глобальний попит на стійке та ефективне джерела енергії все частіше звертається до ядерної енергії, зокрема сучасних технологій реактора, які обіцяють вирішувати довгострокові побоювання щодо використання відходів та ресурсу. Серед них швидкопресовані реактори води (PWRs)— категорії, що включає в себе високошвидкісні реактори натрієво-зварені швидкі реактори та швидкозварені реактори, іноді колгоспно називаються швидким реакторами, які витримують для свого потенціалу, щоб закрити ядерний цикл палива. Ця стаття досліджує, як швидко працює технологія PWR, чому закриває питання паливного циклу, і що залишається досягнутим для широкого розгортання.

Розуміння швидкого реактиву PWR

Традиційні ядерні реактори в експлуатації сьогодні —примарно світлово-водні реактори (ЛШ)— використовують терморегулятори (повільнені модераторами, як вода) для забезпечення фісузії урану-235. Швидкий реактор, на відміну від, працює з нейтронами, які не помірні, значення, що зберігають набагато більш високу кінетичну енергію. Ця зміна нейтронного енергетичного спектру різко змінює фізику реактора.

Швидко реактори PWR (ширший термін іноді використовується для швидкого реакторів, які використовують воду як охолоджуюча, але з більш твердим нейтронним спектром, хоча більш точно вони швидко реактори з різними охолоджувачами) можуть «горяти» більш широкий спектр фузійних ізотопів, включаючи флютонію-239 та інші трансуріанські елементи, що виробляються при нормальній експлуатації реактора. Ця можливість є запорукою перетворення довголітіх радіоактивних відходів у більш короткі або стабільні ізоти.

Ядро дизайну швидкого реактора є більш компактним, використовуючи більш високу концентрацію фісульного матеріалу. Охолоджуючий -частотний рідкий натрієвий, свинець або провідний евтектичний - ефективно перенести тепло без модеруючих нейтронів. Цей дизайн також дозволяє більш високі експлуатаційні температури, які можуть підвищити термоефективність в генерації електроенергії 1]]

Концепція закриття ядерного палива

В поточному «відкритому» ядерному циклі, враному паливі використовується один раз в реакторі, а відпрацьоване паливо зберігається в невизначеному порядку як відходи. Такий підхід відновлює лише близько 1–2% енергетичного потенціалу оригінального урану. Закриття паливного циклу передбачає відведення реанімованих матеріалів відпрацьованого палива через переробка, а потім перевведення їх в реактори.

Пшеничний ядерний паливо складається з приблизно 95% урану (по-перше уран-238), 1% флутонію, а 4% фісузійних продуктів і незначних актінідів. У закритому циклі уран і плютонію відновлюються і виробляються в нові паливні елементи. Найбільш помітно, флютонію можна використовувати як паливо для швидкого реактора, що також може «перенести» незначні актиніди—найбільш радіотоксичні і найдовший компоненти ядерних відходів—вхідні із коротшою половиною живцями.

Пропоненти стверджують, що закриття паливного циклу значно зменшить обсяг і токсичність відходів, що вимагають геологічної деформації. Решта відходів, в першу чергу, є радіотоксичність, яка зникає на фонові рівні протягом декількох сотень років, а не десятки тисяч 2]

Переваги швидкого реактиву PWR

  • Ефективне використання палива: Швидкий реактори можуть використовувати uranium-238—повний ізотоп, що робить понад 99% природного урану— перетворюючи його до флутонію-239 через неправильне захоплення, ефективно розмножуючи енергоздатність з норованого урану за фактором 60–100. Це розширює глобальні уранові ресурси протягом століть.
  • Пожежне скорочення: При спалювання трансунічних елементів, швидко реактори знижують довгострокову радіотоксичність відходів. Дослідження свідчать, що флот швидкого реактора, що поєднується з репереробкою, може зменшити обсяг відпрацьованих відпрацьованих відпрацьованих відпрацьованих відпрацьованих відпрацьованих свердловин на 90% порівняно з однопроекторним циклом.
  • Профектаційний опір: Додаткові методи репереробки, такі як пірообробка або сімейство UREX+, можуть бути розроблені для уникнення сепарації чистого флутонію, замість ко-відновлення флютонію з незначними актиніди для створення суміші, яка менш приваблива для використання зброї. Це покращує стійкість до розмноження, порівняно з традиційним репроцесуванням PUREX.
  • Послуги сталого розвитку: З розведенням можливостей (виробляючи більш ссильне матеріал, ніж споживане), швидкі реактори можуть дозволити собі самозбереження палива цикл, який не вимагає нового видобутку урану протягом багатьох десятиліть.
  • Отриманий тягар для видалення:. Остаточний потік відходів з закритого циклу містить переважно фісіонні продукти, які розпаду протягом декількох сотень років. Це може спростити дизайн і зменшити інституційний надзор, необхідний для геологічних репозиторій.

Виклики Facing Fast PWR Розгортання

Технічні та інженерні гончари

Ведуться роботи реактора з швидкими нейтронами, що представляють унікальні матеріальні проблеми. Висока нейтронна флюс може викликати набряки, роздратування і creep в структурних сплавах. Содієві охолоджувачі, при цьому відмінні при теплопередачі, є хімічно реактивними з повітрям і водою, що вимагають складних систем безпеки для запобігання витікання і пожеж. Провідні охолоджені конструкції пом'якшують цю реактивність, але стикаються питання з корозією і більшими точками плавлення, які ускладнюють роботу запуску і відключення.

Технологія переробки швидкого реакторного палива більш затребувана, ніж для звичайного палива LWR. Високий рівень випромінювання від неповнолітнього актинідів, що вимагають сильного щитовидної гарячої клітини і дистанційного керування обладнанням. Пірообробка—електрохімічна техніка з використанням molten солей—ременів під розробкою і тільки продемонструвалась в пілотному масштабі.

Економічна життєздатність

Швидко реактори мають більш високі витрати на капітал, ніж LWR, завдяки більш складним системам, новинним матеріалам, і потребам в на місці паливної переробки та репереробних об'єктах. Економіки тільки стають вигідними, коли ціни уран значно підвищуються або коли значення економії відходів внутрішнєлізується. Поточні ціни на низький рівень урану та наявність дешевого природного газу на багатьох ринках складніше заґрунтувати інвестиції.

Проте, аналіз життєвого циклу показує, що розгортання швидко реакторів може остаточно знизити загальну вартість системи, зменшуючи кількість геологорозвідувальних репозиторіїв, необхідних і шляхом розширення паливних ресурсів. Деякі країни — Франція, Японія, Росія та Індія—Даве вкладено значно у швидкому реакторному програмі, з реактором БН-800, що працює комерційно з 2016 року.

Нормативно-політичні чинники

Ліцензування швидкого реактора є повільним процесом, оскільки він передбачає новий дизайн з неширою історією експлуатації. Регулятори вимагають демонстрації безпеки під широким спектром сценаріїв аварії, включаючи ті унікальні для систем теплоносія натрію або свинцю. Публічне прийняття також залишається шурпуром, особливо щодо перероблення та транспортування високо радіоактивних матеріалів.

Міжнародне співробітництво та стандартизацію кодів дизайну може прискорити затвердження. Міжнародне агентство з атомної енергії (IAEA) має розроблені рекомендації щодо швидкої безпеки реактора, але національні відмінності зберігаються.

Майбутнє Outlook та дослідження

Глобальні програми та демонстрації

Кілька країн активно розвивається швидкою технологією реактора. Росія веде з BN-600 і BN-800 (sodium-cooled) і будує BREST-300 (lead-cooled) на Сибірському хімічному комбінаті. Індія працює FBTR і є спорудженням 500 MWe прототипу швидкого породогенератора реактора. Китай CEFR був в експлуатації, а Франція має багаторічний досвід з реакторами Phénix і Superphénix.

Моню Японії було повністю закрито у 2016 році, але дослідження продовжується на JAEA. США, поки не працює швидкий реактор, кошти проекту Versatile Test Reactor (VTR) для забезпечення швидкої нейтронної радіації для тестування палива та матеріалів.

Інновації в паливно-відновлювальних процесах

Розширені паливо — так як металеві сплави, нітридні палива, а також високоточні оксидні палива — підлягають дослідженню для підвищення продуктивності, запасів безпеки та спалювання. Часті та перестановки (P&T) дослідження спрямовані на розвиток процесів, що окремі незначні актиди з високою ефективністю, а потім включають їх в паливо для швидкого реактора.

Проект MYRHA в Бельгії (багатоцільовий гібридний реактор дослідження) та проект AllEGRO в Європі є прикладами базування швидкого спектру, що будуть тестувати матеріали та паливо в умовах представництва.

Інтеграція з відновлюваною енергією

Швидко реактори призначені для роботи з базовим завантаженням, але деякі поняття включають в себе вантажопідйомні можливості або теплове зберігання енергії для доповнення змінних відновлюваних джерел. У майбутньому енергетичній системі, де сонячні та вітрові переважають, швидкі реактори можуть забезпечити стабільну, відвантажувальну потужність, одночасно одночасно керувати ядерними відходами від існуючих реакторів.

Потенціал для малих модульних швидковідносин

Кілька стартапів та дослідницьких організацій досліджують невеликі модульні швидкі реактори (SMFR) з виходами 10–300 МВ. Це буде завод-фабризований, зменшуючи витрати на будівництво сайтів та дозволяє здійснювати розгортання в віддалених зонах або для спеціалізованих додатків (наприклад, процес тепло для виробництва водню). Приклади включають в себе Oklo Aurora (фаст реактор з тепловими трубами) і Westinghouse LFR (lead-cooled).

Висновок

Потенціал швидкого реактора PWR — і швидкі реактори загалом — закривати цикл ядерного палива. Вони пропонують шлях до майже без відходів ядерної енергії, з різко зниженою тривалою радіотоксичністю і більш стійким постачанням палива. Однак технічні, економічні та нормативні виклики залишаються значними. Продовжені інвестиції в демонстраційні реактори, передові паливні цикли, а міжнародна співпраця є важливим для переміщення цих технологій з експериментальної до комерційної реальності.

Якщо ці проблеми можуть бути подолані, швидкі реактори можуть трансформувати ядерну енергію в практично невичерпне джерело енергії, що низьковуглецевої енергії, яка вирішує проблеми відходів, а не згасаючи його. Наступним декафетом дослідження та демонстрації буде критично визначити, чи стає це бачення на межі глобальної енергетичної стратегії.

1] Для отримання більш детальної інформації про фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну динаміку ].

2] Світова атомна асоціація. .Застосування Використовується ядерний паливо. Доступно 2025 червня.

Додаткове читання: Генереація IV Міжнародного форуму – швидкі реактори та NRC Advanced Reactors.