ВР-1
Реактор Уайтшелл № 1 , или WR-1 , был канадским исследовательским реактором , расположенным в AECL компании лабораториях Уайтшелл (WNRL) в Манитобе . Первоначально известный как эксперимент с дейтериевым реактором с органическим охлаждением ( OCDRE ), [1] он был построен для проверки концепции реактора типа CANDU заменен , в котором тяжелый водный теплоноситель масляным веществом. Это имело ряд потенциальных преимуществ с точки зрения стоимости и эффективности.
Реактор мощностью 60 МВт был спроектирован и построен канадской General Electric и обошелся в 14,5 миллионов канадских долларов. Строительство началось 1 ноября 1962 года. [2] Он достиг критичности 1 ноября 1965 г. [2] и полная мощность в декабре 1965 года. Попытки коммерциализации конструкции начались в 1971 году, но закончились в 1973 году, когда агрегаты с тяжеловодным охлаждением стали стандартом. С тех пор WR-1 работал на пониженных пределах мощности для экспериментов по облучению и обогрева площадки WNRE.
WR-1 в последний раз был остановлен 17 мая 1985 года, топливо выгружено, а по состоянию на 2013 год [update] находится на этапе вывода из эксплуатации, который планируется завершить в 2023 году.
Дизайн
[ редактировать ]Основное деление
[ редактировать ]Природный уран состоит из смеси изотопов , в основном 238 U и гораздо меньшее количество 235 U. Оба этих изотопа могут делиться при ударе нейтрона достаточной энергии, и в рамках этого процесса они выделяют нейтроны средней энергии. Однако только 235 U может подвергаться делению при ударе нейтронами других атомов урана, что позволяет поддерживать цепную реакцию . 238 U нечувствителен к этим нейтронам и поэтому не делится, как 235 У. Пока 235 U чувствителен к этим нейтронам, скорость реакции значительно увеличивается, если нейтроны замедляются от их первоначальных релятивистских скоростей до гораздо более низких энергий, так называемых скоростей тепловых нейтронов . [3]
В массе чистого природного урана число и энергия нейтронов, высвобождающихся в результате естественного распада, слишком малы, чтобы вызвать заметные события деления за несколько секунд. 235 Атомы U присутствуют. Чтобы увеличить скорость захвата нейтронов до точки, где может произойти цепная реакция, известная как критичность , необходимо модифицировать систему. В большинстве случаев масса топлива разделяется на большое количество более мелких топливных таблеток , а затем окружается каким-либо замедлителем нейтронов , который замедляет нейтроны, тем самым увеличивая вероятность того, что нейтроны вызовут деление в 235 Вы в других гранулах. Часто самым простым замедлителем является обычная вода; когда нейтрон сталкивается с молекулой воды, он передает ей часть своей энергии, повышая температуру воды и замедляя нейтрон. [3]
Основная проблема использования обычной воды в качестве замедлителя состоит в том, что она также поглощает часть нейтронов. Баланс нейтронов в естественной смеси изотопов настолько близок, что даже небольшое их количество, поглощаемое таким образом, означает, что их слишком мало для поддержания критичности. В большинстве конструкций реакторов эта проблема решается путем незначительного увеличения количества 235 Ты относительно 238 U, процесс, известный как обогащение . Полученное топливо обычно содержит от 3 до 5% 235 U, по сравнению с естественным значением чуть менее 1%. Оставшийся материал, теперь почти не содержащий 235 U и состоящий из почти чистого 238 U известен как обедненный уран . [4]
Обычный КОГДА
[ редактировать ]Конструкция CANDU решает проблему замедления путем замены обычной воды тяжелой водой . Тяжелая вода уже имеет дополнительный нейтрон, поэтому вероятность поглощения нейтрона деления во время замедления практически исключена. Кроме того, он подвержен другим реакциям, которые еще больше увеличивают количество нейтронов, выделяющихся во время работы. Нейтронная экономика улучшена до такой степени, что даже необогащенный природный уран будет сохранять критичность, что значительно снижает сложность и стоимость заправки реактора, а также позволяет использовать ряд альтернативных топливных циклов, в которых используется еще меньше реакционноспособных элементов. Недостатком этого подхода является то, что 235 Атомы урана в топливе распределяются по большей массе топлива, что увеличивает размер активной зоны реактора для любого заданного уровня мощности. Это может привести к увеличению капитальных затрат на строительство активной зоны реактора. [2]
Чтобы решить проблему стоимости, CANDU использует уникальную компоновку активной зоны реактора. Обычные конструкции реактора состоят из большого металлического цилиндра, содержащего топливо и замедляющую воду, который находится под высоким давлением, чтобы повысить температуру кипения воды и обеспечить более эффективный отвод тепла. В то время, когда проектировался CANDU, в Канаде не хватало мощностей для изготовления таких больших сосудов под давлением, особенно таких, которые были бы достаточно большими, чтобы работать на природном уране. Решение заключалось в том, чтобы поместить тяжелую воду под давлением в трубки меньшего размера, а затем поместить их в гораздо больший сосуд низкого давления, известный как каландрия . Одним из основных преимуществ этой компоновки является то, что топливо можно удалять из отдельных трубок, что позволяет дозаправлять конструкцию во время работы, в то время как традиционные конструкции требуют остановки всей активной зоны реактора. Небольшим недостатком является то, что трубки также поглощают некоторое количество нейтронов, но недостаточно, чтобы компенсировать улучшенную нейтронную экономию конструкции с тяжелой водой. [2]
Органическая охлаждающая жидкость
[ редактировать ]Серьезной проблемой при использовании любого вида воды в качестве охлаждающей жидкости является то, что вода имеет тенденцию растворять топливо и другие компоненты и в конечном итоге становится очень радиоактивной, поскольку эти материалы откладываются в воде. Это смягчается за счет использования особых сплавов для трубок и переработки топлива в керамическую форму. Хотя это эффективно снижает скорость растворения, это увеличивает стоимость переработки топлива, а также требует использования материалов, которые не вызывают коррозии и в то же время менее подвержены нейтронному охрупчиванию . Еще большей проблемой является тот факт, что вода имеет низкую температуру кипения , что ограничивает рабочие температуры. [2]
Это была основная предпосылка конструкции органического ядерного реактора . В схеме CANDU и замедлитель, и теплоноситель использовали тяжелую воду, но для этого не было никаких причин, кроме целесообразности. Поскольку основная часть замедления происходила в массе каландрии, замена небольшого количества тяжелой воды в топливных трубках другим хладагентом была простой задачей, в отличие от традиционных легководных конструкций, где приходилось добавлять другой замедлитель. [а] Использование масла означало, что проблемы с коррозией были значительно уменьшены, что позволило использовать больше обычных металлов, а также уменьшить количество растворенного топлива и, в свою очередь, радиацию в системе охлаждения. Выбранная органическая жидкость, OS-84, представляет собой смесь терфенилов, каталитически обработанных водородом для получения 40 процентов насыщенных углеводородов . Терфенилы представляют собой нефтехимические производные, которые были легко доступны и уже использовались в качестве теплоносителей. [2]
Кроме того, используя материал с более высокой температурой кипения, реактор можно будет эксплуатировать при более высоких температурах. Это не только уменьшило количество теплоносителя, необходимого для отвода заданного количества энергии, и тем самым уменьшило физический размер активной зоны, но и повысило эффективность турбин, используемых для извлечения этой энергии для выработки электроэнергии. WR-1 работал с температурой на выходе до 425 °C, [2] по сравнению с примерно 310 °C в обычном CANDU. Это также означало, что нет необходимости создавать давление охлаждающей жидкости сверх того, что необходимо для проталкивания ее через охлаждающие трубки с необходимой скоростью, тогда как воду необходимо удерживать под высоким давлением, чтобы она могла достичь более высоких температур. Это позволило сделать топливные трубки тоньше, уменьшив количество нейтронов, теряемых при взаимодействии с трубками, и еще больше увеличив нейтронную экономику. [2]
Реактор имел вертикальные топливные каналы, в отличие от обычной конструкции CANDU, где трубы расположены горизонтально. В реакторе не использовались обычные стержни управления, а для регулировки выходной мощности полагался на контроль уровня тяжеловодного замедлителя. Реактор можно было быстро остановить ( SCRAMed ) за счет быстрого сброса замедлителя. [2]
Коммерциализация
[ редактировать ]В 1971 году компания AECL инициировала проектирование CANDU-OCR мощностью 500 МВт на основе топлива из карбида урана. Карбидное топливо корродирует в воде, но не в охлаждающей жидкости. Карбидное топливо было гораздо проще производить, чем более сложную керамику, используемую в большинстве конструкций реакторов. Проектирование было прекращено в 1973 году, но WR-1 все равно протестировал концепцию. Другая возможность заключалась в использовании металлического топлива, которое увеличивало бы плотность топлива и обеспечивало бы более высокое выгорание . Металлическое топливо лучше проводит тепло, поэтому в том же пространстве можно использовать ядро более высокой мощности. [5]
Несчастные случаи
[ редактировать ]три аварии с потерей теплоносителя За время эксплуатации на WR-1 произошло . Двое достигли реки Виннипег. Первая утечка произошла в 1967 году, когда около 300 литров теплоносителя попали в реку через водосток (точку сброса жидких отходов) в результате точечной течи в одной из трубок теплообменника. Вторая утечка произошла в 1977 году: AECL подсчитала, что от 900 до 1100 кг охлаждающей жидкости осаждалось на русле реки на расстоянии до 1 км ниже по течению от водовыпуска, а затем было очищено и проверено. Третья утечка охлаждающей жидкости произошла в 1978 году, когда вытекшая охлаждающая жидкость была очищена и сохранена на месте, при этом охлаждающая жидкость не попала в реку. В 2006 году компания AECL проанализировала образцы керна речных отложений в районах ниже по течению от участка, где были обнаружены отложения из водовыпуска. AECL пришла к выводу, что не было никакого загрязнения речных отложений, которое могло бы оказать экологическое воздействие или повлиять на здоровье человека. [6] [7] [8]
Статус
[ редактировать ]WR1 был остановлен в последний раз по экономическим причинам 17 мая 1985 года, хотя это был самый молодой из AECL крупных исследовательских реакторов . Реактор находится на промежуточной стадии вывода из эксплуатации, топливо выгружено и в значительной степени разобрано. объект будет возвращен в статус «нового объекта» По окончании вывода из эксплуатации .
См. также
[ редактировать ]- Атомная электростанция Джентилли , реактор CANDU, охлаждаемый кипящей водой.
Примечания
[ редактировать ]- ^ Как и в случае с британскими проектами Magnox , в которых в качестве замедлителя использовался графит, а в качестве охлаждающей жидкости - углекислый газ.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Сондерс 2016 , с. 2.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я «ВР-1» . Манитобинское отделение Канадского ядерного общества. 18 марта 2005 г. Архивировано из оригинала 18 марта 2005 г. Проверено 7 ноября 2016 г.
- ^ Jump up to: а б «ЯДЕРНОЕ 101: Как работает ядерный реактор?» . Управление ядерной энергии Министерства энергетики США . 29 марта 2021 г.
- ^ «Уран и обедненный уран» . Всемирная ядерная ассоциация . Ноябрь 2020.
- ^ Сочасский, Р.О., изд. (февраль 1980 г.). Варианты и стоимость электростанции CANDU-OCR (PDF) (Технический отчет). п. 108.
- ^ Тейлор, Дэйв (24 марта 2011 г.). «Забытая ядерная авария в Манитобе» .
- ^ «Ядерная утечка в реку Незначительная» Winnipeg Free Press. Ричи Гейдж, 30 июля 1981 г.
- ^ https://iaac-aeic.gc.ca/050/documents/p80124/135531E.pdf .
Библиография
[ редактировать ]- Сондерс, Крис (2016). Лаборатории Уайтшелл . Комитет истории Уайтшелла.
