Kararlı tuz reaktörü - Stable salt reactor

Gri destek yapıları, yeşil ısı eşanjörleri ve pompaları ve kırmızı yakıt tertibatları ile kararlı bir tuz reaktörü çekirdeği.

kararlı tuz reaktörü (SSR), Moltex Energy Ltd tarafından geliştirilmekte olan bir nükleer reaktör tasarımıdır.[1]dayalı Birleşik Krallık ve Kanada.

SSR, aşağıdaki unsurları içerir: erimiş tuz reaktörü ve gelişmiş güvenlik özelliklerine sahip olmayı hedefler (doğal olarak güvenli ) ve ekonomi (LCOE 45 $ / MWh veya daha az ) gelenekselden fazla hafif su reaktörleri. Stabil tuz reaktörleri, kaza senaryolarında radyoaktif salınımları azaltmak için pahalı muhafaza yapılarına ve bileşenlerine ihtiyaç duymayacaktır. SSR'nin tasarımı, aşağıdakilerden sonra meydana gelen yaygın radyolojik kontaminasyon türünü engelleyecektir. Çernobil veya Fukushima kazası Tehlikeli havadaki izotoplar kimyasal olarak soğutucuya bağlıdır. Ek olarak, modüler tasarım, bileşenlerin fabrikada üretilmesine ve standart karayolu taşımacılığı ile şantiyeye teslim edilmesine izin vererek maliyetleri ve inşaat sürelerini azaltacaktır.

Yakıt tasarımı, hafif su reaktörü arasında bir melezdir yakıt grupları ve yakıtın soğutucu ile karıştırıldığı geleneksel erimiş tuz reaktörü yaklaşımları. SSR tasarımında, sıvı tuz yakıt karışımı, mevcut hafif su reaktörü teknolojisine çok benzeyen yakıt düzeneklerinde bulunur. Yakıt grupları daha sonra saf sıvı tuz soğutma sıvısı havuzuna batırılır.

Teknoloji

'Dalış çanı' gaz menfezini ve tüm tertibatı gösteren tek yakıt tüpü.

Reaktör çekirdeğinin temel birimi, yakıt düzeneğidir. Her bir düzenek, 1,6 metre yüksekliğe kadar yakıt tuzu ile doldurulmuş 1 mm sarmal tel sargılı 10 mm çapında yaklaşık 400 yakıt tüpü içerir. Tüplerin tepesinde fisyon gazlarının kaçmasına izin veren dalış zili gaz delikleri vardır.

Reaktörün alışılmadık bir tasarım özelliği, çekirdeğinin dikdörtgen şeklinde olmasıdır. Bu, silindirik bir göbeğe kıyasla nötronik olarak verimsizdir, ancak yakıt düzeneklerinin daha basit hareketine ve çekirdeğin basitçe ilave modüller eklenerek gerektiği gibi uzatılmasına izin verir.

Tertibatlar, yakıt ikmaline benzer şekilde, yanlardan zıt yönlerde giren taze düzeneklerle, çekirdek boyunca yanal olarak hareket eder. CANDU reaktörleri. Her zaman soğutma sıvısı içinde kalarak bitişik bir yuvaya hareket ettirmek için sadece hafifçe kaldırılırlar.

Modüler yapı

Reaktör modülü ve 2 modüllü 300 MWe reaktör çekirdeği.

Reaktör çekirdeği, her biri 375 MW ısıl çıkışa sahip, 10 sıra 10 yakıt tertibatı, üst ve alt destek ızgaraları, ısı eşanjörleri, pompalar, kontrol tertibatları ve enstrümantasyon içeren modüllerden oluşur. Bu modüllerden ikisi veya daha fazlası dikdörtgen bir reaktör tankında yan yana monte edilir. 1200 MWe'lik bir reaktör, bir kamyonun arkasına sığabilen bir tankta mümkündür, bu da teknolojiyi günümüz reaktörlerinden önemli ölçüde daha kompakt hale getirir.[kaynak belirtilmeli ]

Modüllerin (yakıt düzenekleri olmadan) şantiyeye önceden monte edilmiş ve tek bir yolda taşınabilir bileşenler olarak önceden test edilmiş olarak teslim edilmesi planlanmaktadır. Devreye alma sırasında inşaat aşaması tamamlandığında paslanmaz çelik tanka monte edilirler.

Reaktörün üst kısmı bir argon iki vinç tipi sistemi içeren muhafaza kubbesi, reaktör çekirdeği içindeki yakıt düzeneklerini hareket ettirmek için tasarlanmış düşük yüklü bir cihaz ve yakıt düzeneklerini yükseltip soğutucuya indirmek ve tüm modülleri değiştirmek için tasarlanmış bir yüksek yüklü cihaz gerekli olmalıdır. . Tüm reaktör bakımlarının uzaktan yapılması planlanıyor.

Yakıt ve malzemeler

SSR'deki yakıtın üçte ikisinden oluşur sodyum klorit (sofra tuzu) ve üçte biri plütonyum ve karışık lantanit /aktinit triklorürler. İlk reaktörler için yakıtın, bugünün reaktör filosundan dönüştürülmüş geleneksel kullanılmış nükleer yakıttan gelmesi planlanmaktadır, ancak Birleşik Krallık örneğinde, sivil plütonyum dioksit stoklarından gelebilir. PUREX herhangi bir proliferasyon endişesini azaltmak için ilave safsızlıklar ile aşağı karıştırılır ve klorüre dönüştürülür.

Triklorürler, karşılık gelen florür tuzlarına göre termodinamik olarak daha kararlıdır ve bu nedenle, yakıt tüpü üzerine bir kaplama veya bir ek olarak eklenen kurban nükleer sınıf zirkonyum metal ile temas ederek güçlü bir indirgeme durumunda tutulabilir. Sonuç olarak, yakıt tüpü. korozyon riski olmadan standart nükleer sertifikalı çelikten yapılabilir. Reaktör hızlı spektrumda çalıştığından, tüpler çok yüksek nötron akışı ve böylece yüksek seviyelerde acı çekecek radyasyon hasarı tüp ömrü boyunca 100–200 dpa olarak tahmin edilmektedir. Bu nedenle, tüpler için HT9 gibi nötron hasarına karşı yüksek toleranslı çelikler kullanılacaktır. PE16, NF616 ve 15-15Ti gibi yerel tedarik zinciri yeteneklerine bağlı olarak hızlı nötron toleransına sahip diğer çelikler de kullanılabilir.

Yakıt tuzundaki ortalama güç yoğunluğu 150 kW / l'dir ve bu, tuzun kaynama noktasının altında büyük bir sıcaklık marjına izin verir.[kaynak belirtilmeli ]Önemli süreler boyunca bu seviyeyi iki katına çıkarmak için güç zirvesi, yakıt tüpü için güvenli çalışma koşullarını aşmayacaktır.[kaynak belirtilmeli ]

Soğutucu

Reaktör tankındaki soğutucu tuz, bir sodyum zirkonyum florür karışımıdır. Zirkonyum nükleer dereceli değildir ve hala ~% 2 içerir hafniyum. Bu, çekirdek reaktivitesi üzerinde minimum etkiye sahiptir, ancak soğutucu tuzun düşük maliyetli olmasını ve oldukça etkili bir nötron kalkanı olmasını sağlar. Bir metrelik soğutma sıvısı, nötron akısını dört sıra oranında azaltır. SSR'deki tüm bileşenler bu soğutma sıvısı kalkanı ile korunmaktadır.

Soğutucu ayrıca% 1 mol zirkonyum metal içerir (çözünerek% 2 mol ZrF2). Bu onun redoks potansiyeli standart çelik türlerine göre neredeyse aşındırıcı olmayan bir seviyeye. Reaktör tankı, destek yapıları ve ısı eşanjörleri bu nedenle standarttan yapılabilir. 316L paslanmaz çelik.

Soğutucu tuzu, her modüldeki ısı eşanjörlerine bağlı dört pompa tarafından reaktör çekirdeği boyunca dolaştırılır. Akış hızları mütevazıdır, yaklaşık 1 m / s'dir ve bu da düşük pompa gücü ihtiyacına neden olur. Bir pompa arızası durumunda çalışmaya devam etmek için fazlalık vardır.

Emniyet

Kararlı tuz reaktörü, ilk savunma hattı olan kendine özgü güvenlik özellikleri ile tasarlanmıştır. Reaktörü güvenli ve kararlı bir durumda tutmak için operatör veya aktif sistem gerekmez. Aşağıdakiler, SSR'nin arkasındaki birincil iç güvenlik özellikleridir:

Reaktivite kontrolü

SSR kendi kendini kontrol eder ve mekanik kontrol gerekmez. Bu, yüksek bir negatifin kombinasyonu ile mümkün kılınmıştır. sıcaklık reaktivite katsayısı ve yakıt tüplerinden ısıyı sürekli olarak alma yeteneği. Sistemden ısı çekildikçe sıcaklık düşer ve reaktivitenin artmasına neden olur. Reaktör ısındığında reaktivite düşer. Bu tür büyük negatif reaktivite geri beslemesi, reaktörün 800 ° C'yi aşan sıcaklıklarda her zaman kapalı (kritik altı) durumda olmasına izin verir. Bu, reaktivite sokma kazası gibi tüm aşırı güç senaryolarına karşı güvenlik sağlar. Kapatma yeteneği, çekirdeğin kenarı boyunca yakıt düzeneklerinin reaktör tankı içindeki depolanmasına kadar çıkarılmasıyla sağlanır. Bu, sistemi alt kritik hale getirir. Çeşitli ve yedekli güvenlik sistemlerine sahip olmak adına, dört adet hızlı etkili boron kontrol bıçağı da bulunmaktadır.[2].

Uçucu olmayan radyoaktif malzeme

Erimiş tuz yakıtının uygun kimyayla kullanılması tehlikeli uçucu iyot ve sezyumu ortadan kaldırarak, şiddetli kaza senaryolarında havadan gelen radyoaktif dumanların önlenmesinde çok katmanlı muhafazayı gereksiz kılar. asil gazlar xenon ve kripton reaktör çekirdeğini normal çalışmasında terk edecekti, ancak radyoaktif izotopları bozulana kadar hapsolacaktı, bu yüzden bir kazada serbest bırakılabilecek çok az şey olacaktır.[3]

Yüksek basınç yok

Bir reaktör içindeki yüksek basınçlar, radyoaktif malzemelerin su soğutmalı bir reaktörden dağıtılması için bir itici güç sağlar. Erimiş tuzlu yakıtlar ve soğutucular, SSR'nin çalışma sıcaklığının çok üzerinde kaynama noktalarına sahiptir, bu nedenle çekirdeği atmosferik basınçta çalışır. Buhar üreten sistemin ikincil bir soğutma sıvısı döngüsü vasıtasıyla radyoaktif çekirdekten fiziksel olarak ayrılması, reaktörden gelen bu itici gücü ortadan kaldırır. Yakıt tüplerindeki yüksek basınçlar, fisyon gazlarını çevreleyen soğutucu tuza boşaltarak önlenir.

Düşük kimyasal reaktivite

Zirkonyum içinde basınçlı su reaktörleri (PWR'ler) ve sodyum içinde hızlı reaktörler her ikisi de ciddi patlama ve yangın riski potansiyeli yaratır. SSR'de kullanılan kimyasal olarak reaktif malzeme yoktur.

Çürüme ısı giderme

Bir nükleer reaktör kapandıktan hemen sonra, önceki çalışma gücünün neredeyse% 7'si, kısa yarılanma ömrünün azalmasıyla üretilmeye devam ediyor fisyon ürünleri. Geleneksel reaktörlerde, bunun kaldırılması çürüme ısısı Düşük sıcaklıkları nedeniyle pasif olarak zordur. SSR çok daha yüksek sıcaklıklarda çalışır, bu nedenle bu ısı çekirdekten hızla uzaklaştırılabilir. Bir reaktörün kapanması ve SSR'deki tüm aktif ısı giderme sistemlerinin arızalanması durumunda, çekirdekteki bozunma ısısı, sürekli olarak çalışan tankın çevresi etrafındaki hava soğutma kanallarına dağılır. Ana ısı transfer mekanizması ışınımlıdır. Isı transferi, sıcaklıkla önemli ölçüde artar, bu nedenle çalışma koşullarında ihmal edilebilir, ancak daha yüksek kaza sıcaklıklarında çürüme ısısının giderilmesi için yeterlidir. Bu işlem sırasında reaktör bileşenleri zarar görmez ve tesis daha sonra yeniden başlatılabilir.

Nükleer atık mirasına bir çözüm

Nükleer enerji kullanan çoğu ülke, harcanan nükleer yakıtı, nükleer enerjiye kadar radyoaktivite doğal uranyuma benzer seviyelere düşmüştür. Atık toplayıcı olarak hareket eden SSR, bu atıkları yönetmenin farklı bir yolunu sunuyor.

Hızlı spektrumda çalışan SSR, uzun ömürlü aktinitleri daha kararlı izotoplara dönüştürmede etkilidir. Yeniden işlenmiş kullanılmış yakıtla beslenen günümüz reaktörleri, kararlı bir pelet oluşturmak için çok yüksek saflıkta plütonyuma ihtiyaç duymaktadır. SSR, kritik hale gelebildiği sürece yakıtında herhangi bir seviyede lantanit ve aktinit kontaminasyonu olabilir. Bu düşük saflık seviyesi, mevcut atıklar için yeniden işleme yöntemini büyük ölçüde basitleştirir.

Kullanılan yöntem şuna dayanmaktadır: Pyroprocessing ve iyi anlaşılmıştır. Kanada Ulusal Laboratuvarları tarafından CANDU yakıtının yeniden işlenmesine ilişkin 2016 tarihli bir rapor, piro işlemenin daha geleneksel yeniden işlemenin maliyetinin yaklaşık yarısı kadar olacağını tahmin ediyor. SSR için Pyroprocessing, geleneksel pyroprocessing adımlarının yalnızca üçte birini kullanır ve bu da onu daha da ucuz hale getirir. Mayınlı uranyumdan taze yakıt üretme maliyeti ile potansiyel olarak rekabet edebilir.

SSR'den gelen atık akışı tüpler içinde katı tuz şeklinde olacaktır. Bu, bugün planlandığı gibi 100.000 yıldan fazla yer altında vitrifiye edilebilir ve depolanabilir veya yeniden işlenebilir. Bu durumda, fisyon ürünleri ayrıştırılacak ve uranyum cevherine benzer seviyelere çürümeleri için gereken birkaç yüz yıl boyunca zemin seviyesinde güvenli bir şekilde depolanacaktır. Zahmetli uzun ömürlü aktinitler ve kalan yakıt, yanacakları ve daha kararlı izotoplara dönüştürülecekleri reaktöre geri gidecekti.

Diğer kararlı tuz reaktörü tasarımları

Kararlı tuz reaktörü teknolojisi oldukça esnektir ve birkaç farklı reaktör tasarımına uyarlanabilir. Standart yakıt düzeneklerinde erimiş tuz yakıtının kullanılması, dünya çapında geliştirilmesi düşünülen çok çeşitli nükleer reaktörlerin Kararlı Tuz versiyonlarına izin verir. Ancak bugün odak noktası, hızlı geliştirmeye ve düşük maliyetli reaktörlerin piyasaya sürülmesine izin vermektir.

Moltex Energy, yukarıda tartışılan hızlı spektrumlu SSR-Wasteburner'ın konuşlandırılmasına odaklanmıştır. Bu karar, esas olarak daha düşük teknik zorluklar ve bu reaktörün daha düşük tahmini maliyetinden kaynaklanmaktadır.

Uzun vadede, borulardaki erimiş yakıt tuzunun temel atılımı diğer seçenekleri ortaya çıkarır. Bunlar, uygulanabilirliklerini doğrulamak için kavramsal düzeyde geliştirilmiştir. Onlar içerir:

  • Uranyum brülör (SSR-U) Bu bir termal spektrum reaktörü yanıyor düşük zenginleştirilmiş uranyum mevcut bir nükleer filosu olmayan ve atıklarla ilgili endişeleri olmayan uluslar için daha uygun olabilir. İle yönetilmektedir grafit yakıt grubunun bir parçası olarak.
  • Toryum yetiştiricisi (SSR-Th) Bu reaktör şunları içerir: toryum yeni yakıt üretebilen soğutucu tuzda. Toryum sağlayabilen bol bir yakıt kaynağıdır enerji güvenliği yerli uranyum rezervleri olmayan uluslara.

Bu reaktör seçenekleri yelpazesi ve mevcut büyük küresel uranyum ve toryum rezervleriyle, Kararlı Tuz Reaktörü birkaç bin yıl boyunca gezegeni besleyebilir.

Ekonomi

gecelik sermaye maliyeti Sabit tuz reaktörünün% 95'i bağımsız bir İngiliz nükleer mühendislik firması tarafından 1.950 $ / kW olarak tahmin edildi.[4] Karşılaştırma için, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki modern bir pülverize kömür santralinin sermaye maliyeti 3.250 $ / kW ve büyük ölçekli nükleerin maliyeti 5.500 $ / kW'dır.[5] Modüler fabrika tabanlı inşaat için bu gecelik maliyette daha fazla düşüş beklenmektedir.

Bu düşük sermaye maliyeti, seviyelendirilmiş elektrik maliyeti (LCOE), SSR'nin daha fazla basitliği ve içsel güvenliği nedeniyle daha fazla azaltma için önemli bir potansiyele sahip 44,64 $ / MWh.[kaynak belirtilmeli ]

Teknolojinin ticari öncesi niteliği göz önüne alındığında, sermaye maliyeti ve LCOE rakamları tahminidir ve geliştirme ve lisanslama sürecinin tamamlanması, yukarı veya aşağı doğru ayarlamalara neden olabilir.

Ulusal Enerji Ajansı 2040'a kadar 219 GWe'lik pazar fırsatıyla nükleer enerjinin küresel enerji arzında sürekli küçük bir rol oynayacağını tahmin ediyor. Gelişmiş SSR ekonomisi ile Moltex Energy, 2040'a kadar 1.300 GWe'nin üzerinde bir pazara erişim potansiyeline sahip olduğunu tahmin ediyor. .

Geliştirme

Pompalanmamış erimiş tuz yakıtının kullanımına ilişkin temel patent 2014 yılında verilmiştir.[6]ve o zamandan beri uygulamaya ilişkin başka patentler başvurmuş ve verilmiştir.

SSR-W şu anda Satıcı Tasarım İncelemesi Aşama 1'den geçiyor[7] ile gözden geçirmek Kanada Nükleer Güvenlik Komisyonu Hem ABD[8][9] ve Kanadalı[10] hükümetler SSR teknolojisinin unsurlarının geliştirilmesini destekliyor.

Moltex Energy, New Brunswick Energy Solutions Corporation ve NB Power ile imzalanan bir anlaşma kapsamında Kanada'daki Point Lepreau nükleer santral sahasında bir Denge Tuz Reaktörü (Wasteburner) inşa edecek.[11]

Tanıma

Yukarıda belirtilen ABD ve Kanada hükümetleri tarafından yapılan geliştirme desteği seçiminin yanı sıra, SSR 2020 yılına kadar önde gelen bir SMR teknolojisi olarak tanımlanmıştır. Tractebel analiz[12]ve SSR, New Brunswick Power tarafından 90 adaylık bir alandan daha fazla ilerleme için iki SMR adayından biri olarak seçildi[13]. Ayrıca Birleşik Krallık hükümetinin Faz 1 Gelişmiş Modüler Reaktör yarışmasının bir parçası olarak seçildi[14].

Dış bağlantılar

Referanslar

  1. ^ "Moltex Energy | Daha Güvenli Daha Ucuz Temiz Nükleer | Kararlı Tuz Reaktörleri | SSR". Moltex Energy LLP. Alındı 2017-01-25.
  2. ^ "Moltex Enerji Teknolojisi Portföyüne Giriş" (PDF). Moltex Enerji. Alındı 15 Ekim 2019.
  3. ^ "Kararlı Tuz Reaktöründe Gaz Halindeki Fisyon Ürünleri" (PDF). Moltex Energy Ltd. Arşivlenen orijinal (PDF) 2016-06-19 tarihinde. Alındı 2017-01-25.
  4. ^ Brooking, Jon (2015/01/01). "Kararlı tuz reaktörü için tasarım incelemesi ve hazop çalışmaları". Alıntı dergisi gerektirir | günlük = (Yardım)
  5. ^ "Moltex Energy, İngiltere ve Kanada SMR lisansını Asya'ya sıçrama tahtası olarak görüyor". Nükleer Enerji İçeriden. 28 Haziran 2016. Alındı 2017-01-25.
  6. ^ "Patent GB2508537A" (PDF).
  7. ^ "Ön Lisans Sağlayıcı Tasarım İncelemesi".
  8. ^ "MALİYET SSR (SSR İÇİN KOMPOZİT YAPISAL TEKNOLOJİLER)".
  9. ^ "Argonne, dijital ikizlerin nükleer enerjiyi ARPA-E'nin GEMINA programından 8 milyon dolarla nasıl dönüştürebileceğini keşfedecek".
  10. ^ "SMR yakıt araştırmalarında CNL & Moltex Energy ortağı".
  11. ^ https://www.nextbigfuture.com/2018/07/moltex-molten-salt-reactor-being-built-in-new-brunswick-canada.html
  12. ^ "SMR teknolojilerinin karşılaştırmalı değerlendirmesi" (PDF). 2020-01-28.
  13. ^ "IDOM, Moltex Energy'ye yatırım yapıyor".
  14. ^ "Gelişmiş Modüler Reaktör (AMR) Fizibilite ve Geliştirme Projesi".