Magnox je řada jaderných reaktorů vyvinutých ve Velké Británii , ve kterých se jako jaderné palivo používá přírodní kovový uran , jako moderátor grafit a jako chladivo oxid uhličitý [1] . Magnox patří do typu plyno-grafitových reaktorů (GCR podle klasifikace IAEA). Název „Magnox“ je stejný jako obchodní název slitiny hořčíku a hliníku používané v těchto reaktorech k výrobě plášťů palivových článků . Stejně jako většina reaktorů první generace je Magnox dvouúčelový reaktor navržený jak pro výrobu plutonia-239 , tak pro výrobu energie. Stejně jako u jiných reaktorů produkujících plutonium je důležitou vlastností nízká absorpce neutronů materiály aktivní zóny. Účinnost grafitového moderátoru umožňuje provoz na přírodní uranové palivo bez nutnosti jeho obohacování. Grafit snadno oxiduje na vzduchu, proto se jako chladicí kapalina používá CO 2 . Teplo se v parogenerátorech přenáší z primárního do sekundárního okruhu a vzniklá pára pohání klasickou turbínu na výrobu elektřiny. Konstrukce reaktoru umožňuje doplňování paliva za pohybu.
Dvojúčelová vlastnost reaktorů Magnox umožnila Spojenému království vybudovat významnou zásobu plutonia pro reaktory přepracováním vyhořelého jaderného paliva v elektrárně B205 . Navzdory modernizaci zaměřené na zvýšení efektivity výroby elektřiny, poté, co výroba plutonia ustoupila do pozadí, nebyly reaktory Magnox z hlediska palivové účinnosti vzhledem ke svým konstrukčním vlastnostem a provozu na neobohacený uran srovnávány s tlakovodními reaktory.
Pouze malý počet reaktorů tohoto typu byl postaven ve Spojeném království a ještě méně bylo vyvezeno do jiných zemí. První reaktor byl postaven v Calder Hall v roce 1956 a je často považován za „první komerční energetický reaktor na světě“, zatímco poslední ve Spojeném království byla jaderná elektrárna Wylfa uzavřená v roce 2015. zůstává Severní Korea jedinou zemí pomocí reaktorů Magnox v Yongbyon Nuclear Research Center . Dalším vývojem plyno-grafitových reaktorů se staly Vylepšené plynem chlazené reaktory , které mají stejné chladivo, ale s řadou změn zvyšujících ekonomickou výkonnost.
Prvním průmyslovým reaktorem ve Velké Británii v plném měřítku byl Windscale Pile v komplexu Sellafield . Byl vytvořen speciálně pro výrobu plutonia-239 z přírodního uranu. K udržení jaderné reakce v takovém palivu jsou zapotřebí tepelné neutrony , což vyžaduje účinný moderátor . V tomto případě byl zvolen extra čistý grafit. Reaktor tvořilo zdivo z velkého množství grafitových bloků, které bylo proraženo kanály pro umístění palivových článků a regulačních tyčí. Palivo kovového uranu bylo uzavřeno v hliníkovém plášti a umístěno v horizontálních kanálech reaktoru. Během provozu reaktoru byly z jeho přední části přidávány čerstvé palivové články a vytlačovány vyhořelé články, které padaly do speciálního bazénu. Vyhořelé palivo bylo odesláno k přepracování k extrakci plutonia. Uvolňování energie v reaktoru bylo relativně nízké a bylo použito chlazení vzduchem s velkými ventilátory profukujícími grafitový komín.
Bombardování grafitu neutrony vede k akumulaci Wignerovy latentní energie v něm a k obnovení jeho struktury je nutné periodické žíhání. Při provozu reaktorů ve Windscale ještě nebyla dostatečně vyvinuta technologie žíhání a 10. října 1957 při takovém postupu došlo k přehřátí paliva, což vedlo k jeho vznícení [2] [3] . Reaktor hořel tři dny a vážné kontaminaci se podařilo zabránit pouze díky filtrům, s nimiž se původně v projektu nepočítalo a byly instalovány v pozdní fázi výstavby. Zajímavé je, že filtry byly dříve zesměšňovány jako zbytečné „nesmysly“ [4] .
Uvolnění se odhaduje na 750 TBq (20 000 Ci ) . Vzhledem k tomu, že havárie v Kyshtymu nebyla mimo SSSR široce známá, byla havárie v Sellafieldu před havárií v jaderné elektrárně Three Mile Island považována za nejzávažnější v historii světového jaderného průmyslu . Podle mezinárodní stupnice jaderných nehod, která klasifikuje události do sedmi úrovní, kde nula znamená, že událost podléhá registraci, ale nebude mít následky, a havárie v Černobylu a Fukušimě jsou umístěny na sedmé úrovni , nehoda na úrovni Chemická továrna Mayak je na šesté úrovni a ve Windscale - na pátém [5] .
Když britský jaderný úřad začal obracet svou pozornost k jaderné energii, potřeba většího množství plutonia zůstávala akutní. . To vedlo k dalšímu vývoji řešení vypracovaných na Windscale Pile, což vedlo k vytvoření výkonnějšího reaktoru schopného sloužit jako zdroj energie pro výrobu elektřiny.
Při vysokém tepelném výkonu se zvyšuje nebezpečí požáru a způsob chlazení vzduchem není vhodný. V reaktorech Magnox to vedlo k použití oxidu uhličitého CO 2 jako chladiva. V konstrukci reaktoru nejsou žádná zařízení pro regulaci průtoku plynu jednotlivými kanály, místo toho se požadovaný průtok nastavuje jednorázově během stavby na základě experimentů provedených na maketě. . Řízení jaderné reakce zajišťovaly regulační tyče z borové oceli umístěné ve vertikálních kanálech.
Při vyšších teplotách hliník neposkytuje dostatečnou pevnost a jako obalový materiál paliva byla zvolena slitina Magnox. Bohužel se reaktivita Magnoxu zvyšuje s rostoucí teplotou, což vede k jeho omezení na 360 °C (680 °F). Při takových teplotách není tvorba páry dostatečně účinná . Tyto teplotní limity znamenají, že reaktor musí být velmi velký, aby poskytoval zvolený výkon. Použití plynu jako nosiče tepla přináší další potíže, protože jeho nízká tepelná kapacita vyžaduje velmi vysoké průtoky.
Palivové prvky reaktoru Magnox se skládaly z čištěného uranu , hermeticky uzavřený ve volném pouzdru naplněném heliem . Plášť byl obvykle žebrovaný, aby se zlepšila výměna tepla s CO 2 . Slitina Magnox dobře reaguje s vodou a vyhořelé palivové články po vyjmutí z reaktoru nemohou být dlouhodobě ponechány v bazénech vyhořelého paliva. Na rozdíl od Windscale Pile používal reaktor Magnox vertikální palivové kanály. Palivové články byly k sobě mechanicky připevněny tak, aby mohly být vyjmuty z kanálů shora.
Stejně jako u Windscale Pile, konstrukce reaktorů Magnox umožňovala přístup k palivovým kanálům a palivo bylo možné měnit, když byl reaktor v provozu. To byl klíčový konstrukční prvek, protože použití přírodního uranu má za následek nízkou míru vyhoření a potřebu častého doplňování paliva. Pro efektivní výrobu energie musí palivové články zůstat v reaktoru co nejdéle, zatímco pro výrobu plutonia musí být doba jejich setrvání v aktivní zóně omezena. Ukázalo se, že složitý systém doplňování paliva je méně spolehlivý než samotná reaktorová elektrárna a nemusí být celkově účinný. [6]
Aktivní zóna reaktoru je uzavřena ve velké tlakové nádobě, která je zase umístěna v betonové budově, která plní funkci biologické (radiační) ochrany. Vzhledem k tomu, že reaktor nepoužíval vodu a nehrozilo tedy nebezpečí výbušného odpařování, byla betonová konstrukce velmi kompaktní, což pomohlo snížit náklady na stavbu. Aby se velikost budovy reaktoru dále zmenšila, konstruktéři v raných verzích umístili parní generátory mimo budovu na ulici. Díky částicím paliva a moderátoru suspendovaným v plynu se celý systém „zářil“ gama paprsky a neutrony. .
Konstrukce reaktorů Magnox se neustále zdokonalovala a postavené elektrárny se od sebe výrazně lišily. Nejprve se tedy parogenerátory přesunuly dovnitř reaktorové budovy a později se v energetických blocích JE Oldbury a JE Vilfa místo ocelových reaktorových nádob začal používat předpjatý železobeton. Pracovní tlak se pohybuje od 6,9 do 19,35 bar pro ocelové trupy a 24,8 a 27 bar pro železobetonové konstrukce. [7]
Žádná britská stavební společnost v té době nebyla dost velká na to, aby postavila všechny elektrárny, takže do stavby byla zapojena různá konkurenční konsorcia, což ještě více prohloubilo rozdíly mezi stanicemi; například téměř každá elektrárna používala vlastní konstrukci palivových článků [8] .
Pro prvotní spuštění reaktoru byl do aktivní zóny umístěn zdroj neutronů pro zajištění iniciace jaderné reakce. Dalším konstrukčním prvkem byly dodatečné absorpční tyče pro vyrovnání (do určité míry) hustoty toku neutronů v jádře. Pokud se nepoužívají, proudění v centru bude příliš silné ve srovnání s periferií, což znesnadňuje regulaci a vede k příliš vysokým teplotám v centru. V každém palivovém kanálu bylo zavěšeno několik vzájemně propojených palivových článků pro vytvoření palivového souboru. Pro zajištění možnosti vyjmutí sestav je žlab vybaven uzamykacím mechanismem. Pružiny použité v strojku obsahovaly kobalt který při vystavení záření vytváří vysoké gama pozadí. K řadě prvků byly navíc připevněny termočlánky, které bylo nutné při vykládání paliva z reaktoru odstranit.
Dvojí účel reaktoru Magnox měl za následek řadu kompromisů, které omezovaly jeho ekonomický výkon. Zatímco probíhala výstavba elektráren Magnox, souběžně probíhaly práce na pokročilém plynem chlazeném reaktoru (AGR) s jasným záměrem učinit elektrárnu ekonomičtější. Hlavní změnou bylo zvýšení teploty v reaktoru na přibližně 650 °C (1202 °F), což značně zvýšilo účinnost parních turbín. To bylo pro magnox příliš horké a AGR měl původně použít nový plášť na bázi berylia, který byl nakonec příliš křehký a byl nahrazen nerezovou ocelí. Ocel absorbovala velké množství neutronů, což si vyžádalo obohacení uranového paliva, což zvýšilo náklady na palivo. Nakonec se ukázalo, že ekonomika elektrárny je o něco lepší než u reaktorů Magnox. .
Konstrukční charakteristiky některých reaktorů Magnox (mohou se lišit od skutečných) [9] :
| Charakteristický | Calder Hall 1956 | Oldbury 1967 | Wilf 1971 |
|---|---|---|---|
| Tepelný výkon reaktoru | 182 MW | 835 MW | 1875 MW |
| Elektrická energie jednotky | 46 MW | 280 MW | 590 MW |
| účinnost bloku | 23 % | 34 % | 33 % |
| Počet palivových kanálů v reaktoru | 1696 | 3320 | 6150 |
| Průměr jádra | 9,45 m | 12,8 m | 17,4 m |
| Výška jádra | 6,4 m | 8,5 m | 9,2 m |
| Průměrný tlak plynu | 7 bar | 25,6 bar | 26,2 bar |
| Průměrná teplota vstupního plynu | 140 °C | 245 °C | 247 °C |
| Průměrná výstupní teplota plynu | 336 °C | 410 °C | 414 °C |
| Celková dodávka plynu | 891 kg/s | 4627 kg/s | 10 254 kg/s |
| Použité palivo | přírodní kov. Uran | přírodní kov. Uran | přírodní kov. Uran |
| Hmotnost uranu v reaktoru | 120 t | 293 t | 595 t |
| Vnitřní průměr nádoby reaktoru | 11,28 m | 23,5 m | 29,3 m ( koule ) |
| Výška nádoby reaktoru | 21,3 m | 18,3 m | — |
| Počet dmychadel | čtyři | čtyři | čtyři |
| Počet parogenerátorů | čtyři | čtyři | jeden |
| Počet generátorů | 2 | jeden | 2 |
První reaktory Magnox v jaderné elektrárně Calder Hall [ 10 ] byly navrženy především k výrobě plutonia pro vojenské účely [11] . Při jaderných přeměnách se v reaktoru uvolňuje velké množství tepla a jeho využití pro výrobu elektřiny bylo považováno za jakýsi „volný“ přídavek.
Calder Hallovy reaktory měly na dnešní poměry nízkou účinnost, pouze 18,8 % [12] . Další etapou vývoje uranovo-grafitových jaderných reaktorů ve Velké Británii bylo v roce 1971 zprovoznění JE Wilf s náplní aktivní zóny přírodním uranem (595 tun) as chladivem CO 2 o tlaku 2,8 MPa. Úroveň vyhoření paliva dosáhla 3,5 MW den/kg, účinnost. - 26 % .
V roce 1957 se britská vláda rozhodla podporovat jadernou energii a plánovalo se, že do roku 1965 budou zavedeny kapacity od 5000 do 6000 MW, což byla čtvrtina potřeby elektřiny v zemi. [11] Ačkoli sir John Cockrockft naléhal na vládu, že „jaderná“ elektřina je dražší než uhelné elektrárny, Spojené království rozhodlo, že jaderné elektrárny by byly užitečné při snižování tlaku ze strany odborů horníků. V roce 1960 byla výroba elektřiny z uhlí uznána o 25 % levnější a v prohlášení vlády Poslanecké sněmovny v roce 1963 bylo řečeno, že výroba elektřiny z jaderných elektráren byla více než dvojnásobkem nákladů na uhlí. generace. Náklady na plutonium vyrobené v reaktoru zvýšily ekonomickou výkonnost jaderných elektráren, [13] ačkoli majitelé elektráren tento příjem nikdy nedostávali. .
Po vyjmutí z reaktoru byly články vyhořelého paliva ochlazovány v bazénech vyhořelého paliva (s výjimkou jaderné elektrárny Wilf, která měla suché úložiště v atmosféře oxidu uhličitého). Vzhledem k tomu, že dlouhodobé skladování prvků v bazénech nebylo možné z důvodu postupné destrukce granátů Magnox, nemohlo být přepracování paliva opožděno, což také zvýšilo provozní náklady [14] .
Svého času byly reaktory Magnox považovány za docela bezpečné kvůli jejich jednoduché konstrukci, nízké hustotě výkonu a použití plynového chladiva. Proto nebyly vybaveny vzduchotěsnými granáty . Zásadou bezpečnosti bylo tehdy zohlednit „maximální projektovou havárii“ a věřilo se, že pokud elektrárna ustojí její následky, odolá i jakékoli jiné havárii menšího rozsahu. Ztráta chladiva (alespoň v objemu uvažovaném v projektu) nepovede k významnému poškození paliva, protože plášť magnoxu, za předpokladu rychlého odstavení reaktoru, zadrží většinu radioaktivního materiálu a zbytkové teplo může odstranit přirozenou cirkulací vzduchu. Protože chladicí kapalina je plyn, výbušné odpařování není hrozbou jako ta, která vedla k černobylské katastrofě . Se selháním systému havarijní ochrany reaktoru nebo poruchou přirozené cirkulace se v projektu nepočítalo. V roce 1967 došlo v jaderné elektrárně Chapel Cross k roztavení paliva v důsledku omezení průtoku plynu v jednom z kanálů, a přestože to nevedlo k vážnému incidentu, radioaktivní emise byly vyšší než ty, které byly zahrnuty v projektu. .
U nejstarších elektráren s prvními reaktory Magnox byly potrubí plynového okruhu a parogenerátory umístěny mimo budovu reaktoru. To vedlo k uvolnění gama a neutronového záření [15] . Maximální dávka záření, kterou v roce 2002 obdržela veřejnost v blízkosti jaderné elektrárny Dungeness , byla 0,56 mSv , což je více než polovina dávky stanovené ICRP pro ozáření veřejnosti [16] . Výrazně nižší se ukázaly dávky z jaderné elektrárny Oldbury a jaderné elektrárny Wilfa , jejichž reaktorové elektrárny jsou zcela uzavřeny v železobetonových budovách.
Celkem bylo ve Spojeném království postaveno 11 elektráren, které kombinují 26 energetických jednotek. Kromě toho byl jeden blok exportován do JE Tokai v Japonsku [17] a druhý blok byl exportován do JE Latina v Itálii. Konstrukce reaktorů Calder Hall byla odtajněna na konci 50. let a byla veřejně dostupná členům MAAE , Severní Korea se stala členem MAAE v roce 1974, čímž získala schémata reaktorů, ze kterých vyvinula vlastní reaktory. [osmnáct]
První elektrárna s reaktorem Magnox, JE Calder Hall, byla první jadernou elektrárnou na světě, která vyráběla elektřinu v průmyslovém měřítku (elektrárna v Obninsku s mnohem nižší kapacitou byla připojena k síti 1. prosince 1954) . První synchronizace se sítí proběhla 27. srpna 1956 a jaderná elektrárna byla oficiálně otevřena královnou Alžbětou II 17. října 1956 [19] . Provoz reaktoru pokračoval téměř 47 let až do jeho uzavření 31. března 2003 [20] .
Dne 30. prosince 2015 oznámil Úřad pro vyřazování jaderných elektráren (NDA) z provozu, že 1. blok jaderné elektrárny Wilfa , posledního provozovaného reaktoru Magnox na světě, byl odstaven. Pohonná jednotka fungovala o pět let déle, než bylo původně plánováno. Oba bloky ve Wilfě měly být uzavřeny již na konci roku 2012, ale NDA se rozhodla ponechat 1. blok ještě nějakou dobu v provozu, aby byly plně využity stávající zásoby paliva, které se již nevyrábí.
Od roku 2016 pokračuje v provozu malý 5 MW experimentální reaktor založený na projektu Magnox v Severokorejském středisku jaderného výzkumu v Yongbyonu .
Slovo "Magnox" je také název slitiny - hlavně hořčíku s malým množstvím hliníku a dalších kovů - ze které je vyroben plášť kovového uranového paliva. Tento materiál má výhodu malého průřezu záchytu neutronů, ale má dvě hlavní nevýhody:
Palivové články Magnox jsou žebrované pro maximální přenos tepla, což zdražuje jejich výrobu. Ačkoli použití kovového uranu spíše než oxidu usnadnilo přepracování paliva, a tím i zlevnilo, krátká doba skladování před přepracováním s sebou nesla určitá rizika. Aby se toto nebezpečí minimalizovalo, byly vyžadovány složité systémy manipulace s palivem.
Termín magnox lze také použít pro:
Úřad pro vyřazení z provozu (NDA) je zodpovědný za vyřazení britských elektráren Magnox z provozu se stanoveným rozpočtem 12,6 miliardy liber. Probíhají diskuse o tom, zda by měla být přijata strategie vyřazování z provozu na 25 nebo 100 let. Za 80 let se radioaktivní materiály rozloží do té míry, že umožní člověku provést demontáž reaktoru. Kratší strategie vyřazování z provozu by vyžadovala plně robotickou techniku [21] [22] .
| název | pohonné jednotky | Výkon , MW (brutto) |
Zahájení stavby |
Start | uzavření |
|---|---|---|---|---|---|
| Berkeley | jeden | 166 | 1957 | 1962 | 1989 |
| 2 | 166 | 1957 | 1962 | 1988 | |
| Bradwell | jeden | 146 | 1957 | 1962 | 2002 |
| 2 | 166 | 1957 | 1962 | 2002 | |
| Dungeness | A1 | 230 | 1960 | 1965 | 2006 |
| A2 | 230 | 1960 | 1965 | 2006 | |
| Calder Hall | jeden | 60 | 1953 | 1956 | 2003 |
| 2 | 60 | 1953 | 1957 | 2003 | |
| 3 | 60 | 1955 | 1958 | 2003 | |
| čtyři | 60 | 1955 | 1959 | 2003 | |
| Oldbury | jeden | 230 | 1962 | 1967 | 2012 |
| 2 | 230 | 1962 | 1968 | 2011 | |
| Sizewell | A1 | 245 | 1961 | 1966 | 2006 |
| A2 | 245 | 1961 | 1966 | 2006 | |
| Trausvinit | jeden | 235 | 1959 | 1965 | 1991 |
| 2 | 235 | 1959 | 1965 | 1991 | |
| Wilf | jeden | 530 | 1963 | 1971 | 2015 |
| 2 | 540 | 1963 | 1971 | 2012 | |
| Hunterston A | A1 | 173 | 1957 | 1964 | 1990 |
| A2 | 173 | 1957 | 1964 | 1989 | |
| Hinkley Point | A1 | 267 | 1957 | 1965 | 2000 |
| A2 | 267 | 1957 | 1965 | 2000 | |
| Chapelcross | jeden | 60 | 1955 | 1959 | 2004 |
| 2 | 60 | 1955 | 1959 | 2004 | |
| 3 | 60 | 1955 | 1959 | 2004 | |
| čtyři | 60 | 1955 | 1960 | 2004 |
| název | Umístění | pohonné jednotky | Výkon , MW |
Zahájení stavby |
Start | uzavření |
|---|---|---|---|---|---|---|
| latina | Itálie | jeden | 160 | 1958 | 1963 | 1987 |
| tokajský | Japonsko | jeden | 166 | 1961 | 1966 | 1998 |
Seznam britských jaderných elektráren
| Britské jaderné elektrárny | |||
|---|---|---|---|
| |||
| Jaderné reaktory | |||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Moderátor | |||||||||||||||
| lehká voda |
| ||||||||||||||
| Těžká vodní chladicí kapalina |
| ||||||||||||||
| Grafit pro chladicí kapalinu |
| ||||||||||||||
| Chybí (na rychlých neutronech ) |
| ||||||||||||||
| jiný |
| ||||||||||||||
| jiné chladicí kapaliny | Tekutý kov: Bi , K , NaK , Sn , Hg , Pb Organické: C 12 H 10 , C 18 H 14 , Uhlovodík | ||||||||||||||
| |||||||||||||||