtomInfo.Ru (10. listopadu 2010). Datum přístupu: 30. ledna 2011. Archivováno z originálu 2. srpna 2011. (neurčitý)
12. ↑ Japonci navrhují zařízení na zvednutí prasklé trubky v Monju . AtomInfo.Ru (8. února 2011). Datum přístupu: 30. ledna 2011. Archivováno z originálu 24. dubna 2013. (neurčitý)
13. ↑ Specialisté získali třítunový díl z reaktoru Monju v Japonsku, který tam spadl v roce 2010 . AtomInfo.Ru (27. června 2011). Archivováno z originálu 24. dubna 2013. (neurčitý)
14. ↑ Pilotní spuštění reaktoru Monju v Japonsku se bude konat až na jaře 2013 | Ekonomický faktor | Ekologie
15. ↑ Japonsko připustilo nemožnost spuštění jaderné elektrárny s rychlým neutronovým reaktorem . Archivováno z originálu 8. ledna 2017. Staženo 7. ledna 2017.
16. ↑ Prototypový reaktor Monju, kdysi klíčové kolečko v japonské politice v oblasti jaderné energie, bude sešrotován  , The Japan Times Online  (21. prosince 2016). Archivováno z originálu 7. ledna 2017. Staženo 7. ledna 2017.
17. ↑ Lev Kochetkov: od rtuti k sodíku, od BR-1 k BN-600 . Datum přístupu: 29. července 2012. Archivováno z originálu 24. dubna 2013. (neurčitý)
18. ↑ Jurij Bagdasarov: o legendách, rtuti a sodíku . Získáno 29. července 2012. Archivováno z originálu 11. června 2012. (neurčitý)
19. ↑ Rychlá neutronová jaderná elektrárna bude v Japonsku trvale uzavřena . Tepelné elektrárny a jaderné elektrárny (10. 2. 2014). Získáno 24. října 2016. Archivováno z originálu dne 25. října 2016. (neurčitý)

Literatura

• Levin VE Jaderná fyzika a jaderné reaktory. 4. vyd. — M.: Atomizdat , 1979.
• Petunin V.P. Tepelná energetika jaderných zařízení M.: Atomizdat , 1960.
• Klimov A. N. Jaderná fyzika a jaderné reaktory. 2. vyd. Moskva: Energoatomizdat , 1985.

Odkazy

• Rychlé neutronové reaktory // WNA, 2013-03-15
• TRENDY A VÝVOJ RYCHLÝCH NEUTRONOVÝCH REAKTORŮ A SOUVISEJÍCÍCH PALIVOVÝCH CYKLŮ // MAAE, 2013

Slovníky a encyklopedie	Britannica (online)
V bibliografických katalozích	BNF : 11981271t J9U : 987007567828705171 LCCN : sh85047399 NDL : 01182440