BN-800 im KKW Beloyarsk ist einer von zwei schnell laufenden Reaktoren der Welt. 2015 auf Nennleistung gebracht
Unter dem Strich - eine Geschichte über den Entwurf klassischer Kernreaktoren auf thermischen Neutronen, das Prinzip des Betriebs von Kernreaktoren auf schnellen Neutronen (es gibt nur zwei auf der Welt und beide in Russland) und die Schließung des Kernbrennstoffkreislaufs.
Ich bin sicher, es wird für diejenigen interessant sein, denen die Geschichte über den internationalen Bau des 500-Megawatt- ITER- Kernreaktors gefallen hat .
Unser Erzähler ist Aleksey Germanovich Goryunov, Abteilungsleiter und Leiter der Abteilung für Kernbrennstoffkreislauf der Fakultät für Nukleartechnik der Polytechnischen Universität Tomsk, der am Tomsker Siedepunkt einen Vortrag über Zweikomponenten-Energietechnik hielt . Die heutige Geschichte handelt von neuen Technologien für ein friedliches Atom: Schließung des Kernbrennstoffkreislaufs und Zweikomponenten-Atomkraft. Beginnen wir aber damit, wie der Kernbrennstoffkreislauf jetzt funktioniert.
Klassischer Kraftstoffkreislauf
MOX (Mixed-Oxide Fuel) ist ein Kernbrennstoff, der verschiedene Arten von spaltbaren Materialoxiden enthält (normalerweise Plutonium und Uran). NAO, SAO, HLW - verschiedene Arten radioaktiver Abfälle. SNF - abgebranntes Kernbrennstoffzentrum
des modernen Kreislaufs - Kernreaktor auf thermischen Neutronen . Es ist grün hervorgehoben. Der Reaktor verwendet mit Isotop-235 angereichertes Uran als Brennstoff. Um es zu erhalten, wird Uranerz extrahiert, verarbeitet und anschließend eine lange und teure Anreicherung durchgeführt.
In großen Reaktoren, die in der Kernenergie vorherrschen, wie dem unter Druck stehenden wassergekühlten VVR-1000 oder dem Kanal RBMK-1000, wird der abgebrannte Brennstoff nicht wiederaufbereitet. Es wird in den Reaktorkühlbecken gelagert und dann zum Langzeitlager in der Bergbau- und Chemiefabrik transportiert.
Der grundlegende Prozess zur Gewinnung von Brennstoff ist teuer und Rohstoffe sind eine erschöpfbare Ressource. Daher löst die Menschheit das Problem der Schließung des Brennstoffkreislaufs angespannt - dies ist der Zeitpunkt, an dem Brennstoff wieder aus Atommüll hergestellt wird. Jetzt existiert dieses Schema nur in einem kleinen Segment der Kernenergie - in Transport- und Forschungsreaktoren.
Betrachten wir nun das Design moderner Reaktoren.
Thermische Kernreaktoren
Schematisch kann ein Kernkraftwerk mit einem thermischen Neutronenreaktor wie folgt dargestellt werden:
Weiter werden wir über die sogenannte Atominsel sprechen, die den Reaktorteil enthält. Überlegen Sie, welche Reaktoren derzeit in Betrieb sind und welche in naher Zukunft in Betrieb genommen werden können.
Konventionelles Diagramm eines Kernkraftwerks Ein
Reaktor ist eine Vorrichtung, in deren Kern eine kontrollierte autarke Kettenreaktion der Spaltung schwerer Elemente, insbesondere Uran-235, durchgeführt wird. Heute die gängigsten Wasser-Wasser-Kraftwerke. Das Bild zeigt ein Diagramm eines solchen Reaktors.
Konventionelles Diagramm eines Kraftwerks mit einem Druckwasserreaktor
Der Reaktor befindet sich in einem geschützten Gebäude und grenzt an ein separates Gebäude an, in dem sich traditionelle Kraftwerke befinden - eine Turbinenhalle und andere in konventionellen Wärmekraftwerken.
Typischerweise verwenden Reaktoren vier Kühlstränge, um die Zuverlässigkeit zu verbessern. Der erste Reaktorkühlkreislauf umfasst den Reaktor selbst sowie die Hauptumwälzpumpen. Ihre Anzahl entspricht der Anzahl der Kühlfäden - vier. An jedem der Kühlstränge ist ein Dampferzeuger installiert, der den ersten Kreislauf des Reaktors vom zweiten trennt, der das in die traditionelle Insel eintretende Kühlmittel enthält.
Kraftwerk mit VVR-Reaktor
Gesamtansicht des Reaktors selbst:
Es ist anzumerken, dass es sich um einen Druckbehälterreaktor handelt. Eine solche Konstruktion ermöglicht das Erreichen hoher Sicherheitsindikatoren.
Schnelle Kernreaktoren
Zuerst ein bisschen Physik. Ich möchte Sie daran erinnern, dass Isotope Elemente sind, die die gleichen Ordnungszahlen, aber unterschiedliche Atomgewichte haben. Das Interessanteste ist, dass sie unterschiedliche Eigenschaften haben. Beispielsweise ist Uran-238 in thermischen Reaktoren praktisch nicht spaltbar, während Uran-235 spaltbar ist. Um die Wahrscheinlichkeit einer Isotopenspaltung zu beschreiben, verwendet die Kernphysik das Konzept des "Spaltquerschnitts".
Querschnitt der Spaltreaktion von Uran-, Plutonium- und Thoriumisotopen in Abhängigkeit von der Neutronenenergie Die
Abbildung zeigt deutlich, dass wir für Uran-235 und Plutonium-239 eine Kettenreaktion sowohl mit thermischen als auch mit schnellen Neutronen erzeugen können. Und Uran-238 auf der linken Seite des Diagramms (wo sich thermische Neutronen befinden) spaltet nicht. In der Natur ist das Isotop Uran-238 weit verbreitet, das nicht direkt in einem thermischen Reaktor verwendet werden kann. Es gibt sehr wenig Uran-235 in der Natur, und eine teure Anreicherung ist erforderlich, um Kraftstoff zu erhalten.
Der schnelle Neutronenreaktor ermöglicht es, das Anreicherungsverfahren mit Uran-235 zu vermeiden. Aber technisch ist es nicht so einfach.
In einem thermischen Neutronenreaktor wird wie in allen modernen Kraftwerken im Allgemeinen Wasser als Kühlmittel verwendet. Sie überträgt Wärmeenergie auf die Turbinen. Bei ihr ist klar, wie man arbeitet, welche Baumaterialien man verwenden soll. Aus der Kernphysik wissen wir jedoch, dass Wasser die durch die Kernspaltung erzeugten schnellen Neutronen verlangsamt.
Daher werden in einem schnellen Neutronenreaktor üblicherweise flüssige Metalle als Kühlmittel verwendet, was das Design erheblich erschwert.
Hier müssen Sie eine ganze Reihe wissenschaftlicher und experimenteller Designprobleme lösen, einschließlich der Entwicklung neuer Materialien.
Die wahrscheinlichste Reaktion in einem schnellen Neutronenreaktor - Absorption eines Neutrons durch das Isotop Uran-238 - ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Infolgedessen wird natürliches Uran-238 in das Isotop von Plutonium-239 umgewandelt, das ähnliche Spaltungseigenschaften wie Uran-235 aufweist. Und hier wird es möglich, Uran-238, das in thermischen Reaktoren fast nicht spaltbar ist, in neuen Kernbrennstoff umzuwandeln.
Uran-235 und Plutonium-239 sind in ihren Eigenschaften ähnlich. Aufgrund dieser Kerne kann es durchaus zu einer Kettenreaktion kommen: Wenn sowohl schnelle als auch langsame Neutronen absorbiert werden, spalten sich die Kerne und emittieren sekundäre, tertiäre Neutronen usw.
Historisch gesehen sind die am weitesten entwickelten schnellen Reaktoren BN-600 und BN-800 .
Und Russland ist das einzige Land der Welt, in dem industrielle schnelle Neutronenreaktoren betrieben werden.
Ihr Aufbau ist viel komplizierter als der eines Zweikreis-Druckwasserreaktors mit thermischen Neutronen, da flüssiges Natrium mit einem Schmelzpunkt von ~ 98 ℃ als Kühlmittel verwendet wird.
Schema eines Aggregats mit einem schnellen Neutronenreaktor
In Reaktoren mit Natriumkühlmittel können wir kein Zweikreisschema verwenden, bei dem der erste Kreislauf mit Natrium und der zweite mit Wasser gefüllt ist, da die versehentliche Wechselwirkung von bestrahltem Natrium mit Wasser zu besonders schwerwiegenden Folgen führt. Bei der Reaktion dieser beiden Substanzen wird explosiver Wasserstoff freigesetzt, und im Falle einer Explosion ist es äußerst problematisch, das phonierende Natrium zu neutralisieren. Daher wird ein Dreikreisschema verwendet. Der erste Kreislauf ist Natrium (in der Abbildung rot in der Mitte des Reaktors dargestellt), dann ein Wärmetauscher und ein weiterer (Zwischen-) Natriumkreislauf (gelb), mit dem der Grad der Natriumbestrahlung verringert werden kann. Nur im dritten Kreislauf werden Wasser, eine Turbine, thermische Teile und der Rest der Ausrüstung. Drei Schleifen erschweren sowohl den Betrieb des Reaktors als auch dessen Steuerung.
Der nächste Schritt ist BREST
Der Energiekomplex BREST-300 ist die nächste Entwicklungsstufe. Es wird im Rahmen des Rosatom-Projekts "Breakthrough" erstellt. Anstelle von Natrium wird Blei als Wärmeträger verwendet ( Schmelzpunkt 327 ℃). Dies ermöglicht, wie bei Druckwasserreaktoren, nur zwei Kreisläufe zu verwenden, vereinfacht die Steuerung und erhöht die Energieeffizienz.
Das Design dieses Reaktors gewährleistet die sogenannte natürliche Sicherheit: Ein Unfall ist in diesem Reaktor aufgrund des unkontrollierten Auftretens von Neutronen unmöglich, was zu Kettenreaktionen führt (Beschleunigung des Reaktors an Leistung).
Auf diesen Reaktor setzen sich große Hoffnungen. Es kann spaltbare Elemente "verbrennen" und Plutonium produzieren und es dann verwenden, um den Kernbrennstoffkreislauf zu schließen.
Der Zweck der Schließung besteht darin, den Teil der Kette, der mit der Gewinnung von Uran durch seine Anreicherung verbunden ist, schrittweise zu beseitigen und Atommüll wiederzuverwenden.
Zweikomponenten-Atomkraft
Die Zweikomponenten-Energietechnik ist eine Lösung für das Problem der Reduzierung der Menge an angereichertem natürlichem Uran, die für den Betrieb all dieser Reaktoren erforderlich ist. Es hat noch nicht den Höhepunkt seiner Entwicklung erreicht - das wird die Generation der heutigen Schulkinder tun.
Gegenwärtig beginnen wir mit der Herstellung spaltbarer Elemente in schnellen Reaktoren, die es anschließend ermöglichen, hier Brennstoff zu laden, der nicht mit Uran-235 angereichert ist.
BN-600 und BN-800 werden bereits mit dem sogenannten MOX-Kraftstoff (MOX - Mixed-Oxide-Kraftstoff) betrieben, einem Gemisch aus Plutonium-239 und Uranoxiden. Darüber hinaus können die Reaktoren sowohl mit mit Uran-235 angereichertem Brennstoff - und in diesem Fall mit Plutonium-239 - als auch mit Plutonium betrieben werden.
Teilweise geschlossener Kernbrennstoffkreislauf
Auf der Grundlage des experimentellen Demonstrationszentrums in Seversk und künftig des FT-2-Werks in Schelznogorsk befindet sich ein Speicher für abgebrannte Brennelemente. In der letzten Entwicklungsphase befindet sich eine Technologie, mit der Brennstoff nach dem VVR-Reaktor wiederaufbereitet und Uran und Plutonium in den Kreislauf zurückgeführt werden können. Das Wiederaufbereitungsproblem wird auf sehr interessante Weise gelöst: Uran und Plutonium werden nicht getrennt, sondern in gemischter Form in die Produktion überführt. Als Ergebnis erhalten wir Brennelemente für Reaktoren, die regeneriertes Uran und Plutonium sowie zugesetztes natürliches Uran enthalten, das mit dem Isotop-235 angereichert ist.
Natürlich gibt es keine vollständige Schließung des Kernbrennstoffkreislaufs, aber dieser Ansatz ermöglicht es, die Anreicherungskosten zu senken.
Darüber hinaus werden die spaltbaren Elemente, die wir aus dem in VVR-Reaktoren verbrauchten Brennstoff gewinnen, in die Brennstoffkreisläufe schneller Reaktoren gelangen.
Das Schema zum Laden von MOX-Brennstoff, der Plutonium-239 und Uran-238 enthält, in den BN-800-Reaktor wurde bereits ausgearbeitet. Sein Weg ist in der folgenden Abbildung mit einer roten Linie dargestellt.
Das Schema beinhaltet die Verwendung abgebrannter Kernbrennstoffe (SNF) aus einem VVER-Reaktor zusammen mit Oxidbrennstoff mit Uran-235 nach den BN-Reaktoren. Während der Wiederaufbereitung trennen wir eine Mischung aus Plutonium und Uran, aus der MOX-Kraftstoff hergestellt wird. Und der verbrauchte MOX-Brennstoff wird zusammen mit dem Brennstoff nach dem RBMK-Reaktor wiederaufbereitet.
Es stellt sich heraus, dass wir mit der üblichen Beladung von Reaktoren mit Oxidbrennstoff auf der Basis von Uran-235 beginnen und schrittweise durch Herstellung von Plutonium-239 in einem schnellen Reaktor diesen durch MOX-Brennstoff ersetzen.
Wir werden nicht sofort von herkömmlichen zu schnellen Reaktoren wechseln können, da wir für jeden schnellen Neutronenreaktor eine Wiederaufbereitungsinfrastruktur aufbauen müssen, die zunächst nicht geladen wird, da die Reaktoren Brennstoff produzieren müssen, der anschließend wiederaufbereitet wird. Das obige Schema sieht einen reibungslosen Übergang von bestehenden zu schnellen Reaktoren vor. Dieses Schema beinhaltet die Herstellung von Plutonium im BN-800-Reaktor. In Zukunft sollte es leistungsstärkere und kostengünstigere Anlagen geben - BN-1200, die den Zweikomponentencharakter unserer Kernenergie für das nächste Jahrzehnt und die Strategie desselben Rosatoms verkörpern werden.
Interessanter ist jedoch, was im BREST-Projekt passiert. In Seversk wurde bereits mit der Errichtung eines solchen Reaktors mit einer elektrischen Leistung von 300 MW begonnen. Um ihn herum wird ein Komplex aufgebaut, der es ermöglicht, die Probleme der Kraftstoffregeneration zu lösen, d.h. Alle Prozesse im Rahmen des Schließens des Kraftstoffkreislaufs werden an einem Ort konzentriert.
In der Anfangsphase ist eine Auffüllung mit natürlichem oder abgereichertem Uran erforderlich, wie auf dem Bild angegeben. Wenn wir nicht die erforderliche Menge an Plutonium haben, können wir wie im vorherigen Schema mit der Verwendung von kombiniertem Kraftstoff beginnen und nach und nach Plutonium produzieren, wobei wir in einen geschlossenen Kreislauf wechseln.
Auf diesen Reaktor setzen sich große Hoffnungen: Der oben erwähnte natürliche Schutzkreislauf erlaubt es nicht, ihn auf schwere Unfälle zu beschleunigen. Aber hier müssen wir uns einer Reihe von Problemen stellen. Die mit der Herstellung von Plutonium verbundenen Probleme sind bereits teilweise gelöst. Die Wiederaufbereitung von Kernbrennstoffen nach schnellen Reaktoren ist jedoch eine offene Frage. Hier ist auf eine kurze Exposition des Kraftstoffs zu achten: Er ist heiß und hat eine hohe Hintergrundstrahlung. Es ist notwendig, neue technologische Prozesse zu schaffen, diese an den Ständen zu testen und umzusetzen.
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Parallel dazu ist es notwendig, die Lösung des Problems der Entfernung von Abfällen aus dem Kreislauf zu vervollständigen, ohne das natürliche Strahlungsgleichgewicht der Erde zu stören. Der projizierte Kraftstoffkreislauf muss genau die Menge an Strahlung zurückgeben, die wir extrahiert haben. Theoretisch wurde dieses Problem berechnet und kann gelöst werden. Es liegt an der Praxis.
Anders als im letzten Jahrhundert, als es notwendig war, um jeden Preis Atomwaffen und gleichzeitig Atomkraft zu beschaffen und niemand die Wirtschaft berechnete, besteht die Aufgabe nun darin, alles energieeffizient, wirtschaftlich machbar und mit natürlicher Sicherheit zu machen. Und jemand muss das alles tun. So bleiben Spezialisten in diesem und verwandten Bereichen nicht ohne Arbeit.