Inleiding

Snelle reactoren vormen een hoeksteen van geavanceerde nucleaire systemen omdat zij aanzienlijk meer energie uit natuurlijk uranium kunnen winnen dan conventionele thermische reactoren, terwijl zij de lange termijn radiotoxiciteit van hoogwaardig afval verminderen. Centraal in de veilige en betrouwbare werking van deze reactoren is het vermogen om de kern onder alle omstandigheden adequaat te koelen, van normale volledige werking tot gepostuleerde ongevalsscenario's. Recente ontwikkelingen in het ontwerp van het kernkoelsysteem hebben belangrijke veiligheidsverbeteringen geïntroduceerd die snelle reactoren dichter bij commerciële toepassing brengen. Dit artikel onderzoekt de nieuwste innovaties op het gebied van passieve koeling, warmtewisselaartechnologie en koelvloeistofchemie die de veiligheid van snelle reactoren hervormen.

De basisprincipes van de snelle reactorkernkoeling

De snelle reactoren werken met een neutronenspectrum dat niet wordt gemodereerd, en vereisen een koelmiddel dat niet significant vertraagt neutronen. Vloeibare metalen zijn de voorkeursklasse van koelmiddelen omdat ze lage neutronenmoderniteit combineren met hoge thermische geleidbaarheid en hoge kookpunten. De drie primaire koelvloeistofkandidaten zijn natrium, lood en loodbismut eutectic (LBE). Elk presenteert verschillende thermofysische en chemische eigenschappen die van invloed zijn op het ontwerp van het kernkoelsysteem.

Natrium als een koelmiddel

Natrium is het meest gebruikte koelmiddel in experimentele en prototype snelle reactoren, waaronder de BN-600 en de Phénix reactor. De hoge thermische geleidbaarheid (ongeveer 70 W/m·K bij reactor bedrijfstemperaturen) en lage smeltpunt (97,7 °C) maken een efficiënte warmteoverdracht mogelijk bij bescheiden pompvermogen. Echter, natrium reageert exothermisch met water en lucht, wat tussenliggende warmteoverdrachtslussen en zorgvuldige lekdetectie vereist. Vooruitgang bij natriumbehandeling en inspectie tijdens gebruik hebben het risico van natrium-water reacties in moderne ontwerpen verminderd.

Lood- en lood-bismutkoelmiddelen

Lood en LBE zijn aantrekkelijke alternatieven vanwege hun chemische inertheid met water en lucht, waardoor het risico op gewelddadige reacties wordt weggenomen. Hun hogere kookpunten (lood: 1749 °C; LBE: 1670 °C) maken het mogelijk om bij atmosferische druk te werken, het primaire systeem te vereenvoudigen en de kans op verlies van koelvloeistofongevallen te verminderen. De belangrijkste uitdagingen zijn corrosie van constructiestaal door vloeibaar lood of LBE en hun hogere dichtheid, waardoor de pompbehoeften en seismische belasting worden verhoogd. Recent onderzoek naar zuurstofgecontroleerde chemie en corrosiebestendige coatings heeft aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het verminderen van deze problemen.

Passieve koelsystemen: minder afhankelijkheid van actieve componenten

Een belangrijke vooruitgang in de snelle reactorveiligheid is de ontwikkeling van passieve systemen voor het verwijderen van vervalwarmte die functioneren zonder actieve pompen, kleppen of elektrische stroom. Deze systemen zijn afhankelijk van natuurlijke circulatie aangedreven door dichtheid gradiënten en gravitatiekop, waardoor inherente veiligheidsmarges.

Hulpkoelingssysteem voor het reactorvat (RVACS)

In het RVACS-concept wordt de vervalwarmte van het reactorvat overgebracht door straling en natuurlijke convectie naar een buitenomsluitingsvat, dat vervolgens warmte via een stapel naar de omgevingslucht afwijst. Het systeem is volledig passief: geen pompen, geen bedieningsactiviteit en geen externe energie is nodig. Het PRISM (Power Reactor Innovative Small Module) ontwerp van GE Hitachi bevat een RVACS die vervalwarmte voor onbepaalde tijd kan verwijderen zonder kernschade. De effectiviteit van RVACS werd aangetoond in het kader van full-scale tests in het kader van het U.S. Department of Energy .

Direct Reactor Auxiliary Cooling System (DRACS)

DRACS koppelt de reactorpool aan een externe natuurlijke-circulatielus door een speciale warmtewisselaar ondergedompeld in het warmkoelvloeistofbad. De lus brengt warmte over naar een lucht- of waterwarmteput. Deze benadering kan hogere warmteverwijderingssnelheden bereiken dan RVACS omdat de warmtewisselaar dichter bij de kern wordt geplaatst. De MYRRHA onderzoeksreactor (een lood-bismut gekoelde snelle spectrumfaciliteit) maakt gebruik van een DRACS als onderdeel van zijn veiligheidsarchitectuur. Analyse toont aan dat DRACS met succes vervalwarmte kan verwijderen, zelfs wanneer de primaire pomp uit is en alle actieve systemen niet beschikbaar zijn.

Natuurlijke circulatie in de primaire lus

Naast de speciale systemen voor het verwijderen van de warmte van verval-warmte, benutten moderne snelle reactorontwerpen de natuurlijke circulatie in de primaire koelvloeistofkring zelf. Tijdens de normale werking dwingen pompen koelvloeistof door de kern. Als pompen uitvalt, ontstaat er een natuurlijk circulatietraject door het verschil in dichtheid tussen de hete kern en het koeler bovenste plenum. Dit verschijnsel maakt het mogelijk de kern gedurende lange perioden zonder pompvermogen voldoende koel te houden. De EBR-II-reactor heeft in 1986 bij een reeks tests van de verlies-van-stroom de effectiviteit van de natuurlijke circulatie in kaart gebracht: de reactor is zonder tussenkomst van de exploitant veilig afgesloten en heeft geen kernschade. Deze tests blijven een referentie voor de inherente veiligheid van snelle reactoren van het pooltype.

Verbeterde warmtewisselaars: verbeteren van de thermische prestaties

Zelfs bij passieve circulatie beïnvloedt de efficiëntie van warmtewisselaars direct de maximale vervalwarmte die kan worden verwijderd en de temperatuurmarges in de kern. Recente innovaties in warmtewisselaars hebben opmerkelijke verbeteringen opgeleverd in compactheid, oppervlakte en weerstand tegen vervuiling.

Gedrukte Circuit Warmtewisselaars (PCHE's)

PCHE's worden vervaardigd door middel van chemisch etskanalen in metalen platen en vervolgens diffusie-bind ze samen. Deze constructie levert extreem hoge oppervlakte-tot-volume verhoudingen (tot 700 m/m.) en kan druk boven 500 bar weerstaan. Voor snelle reactortoepassingen, kunnen PCHE's gemaakt van corrosiebestendige nikkellegeringen of oxide-dispergeerversterkte (ODS) staal werken bij hoge temperaturen die typisch zijn voor lood-gekoelde reactoren (550 oC en hoger). De verminderde voetafdruk vereenvoudigt ook de bouw van reactors en vermindert de kosten. Onderzoekers aan de Universiteit van Californië, Berkeley, hebben een helium-gekoeld PCHE concept voor direct-cyclus gas-gekoelde snelle reactoren aangetoond dat 90% thermische effectiviteit bereikt.

Warmtewisselaars met shell-and-Tube-buizen

Conventionele shell-and-tube ontwerpen worden verbeterd door gebruik te maken van buizen met interne helische vinnen, gedraaide tape inlegstukken of gedompelde oppervlakken die de thermische grenslaag verstoren en warmteoverdrachtcoëfficiënten met 30 .50% verhogen. In natrium-gekoelde systemen helpen deze verbeteringen de lagere temperatuurstijging over de intermediaire warmtewisselaar (IHX) te compenseren en zorgen voor een compacter ontwerp. Het ontwerp van de geavanceerde natrium-gekoelde reactor (ASR) van EDF en CEA bevat een IHX met helisch opgerolde buizen die warmteoverdracht gebied maximaliseren en de warmte-uitbreiding ondersteunen.

Thermische energieopslag als koelbuffer

Sommige snelle reactorconcepten integreren een thermische energieopslag (TES) systeem dat overtollige warmte absorbeert tijdens transiënten of wanneer de turbine offline is. Het opslagmedium kan gesmolten zout, vloeibaar metaal of vaste keramiek zijn. Tijdens normale werking kan het afleiden van een kleine fractie van primaire warmte naar de TES de secundaire lus voorverwarmen en thermische schokken op de turbine verminderen. In een noodgeval kan de TES fungeren als een koelput, waarbij de tijd wordt gekocht voor passieve verval-warmteverwijderingssystemen om volledige capaciteit te bereiken. Het ontwerp van de Europese Sodium Fast Reactor (ESFR) omvat een op natrium gebaseerde TES-module die een extra veiligheidsmarge biedt.

Geavanceerde koelmiddelen en coatings

Corrosie en massaoverdracht van constructielegeringen in het koelmiddel blijven de belangrijkste langetermijndegradatiemechanismen in snelle reactoren. Vooruitgang in de controle van de koelvloeistofchemie en materiaalselectie zijn essentieel om de prestaties van de kernkoeling gedurende een ontwerpduur van 60 jaar te handhaven.

Lood- en LBE-koelmiddelen met zuurstofbeheersing

Door een gecontroleerde zuurstofconcentratie in het gesmolten lood of LBE (gewoonlijk tussen 10-6 en 10-5] met een dunne en aanhechtende oxidelaag vormt zich op stalen oppervlakken. Deze laag fungeert als een diffusiebarrière die de corrosiesnelheid naar grootte vermindert. Recent onderzoek aan het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) en aan het Instituut voor Transuranium Elementen heeft gevalideerde zuurstofbewakings- en injectiesystemen die de zuurstofactiviteit jarenlang binnen het gewenste venster kunnen houden. Deze technologie is essentieel voor de ontwikkeling van lood-gekoelde snelle reactoren zoals de BREST‐300 in Rusland en het ALFRED-project in Europa.

Hoge temperatuur-legeringen en ODS-staal

Oxython-dispersie-versterkte staalsoorten, vervaardigd door mechanisch legering van yttria nanodeeltjes in een ferritische of martensitische matrix, vertonen superieure kruipweerstand en sterkte bij temperaturen tot 700 oC. In natrium met lage zuurstof vertoont ODS-staal een verwaarloosbare corrosie en een uitstekende dimensionale stabiliteit bij snelle neutronenbestraling. De ODS-staalbekleding die wordt ontwikkeld voor de Japanse natriumgekoelde snelle reactor (JSFR) heeft bestralingstests doorstaan tot meer dan 150 dpa (verplaatsingen per atoom), een niveau dat de conventionele austenitisch roestvrij staal zou doen opzwellen.

Zelfhelende koelvloeistofchemie

Nieuw onderzoek onderzoekt het concept van een .Elf-helende koelvloeistof waarin sporenadditieven oxidelagen in real time kunnen repareren. Bijvoorbeeld, kleine toevoegingen van silicium of aluminium aan LBE kunnen stabiele SiO vormen2 of Al2[O3[] lagen op stalen oppervlakken die robuuster zijn dan ijzer-gebaseerde oxiden. Het SILVER (Silicon in Liquid Metals for Enhanced Resistance) project, gefinancierd door de EU, toonde aan dat het toevoegen van 0,1 w% silicium aan lood de corrosiesnelheid van T91 staal met een factor van 20 op 550 o[FLT:]o[FLT:]C. Dergelijke zelf-helende mechanismen kunnen de controle van de koelchemie drastisch vereenvoudigen en de veiligheidsmarges verhogen.

Integratie van voorschotten: veiligheidsvoordelen en aanvaarding van regelgeving

Wanneer passieve koeling, verbeterde warmtewisselaars en geavanceerde koelvloeistofmaterialen worden gecombineerd, is het resultaat een kernkoelsysteem dat aantoonbaar toleranter is voor storingen en extreme belastingen.

Verminderde frequentie van de core damage

Probabilistische veiligheidsbeoordelingen (PSA's) voor geavanceerde snelle reactorontwerpen zoals GE-Hitachi PRISM en het Westinghouse LFR project een kernschadefrequentie (CDF) lager dan 10[-7 per reactorjaar, een orde van grootte lager dan die van de huidige licht-waterreactoren. De meeste risico-significante sequenties omvatten het falen van actieve verval-warmteverwijderingssystemen, die passieve systemen irrelevant maken. De PSA voor de BN‐800 natrium-gekoelde reactor, waarin een hybride actieve/passieve koelsysteem is opgenomen, gaf een CDF vijf keer lager dan de ontwerpdoelstelling.

Vereenvoudigde veiligheidscase

De toezichthoudende instanties zoals de Amerikaanse Nuclear Regulatory Commission (NRC) en de Franse Autorit .de S

Verlengde tijd van het uitzetten

Een van de meest aantrekkelijke kenmerken van passieve koeling is de lange ..openingstijd die zonder bedieningsactie wordt geboden. In het RVACS-ontwerp voor een 150-moleculaire natrium-gekoelde module, blijkt uit analyses dat de reactor kerntemperaturen kan handhaven onder 650 [oC gedurende meer dan acht dagen na een complete blackout van het station, waarbij geen reparatie of externe ondersteuning wordt verwacht. Deze verlengde pauze verandert de noodplanningsgebieden radicaal en vermindert de behoefte aan ondersteuning op de locatie. Soortgelijke marges worden aangetoond voor lood-gekoelde ontwerpen: de -onverzadigde snelle reactorkennisbasis[] bevat talrijke benchmarkberekeningen die de robuustheid van passieve de verwijdering van de de verval-warmte bevestigen.

Casestudies van geavanceerde koelsystemen in operationele en geplande reactoren

De PRISM-reactor (VS)

De door GE Hitachi ontworpen PRISM-reactormodule is een snelle reactor van het natrium-koel-type van 311 MWt die uitsluitend berust op passieve verwijdering van de vervalwarmte. De RVACS levert de uiteindelijke warmteput door de wand van het reactorvat, terwijl een tussenliggende Na-to-Na-lus warmte overdraagt naar de stoomgeneratoren. Alle hulpsystemen bevinden zich boven de reactorpool om te profiteren van de gravitatiekop voor natuurlijke circulatie. Het ontwerp is vóór de toepassing beoordeeld met de VS NRC en is een van de referentieontwerpen in het ]Geavanceerde Reactordemonstratieprogramma[]].

Het MYRRHA-project (België)

MYRRHA (Multi-Purpose Hybride Research Reactor voor High-Tech-toepassingen) is een lood-bismut-gekoeld gaspedaalsysteem (ADS) dat gepland staat in het Belgisch kernonderzoekscentrum (SCK.Haar kernkoelingssysteem omvat een primaire pomp, een DRACS met een speciale luchtkoeler en een secundaire koellus. De DRACS kan 3 MW vervalwarmte uit de 50 MWe kern verwijderen zonder actieve component. Er zijn volledige tests uitgevoerd van de DRACS-warmtewisselaar in de SOLARIS-installatie, waardoor de prestaties van het ontwerp worden gevalideerd onder natuurlijke-circulatieomstandigheden. Het MYRRHA-ontwerp is gelicentieerd onder het Belgische nucleaire regelgevingsstelsel en de bouw zal naar verwachting eind 2020 beginnen.

Het conceptuele ontwerp van het ASTID (Frankrijk)

De Franse alternatieve energieën en de Commissie voor Atoomenergie (CEA) ontwikkelde het concept ASTID (Advanced Sodium Technology Reactor for Industrial Demonstratie) als een 600 mrad natrium-gekoelde snelle reactor. ADRID. kernkoelingssysteem omvat zowel actieve als passieve verval-warmteverwijderingspaden. Het passieve DHR-systeem (REX) gebruikt natuurlijke circulatie van natrium en lucht, met een speciale natrium-luchtwarmtewisselaar in de secundaire lus. Het uitgebreide valideringsprogramma CEA.A.A.A.B., inclusief de NATHAN- en SIGMA-lussen, bevestigde dat REX meer dan 15 MW vervalwarmte kan verwijderen met een temperatuurmarge tot het kookpunt natrium boven 200 oC.

Uitstekende uitdagingen en onderzoeksrichtingen

Ondanks de indrukwekkende vooruitgang zijn er nog steeds verschillende technische uitdagingen voordat geavanceerde koelsystemen commercieel op schaal kunnen worden ingezet. Hogetemperatuurstructurele materialen die geschikt zijn voor een levensduur van 60 jaar in corrosieve koelvloeistof zijn nog niet volledig gekwalificeerd. De stabiliteit van de oxidecoatings onder bestraling op lange termijn wordt nog steeds onderzocht. Kostenreductie in de productie van warmtewisselaars, met name voor PCHE's in grote installaties, blijft een economische hindernis. Tot slot is de integratie van passieve koeling met moderne digitale instrumenten en controlesystemen een zorgvuldig ontwerp vereist om te voorkomen dat er gemeenschappelijke oorzaken ontstaan die een invloed kunnen hebben op meerdere overbodige systemen.

Doorlopend onderzoek in de IAEA .Fast Reactor Working Group en het Generation IV International Forum is het aanpakken van deze kwesties door middel van gecoördineerde internationale programma's. De ontwikkeling van hoge-doorvoer screening methoden voor geavanceerde legeringen, het gebruik van machine learning om de geometrie van warmtewisselaars te optimaliseren, en de demonstratie van autonome controlelogica voor passieve systemen zijn allemaal actieve gebieden van onderzoek. Publiek-private partnerschappen, zoals het Amerikaanse Advanced Reactor Demonstratie Program en de Europese Horizon 2020-projecten, financieren de bouw van grootschalige testfaciliteiten die de validatiegegevens zullen leveren die nodig zijn voor goedkeuring door de regelgeving.

Conclusie

Recente vooruitgang in snelle reactorkernkoelingssystemen heeft de veiligheidssituatie voor deze belangrijke klasse kernreactoren fundamenteel verbeterd. Passieve koelsystemen die afhankelijk zijn van natuurlijke circulatie, verbeterde warmtewisselaars met superieure thermische prestaties en innovatieve koelvloeistofchemieën die corrosie verminderen, combineren met snelle reactorontwerpen die inherent veiliger zijn dan hun voorgangers. Deze ontwikkelingen verminderen de kans op kernschade, vereenvoudigen de vergunningseisen en bieden exploitanten langere rijtijden tijdens ongevallen. Aangezien het wereldwijde energiesysteem op zoek is naar koolstofarme energie en tegelijkertijd de uitdaging van nucleair afval aanpakt, bieden snelle reactoren die zijn uitgerust met geavanceerde koelsystemen een geloofwaardig en overtuigend traject. Voortdurende investeringen in materiaalkwalificatie, volledige tests en betrokkenheid van de regelgeving zullen de inzet van deze systemen versnellen en het volledige potentieel van snelle reactortechnologie ontsluiten.