תפקיד ההנדסה בפיתוח מחזורי דלק גרעיניים בטוחים יותר

אנרגיה גרעינית מספקת כ-10% מהחשמל בעולם ונשארת מקור כוח בסיסי פחמן נמוך קריטי.כפי הביקוש העולמי לאנרגיה נקייה, אמינה, הכרחי לשפר את כל שלב של מחזור הדלק הגרעיני - החל מכרייה והעשרה ועד הדור של כוח וסילוק פסולת - מעולם לא עמד על דיסציפלינות הנדסיות גבוהות יותר בחזית טרנספורמציה זו, ומספקת חידושים המפחיתים סיכונים רדיואקטיביים, מצמצםים, ניצולים ועד למחזורי דלק גרעיניים והופכים את היקף זה למחזורי דלק גרעיני.

יסודות בטיחות דלק גרעיני

מחזור דלק גרעיני מקיף את כל השלבים המעורבים בייצור דלק עבור כורים וניהול הדלק המוציא וכתוצאה מכך (על-פי) מחזור פתוח (once-through), אורניום מועשר, מועשר, מוטבע לתוך אסיפות דלק, המשמש כור, ולאחר מכן מאוחסן או מופץ של פסולת ברמה גבוהה. מחזור סגור מוסיף לשחזר פלוטוניום ומדלק אורניום, אשר יכול להיות מאומץ לתוך מבנים ייחודיים של דלק, 000, 000, 000.

מחזורי דלק בטוחים יותר נועדו להפחית את ה-FLT:0 רדיקאליות FLT ( 1:1 ועומס תרמי של פסולת, לקצר את בזבוז הזמן נשאר מסוכן, ולמנוע הפצת חומרים שניתן יהיה על ידי כלי נשק להשיג מטרות אלה באמצעות פורמולות דלק מתקדמות, עיצובים חדשניים של כור ומערכות בטיחות חזקות אשר מהוות את הפעילות הרגילה והן לתאונות דרכים מעבר לתכנון.

חידושים בתחום הדלק

דלקים קטלניים

בעקבות התאונה של פוקושימה ד'יצ'י בשנת 2011, תעשיית הגרעין העלתה מחקר ל-FLT:0accident-סובלנית דלקים סובלניים (ATFs) אורניום מסורתי (דלק UO2), קלד בסגסוגת zirconium, מגיב באופן קיצוני עם טמפרטורות אדפטיות גבוהות, עלול לגרום לדלקת מימן להחליף או להקליד את ה-OCDD (OCide) כדי לשפר את ה-OCD-OCD) לטמפרטורות גבוהות יותר.

מהנדסים גם פיתחו דלק מיקרו-מבודד מלא (FCM) אשר מזוודה חלקיקים אורניום במריצה סיליקון-carbide.עיצוב זה שומר על מוצרי סדקים גם אם הכשל, מתן מחסום נוסף נגד שחרור רדיונוקליד. Onמתמשכים בדיקות קריסת בכורים מחקר כגון תגובת הניסוי מתקדמת (Idaho המעבדה הלאומית) תוקף את הביצועים של מושגים אלה בתוך העשור הבא של פריסה מסחרית.

דלק אוקסיד (MOX) ו- Beyond

דלק MOX - תערובת של דו תחמוצת פלוטוניום ומדפי אורניום - נעשה שימוש מסחרי באירופה במשך עשרות שנים. על ידי מחזור פלוטוניום ממעבד דלק, MOX מפחית את המלאי של חומר שניתן לשימוש בנשק וזנים על מאגרי גז גאולוגיים.

Recycleing and Reמעבד טכנולוגיות

שיטות עיבוד נוכחיות

תהליך PUREX (Plutonium ו-Uranium Recovery by Extraction) בשימוש בצרפת, בבריטניה, יפן ורוסיה, מפריד פלוטוניום ואורניום ממוצרים של סדקים באמצעות החילוץ הפתיר.השיטה זו כבר פורקה תעשייתית במשך עשרות שנים, אך היא מייצרת זרם פלוטוניום טהור שיש להגן עליו.

גרסה נוספת, התחדשות X+ (Uranium Extraction Plus), נועדה לשחזר לא רק אורניום ופלוטוניום אלא גם Neptunium ו- Technetium, אשר תורמים לרדיו-il ארוך טווח.התהליך משתמש בחבילה של מפלטים המותאמים לכל רכיב, הדורשים הנדסה כימית מדויקת כדי להשיג גורמי הפרדה גבוהים תוך צמצום זרמי פסולת משניים.

Pyroמעבד: משחק שינוי עבור מחזורי דלק סגורים

עיבוד Pyroמעבד, הידוע גם כמעבד אלקטרוכימי, פועל בטמפרטורות גבוהות (500-800 מעלות צלזיוס) באמצעות אלקטרוליטים מלח מלוטנים מלח.בניגוד לשיטות מוזרות, pyroמעבדינג הוא קומפקטי יותר, עמיד יותר לנזק קרינה, ומסוגל לטפל בדאגות קצרות-קועסות דלק.התהליך מחלים אורניום ואלמנטים טרנסאורניים (pluton, americ, כוריום), ריפוי יחד, יכול להיות מנקה לתערובת חדשה.

דרום קוריאה היא מובילה בפיתוח pyroמעבד, עם הנדסה בקנה מידה במכון מחקר אנרגיה אטומית.אתגרים כוללים קורוזיה חומר מלחים מלוטנים, שליטה מדויקת של פוטנציאלים אלקטרודה, וניהול של מלחי פסולת של מוצרים משקעים.מהנדסים מפתחים חומרים אלקטרודה מתקדמים ומערכות טיהור מלח כדי להתגבר על מכשולים אלה, עם מתקנים להפגין התאוששות 99% מעל.

עיצובים מתקדמים ומחזור הדלק סגור

תגובה מהירה של Breeder

כור ספקטרום מהיר יכול להמיר חומרים פוריים (אורניום-238) לתוך פלוטוניום fissile בעודו משדר במקביל פעולה זעירה ארוכה מועד ימים של מעשים קטנים.יכולות אלה מאפשרות מחזור דלק סגור אשר מפחית באופן דרמטי את נפח הפסולת ואת דרישות החילוץ.The FLT:0Generation IV International ForumFLT:1 זיהה את ה-Sodium-cooled מהיר (SFR) ודרישות החילוץ (Loled אנרגיה) כמו טרה מהירה).

חידושים הנדסיים ב-SFRs כוללים משאבות אלקטרומגנטיות ללא חלקים נעים, מחליפי חום קומפקטיים הפחיתים את מלאי נתרן, וסגסוגת דלק מתקדמת כגון אורניום-פלוטוניום-זרום.ה כור ה- BN-800 הרוסי (יחידת Beloyarsk 4) פועלת באופן מסחרי מאז 2016, ומדגימים את יכולת הפעולה המהירה בקנה מידה גדול של ציוד דומה נמצאים תחת פיתוח בהודו, סין, ומהנדסים של ארה"ב, ומתמקדים עם ארה"ב, עם תכונות אבטחה פאסיביות ללא לחץ אוויריות פאסיביות פאסיביות ב-אגרסיביות, ללא לחץ אוויריות אקטיביות, ללא לחץ אוויריות אקטיביות אקטיביות.

מולטן מלח מגיבים

כור מלח מולטן (MSRs) ממיס את הדלק במלח מבוזר פלואוריד או כלוריד מלח, חיסול הצורך בגלימת דלק מוצק ומאפשר הסרת מוצר נפיחות מתמשכת.דלק הנוזל גם מספק שולי בטיחות טבועה: נקודות רתיחה גבוהות למנוע תאונות עיתונות, ואפקטים טמפרטורה שלילי להפחית באופן אוטומטי את פעילות כמו טמפרטורת מלח עולה.

האתגרים הנדסיים כוללים פיתוח חומרי מכולה עמידים בפני קורוזיה (כגון Hastelloy N), תכנון שסתום קפוא חזק עבור חסימה פסיבית, ולהבטיח שליטה כימית מלח אמין.ה-FLT:0:0:0 European Commission's SAMOFAROVAFLT:1 (הערכה בטוחה של מולטן מלח מהירמור) הפרויקט התקדם המודל התרמי של MSR, בעוד שכמו סטארט-אפ עובדים על טרה-קופים.

אתגרים הנדסיים בניהול דלק

אחסון תרמיים ומשלוח

בעוד אתרי כור מצטברים דלק, אחסון ביניים בקסקים יבש הפך הפתרון הסטנדרטי הending רצף קבוע של אתגרים הנדסיים כוללים הבטחת הגבלת חלקיקים רדיואקטיביים, מגן מפני gamma וקרינת נויטרונים, ושמירה על שלמות מבנית במהלך אירועים קיצוניים (כולל רעידות אדמה וטרנדוס) מודרני דו-תכליתיים דו-תכליתיים - מיועד לאחסון והובלת תחבורה - בנייה רב-שכבתית וקונקרטית, עם משטחים פסיביים.

מהנדסים גם פיתחו עיצובים משוחדים המאפשרים בדיקה תקופתית של סלי הדלק ואיטום.מחקר עדכני במעבדות הלאומיות של סנדיה התמקד בבדיקת התנגדות באש של קסקים בקנה מידה מלא, ולוודא כי מערכות האחסון יכולות לעמוד בתרחישים חמורים של תאונות ללא שחרור רדיונוקלידים.

דיחוי עמוק

השלב הסופי של מחזור דלק סגור כרוך לרשות של פסולת ברמה גבוהה ב repositories גיאולוגי עמוק. הנדסה את ה-FLT:0engineered מערכת מחסום מחוספס 1 - הכולל את צורת הפסולת, canister, bu חומר, backfill - דורש עיצוב קפדני כדי להבטיח בידוד במשך אלפי שנים.

מודלים אנליטיים של שיעורי קורוזיה לטווח ארוך, ייצור גז, ורדיוליטיזה חיוני להערכת ביצועים. מהנדסים שוודיים וקנדה פיתחו כלי הערכת בטיחות פרוביביליסטיים המדמים תרחישים שחרור מרובים על פני לוחות זמנים גיאולוגיים, ומבטיחים כי המאגר עומד במגבלות מינון רגולטוריות.

תאומים דיגיטליים וסימפוציה לאופטימיזציה של מחזור דלק

הנדסה מודרנית אימצה תאומים דיגיטליים - העתקים וירטואליים דינמיים של מערכות פיזיות - כדי לייעל את פעילות מחזור הדלק.תאום דיגיטלי של מודלים צמחיים לעיבוד מחדש של עמודות החילוץ, צורני קשר צנטריפוגיים, ופסולת vitrification פרווה בזמן אמת, המאפשר למפעילים להתאים פרמטרים של תהליך עבור בטיחות מקסימלית ויעילות.עבור ליבות כור, תאומים דיגיטליים משלבים, תרמיים, מינרלים, וסימולציות מבניות, וסימולציה של ביצועים מכניים, כדי לתפקודים תחת תנאי דלק לאחר טיפול.

הסוכנות לאנרגיה אטומית הבינלאומית לאנרגיה אטומיתFLT:1 (IAEA) קידמה את השימוש בכלי סימולציה מתקדמים לניתוח בטיחות מחזור דלק, כולל פיתוח מודלים סטנדרטיים של מודולציית תקנים לעיבוד מחדש.מהנדסים גם מעסיקים מחשוב ביצועים גבוהים לביצוע סימולציות מרובות פיסיקה ברמת המערכת, זיהוי מצבי כישלונות פוטנציאליים לפני שהם מתרחשים.

תפקיד מהנדסים בבטיחות ובתקנות

מתקני מחזור דלק גרעיניים חייבים לפעול תחת פיקוח רגולטורי מחמיר של מהנדסים לתרום לכל היבט של רישוי, החל מניסוח הערכות סיכון פרוביביליסטי לתכנון ארכיטקטורות בטיחות עומק הגנה.לדוגמה, מהנדסי בטיחות גרעיניים ליישם את FLT:0 ניתוח בטיחות קבע של בטיחות קבע FLT:1 כדי להוכיח כי מחזור דלק יכול לעמוד במערך של אירועי תכנון-basis (אובדן של אירועים מגניבים, reactivity מחדש, מזהמים, גם מזהמים חיצוניים).

בתחום הבטיחות הביקורתית, מהנדסים ליישם עקרונות שקיפות כפולה, להבטיח כי תאונה תדרוש לפחות שני כשלים עצמאיים להתרחש בו זמנית.זה חשוב במיוחד בגליקת דלק ועיבוד צמחים, שבו חומרים פישל מטופלים בפתרון או בצורת אבקה.האגודה הגרעינית האמריקאית (ANS) מפרסם סטנדרטים כגון ANS-8.1 לבטיחות ביקורתית, אשר מהנדסים להשתמש בציוד עם חומרים גאומטריים בטוחים, חומרים מנהליים.

שיתוף פעולה בינלאומי הוא נושא מרכזי של קבוצות מומחים של ה-OECD, אשר מפתחים הנחיות בטיחות עבור pyroמעבד, חוסר יציבות פסולת, ועיצוב מחדש של מהנדסים ממדינות החברות לבחון במשותף טכנולוגיות חדשות באמצעות פרויקט ה-Heldenor של NEA ושל מתקני הדלק של מרכז המחקר המשותף.

שיקולים כלכליים והנדסת מחזור חיים

פיתוח מחזורי דלק בטוחים יותר דורש איזון שיפורים בטיחות עם יכולת כלכלית. הנדסה עבור בטיחות לעתים קרובות כולל מערכות מחוספסות, תכונות פסיביות וחומרים ברמה גבוהה להגדיל את עלויות ההון.עם זאת, ניתוח מחזורי מחזור חיים מראים כי מחזורי דלק מתקדמים יכולים להפחית עלויות חיצוניות - כגון התחייבויות ניהול פסולת, התערבויות בריאות הציבור, והוצאות תאונת דרכים - על ידי גורם של 2 עד 5 מחזורים פעם, בהתאם לתרחיש.

מהנדסים משתמשים ב-FLT:0 (ההערכה הכלכלית של FLT:0) כדי לייעל את האיזון בין השקעה מעלה לחיסכון לטווח ארוך.לדוגמה, שילוב מתקן קטן בקנה מידה קטן באתר כור קיים עשוי להפחית את הצורך בתשתית לוגיסטית כבדה להובלת דלק, תוך פיזור עלויות הציוד הגבוהות יותר.

הפאנל הבין-ממשלתי לשינוי האקלים 1 (IPCC) מזהה אנרגיה גרעינית כאופציה בעלת פחמן נמוכה בוגרת, אך מציין כי קבלה ציבורית תלויה בהתקדמות מוכחת בניהול פסולת וביטחון. החידושים הנדסיים שהורידו את עלות מחזור דלק סגור - תוך שמירה על שולי בטיחות קפדניים - הם חיוניים להכנת אנרגיה גרעינית פתרון אקלים נרחב.

מסקנה

הנדסה היא הכוח המניע מאחורי כל שיפור בבטיחות מחזור דלק גרעיני.מדלקים סובלניים לתאונה שעומדים בתנאים קיצוניים לעיבוד שהופך פסולת למשאב, מהתאומים הדיגיטליים שמייעלים פעולות למסגרות רגולטוריות שנבנו על ניתוח קפדני, התרומות של מהנדסים מתפשטות.עתיד של אנרגיה גרעינית מסתמך על המשך ההשקעה במחקר, פיתוח והדגמה של טכנולוגיות אלה.