Den globale etterspørselen etter bærekraftige og effektive energikilder har i økende grad rettet oppmerksomheten mot kjernekraft, spesielt avanserte reaktorteknologier som lover å håndtere langvarige bekymringer om avfall og ressursutnyttelse. Blant disse, raske trykkpresseriserte vannreaktorer (PWRs) - en kategori som inkluderer natriumkjølte raske reaktorer og blykjølte raske reaktorer, noen ganger kollektivt referert til som raske reaktorer - står ut for deres potensial til å lukke kjernebrenselssyklusen. Denne artikkelen utforsker hvor raskt PWR-teknologi fungerer, hvorfor stenge drivstoffsyklusen, og hva som gjenstår å oppnå for utbredd distribusjon.

Forstå raske PWR reaktorer

Tradisjonelle kjernereaktorer i drift i dag ⁇ primært lys-vann reaktorer (LWRs) ⁇ bruk termiske nøytroner (nedbrutt av moderatorer som vann) for å opprettholde fissjon av uran-235. Raske reaktorer, i kontrast, opererer med nøytroner som ikke er moderert, noe som betyr at de beholder mye høyere kinetisk energi. Denne endringen i nøytronenergispektrum dramatisk endrer fysikken i reaktorkjernen.

Raske PWR-reaktorer (en bredere betegnelse som noen ganger brukes for raske reaktorer som bruker vann som kjølemiddel, men med et hardere nøytronspektrum, men mer nøyaktig de er raske reaktorer med en rekke kjølemidler) kan \"brenne\" et bredere spekter av fissile isotoper, inkludert plutonium-239 og andre transuraniske elementer som er produsert under normal reaktordrift. Denne evnen er nøkkelen til å konvertere langvarig radioaktivt avfall til korterelevende eller stabile isotoper.

Kjernen til en hurtig reaktor er mer kompakt, ved hjelp av en høyere konsentrasjon av fissil materiale. Den kjølemiddel ⁇ ofte flytende natrium, bly, eller en bly-bismut eutectic ⁇ må effektivt overføre varme uten å moderere nøytroner. Denne utformingen gir også høyere driftstemperaturer, som kan forbedre termisk effektivitet i elektrisitetsgenerasjonen.]]

Konseptet om å stenge kjernefysisk drivstoffsyklus

I den nåværende \"åpne\" kjernedrivstoffsyklusen brukes urandrivstoff en gang i en reaktor, og det brukte drivstoffet lagres på ubestemt tid som avfall. Denne tilnærmingen gjenoppretter bare ca. 1-2% av energipotensialet til det opprinnelige uran. Lukking av drivstoffsyklusen innebærer å skille gjenbrukbare materialer fra det brukte drivstoffet gjennom reprosessering og deretter gjeninnført dem tilbake til reaktorer.

Brukt kjernedrivstoff består av omtrent 95% uran (mest uran-238), 1% plutonium og 4% fissasjonsprodukter og mindre aktinider. I en lukket syklus blir uran og plutonium gjenopprettt og fremstilt i nye brenselelementer. Mest spesielt kan plutonium brukes som drivstoff for raske reaktorer, som også kan \"transmute\" de mindre aktinidene - de mest radiotoksiske og lengst levende komponentene i kjerneavfall - til isotoper med kortere halveringstid.

Proponenter hevder at det å stenge brenselsyklusen drastisk vil redusere volumet og giftighetene til avfall som krever geologisk disponering. Det gjenværende avfallet, primært fissionsproduktene, har en radiotoksisitet som forfaller til bakgrunnsnivåer over noen hundre år i stedet for titusener.]]

Fordeler med raske PWR-reaktorer

  • Effektiv drivstoffbruk: Faste reaktorer kan bruke uran-238 ⁇ den rikelige isotopen som utgjør over 99 % av det naturlige uranet ⁇ ved å konvertere det til plutonium-239 gjennom nøytronfangst, effektivt multiplisere energiutbyttet fra utvinnet uran med en faktor på 60 ⁇ 100. Dette strekker seg over globale uranressurser i århundrer.
  • Vastreduksjon: Ved å brenne transuraniske elementer reduserer raske reaktorer avfallets langsiktige radiotoksisitet. Studier tyder på at en flåte av raske reaktorer som er koblet til reprosessering kan redusere avfallsvolumet på høyt nivå med over 90 % sammenlignet med den ene gjennomgangsssyklusen.
  • Utbredelsesmotstand: Avanserte reprosesseringsmetoder, som pyroprosessering eller ureX+-familien, kan være utformet for å unngå å skille ren plutonium, i stedet å gjenvinne plutonium med mindre aktinider for å skape en blanding som er mindre attraktiv for våpenbruk. Dette forbedrer spredningsmotstand sammenlignet med konvensjonell PUREX-reprosessering.
  • Resourceholdighet: Med avlsevner (fremstille mer fissilt materiale enn forbrukt), kan raske reaktorer muliggjøre en selvbærende brenselssyklus som ikke krever ny urangruvedrift i mange tiår.
  • Redusert disponeringsbelastning: Den endelige avfallsstrømmen fra en lukket syklus inneholder hovedsakelig fissionsprodukter, som forfaller innen noen hundre år. Dette kan forenkle utformingen og redusere den institusjonelle tilsyn som kreves for geologiske arkiver.

Utfordringer mot rask PWR-distribusjon

Teknisk og Ingeniørfaglig Hurdles

Å operere en reaktor med raske nøytroner presenterer unike materialutfordringer. Den høye nøytronfluxen kan forårsake hevelse, emrittlement og kryp i strukturelle legeringer. Natriumkjølemidler, mens utmerket ved varmeoverføring, er kjemisk reaktive med luft og vann, noe som krever komplekse sikkerhetssystemer for å hindre lekker og branner. Lead-kjølte design reduserer denne reaktiviteten, men står overfor problemer med korrosjon og høyere smeltepunkter som kompliserer oppstarts- og nedleggelsesoperasjoner.

Reprosessering teknologi for rask reaktorbrensel er mer krevende enn for konvensjonelt LWR drivstoff. De høye strålingsnivåene fra mindre aktinider krever sterkt skjermet varme celler og fjernhåndteringsutstyr. Pyroprosessering - en elektrokjemisk teknikk ved bruk av smeltede salter - er under utvikling og har bare blitt demonstrert i pilotskala.

Økonomisk viabilitet

Raske reaktorer har høyere kapitalkostnader enn LWRs på grunn av mer komplekse systemer, nye materialer og behovet for drivstofffremstilling og omarbeiding på stedet. Økonomien blir bare gunstig når uranprisene stiger betydelig eller når verdien av avfallsavhendingsbesparelser internaliseres. Nåværende lave uranpriser og tilgjengeligheten av billig naturgass i mange markeder gjør det vanskelig å rettferdiggjøre den foranliggende investeringen.

Livssyklusanalyse viser imidlertid at utplassering av raske reaktorer til slutt kan redusere de totale systemkostnadene ved å redusere antall geologiske arkiver som trengs og ved å forlenge drivstoffressurser. Noen land ⁇ Frankrike, Japan, Russland og India ⁇ har investert sterkt i raske reaktorprogrammer, med Russlands BN-800-reaktor som opererer kommersielt siden 2016.

Regulering og politiske faktorer

Licensing av en hurtig reaktor er en langsom prosess fordi den innebærer en ny design uten omfattende driftshistorie. Reguleringer krever demonstrasjon av sikkerhet under et bredt spekter av ulykkesscenarier, inkludert de unike til natrium eller blykjølemiddelsystemer. Offentlig aksept forblir også en hindring, spesielt når det gjelder omarbeiding og transport av svært radioaktive materialer.

Internasjonalt samarbeid og standardisering av designkoder kan akselerere godkjenning. Det internasjonale atomenergibyrået (IAEA) har utviklet retningslinjer for rask reaktorsikkerhet, men nasjonale forskjeller er fortsatt.

Fremtidig Outlook og pågående forskning

Globale programmer og demonstrasjoner

Flere land utvikler aktivt rask reaktorteknologi. Russland fører med BN-600 og BN-800 (natriumkjølt) og bygger BREST-300 (leder) på den sibirske kjemikombinasjonen. India driver FBTR og bygger en 500 MWe prototype rask oppdrettsreaktor. Kinas CEFR har vært i drift, og Frankrike har lang erfaring med Phénix og Superphénix-reaktorene.

Japans Monju ble stengt permanent i 2016, men forskning fortsetter på JAEA. USA, mens den ikke i dag opererer en rask reaktor, finansierer Versatile Test Reactor (VTR) prosjektet for å gi en rask nøytronstråling evne til drivstoff og material testing.

Innovasjon i drivstoff og omarbeiding

Avanserte drivstoff ⁇ som metalliske legeringer, nitridebrensler og høydensitetsoksidbrensel ⁇ er under etterforskning for å forbedre ytelse, sikkerhetsmarginer og forbrenning. Partisjon og transmutasjon (P&T) forskning har som mål å utvikle prosesser som skiller mindre aktinider med høy effektivitet og deretter innlemme dem i drivstoff for raske reaktorer.

MYRRHA-prosjektet i Belgia (en hybrid-forskningsreaktor med fler formål) og ALLEGRO-prosjektet i Europa er eksempler på neste generasjons hurtigspektrumfasiliteter som vil teste materialer og drivstoff under representative forhold.

Integrasjon med fornybar energi

Raske reaktorer er vanligvis designet for base-last drift, men noen konsepter inneholder belastnings-følgende evner eller termisk energilagring for å supplere variable fornybare stoffer. I et fremtidig energisystem der sol- og vind dominerer, kan raske reaktorer gi jevn, avleveringsbar kraft samtidig som det administreres kjerneavfall fra eksisterende reaktorer.

Potensial for små modulære raske reaktorer

Flere oppstarts- og forskningsorganisasjoner utforsker små modulære hurtigreaktorer (SMFR) med utganger på 10 ⁇ 300 MWe. Disse ville være fabrikk-fabrikkert, redusere anleggskostnader og muliggjøre utplassering i fjernområder eller spesialiserte anvendelser (f.eks. prosessvarme for hydrogenproduksjon). Eksempler inkluderer Oklo Aurora (fast reaktor med varmerør) og Westinghouse LFR (lederkjølt).

Konklusjon

Potensialet til raske PWR-reaktorer ⁇ og raske reaktorer generelt ⁇ å lukke kjernedrivstoffsyklusen er betydelig. De tilbyr en vei til nesten avfallsfri kjernekraft, med dramatisk redusert langvarig radiotoksisitet og en mer bærekraftig drivstoffforsyning. Men tekniske, økonomiske og regulatoriske utfordringer forblir betydelige. Fortsatt investering i demonstrasjonsreaktorer, avansert drivstoffsykluser og internasjonalt samarbeid er avgjørende for å flytte disse teknologiene fra eksperimentell til kommersiell virkelighet.

Hvis disse utfordringene kan overvinnes, kan raske reaktorer forvandle kjernekraft til en nesten uløselig energikilde med lavt karboninnhold som løser avfallsproblemet i stedet for å eksacerbere det. Det neste tiåret av forskning og demonstrasjon vil være kritisk for å bestemme om dette synet blir en hjørnestein i den globale energistrategien.

1 For mer om rask reaktorfysikk, se ]IAEA Fast Reaktor Knowledge Portal.

2 Verdens kjernefysiske forening.]Bedrift av brukt kjernefysisk drivstoff.

Ytterligere lesing: Generasjon IV Internasjonalt Forum ⁇ Fast Reaktors] og NRC Avanserte Reaktorer].