Реактор на бегущей волне
Реактор бегущей волны ( TWR ) — это предлагаемый тип ядерного реактора деления , который может превращать воспроизводящий материал в пригодное для использования топливо посредством ядерной трансмутации в тандеме с выгоранием делящегося материала. TWR отличаются от других типов на быстрых нейтронах и реакторов реакторов-размножителей своей способностью эффективно использовать топливо без урана обогащения или переработки . [ сомнительно – обсудить ] вместо этого напрямую используют обедненный уран , природный уран , торий , отработанное топливо , удаленное из легководных реакторов , или некоторую комбинацию этих материалов. Концепция все еще находится на стадии разработки, и TWR еще не были построены.
Название относится к тому факту, что деление остается ограниченным пограничной зоной в активной зоне реактора, которая медленно продвигается с течением времени. Теоретически TWR могут работать автономно в течение десятилетий без дозаправки и удаления отработавшего топлива.
История
[ редактировать ]Реакторы на бегущей волне были впервые предложены в 1950-х годах и периодически изучались. Концепция реактора, который мог бы воспроизводить собственное топливо внутри активной зоны реактора, была первоначально предложена и изучена в 1958 году Савелием Моисеевичем Фейнбергом , который назвал ее реактором «размножения и сжигания». [1] Майкл Дрисколл опубликовал дальнейшее исследование этой концепции в 1979 году. [2] как и Лев Феоктистов в 1988 году, [3] Эдвард Теллер / Лоуэлл Вуд в 1995 году [4] Хьюго ван Дам в 2000 году [5] и Хироши Сэкимото в 2001 году. [6]
TWR обсуждался на симпозиумах по инновационным ядерно-энергетическим системам (INES) в 2004, 2006 и 2010 годах в Японии, где он назывался реактором «СВЕЧА», аббревиатурой от постоянной осевой формы потока нейтронов, плотности нуклидов и формы мощности в течение срока службы энергии. производство . [7] В 2010 году Попа-Симил обсуждал случай микрогетероструктур. [8] более подробно описано в статье «Размножение плутония в микрогетероструктурах улучшает топливный цикл», описывающей TWR с глубоким выгоранием, усиленным плутонием. [9] топливные каналы и многократный поток топлива. В 2012 году было показано, что деление [10] волны представляют собой форму явления бистабильной реакции диффузии. [11] Также было показано, что волны деления могут быть стабильными, нестабильными или подвергаться бифуркации Хопфа в зависимости от тепловой обратной связи. [12] Было показано, что радиационные повреждения являются препятствием для использования обычных материалов в волновых реакторах, но в 2012 году было показано, что обогащение топлива можно использовать для уменьшения этой проблемы. [13] и это снова подтвердилось в 2019 году. [14]
Ни один TWR еще не был построен, но в 2006 году Intellectual Ventures запустила дочернюю компанию под названием TerraPower для моделирования и коммерциализации рабочей конструкции такого реактора, который позже стал называться «реактором бегущей волны». TerraPower разработала конструкции TWR для объектов генерации низкой и средней (300 МВт), а также высокой мощности (~ 1000 МВт). [15] Билл Гейтс представил TerraPower в своем выступлении на TED в 2010 году . [16]
В 2010 году группа TerraPower подала заявку на патент EP 2324480 A1 после WO2010019199A1 «Охлаждение дефлаграционно-волнового реактора ядерного деления с тепловыми трубками». Заявление было признано отозванным в 2014 году. [17]
В сентябре 2015 года TerraPower и Китайская национальная ядерная корпорация (CNNC) подписали меморандум о взаимопонимании по совместной разработке TWR. TerraPower планировала построить демонстрационную установку TWR-P мощностью 600 МВт к 2018–2022 гг., а в конце 2020-х гг. – более крупные коммерческие электростанции мощностью 1150 МВт. [18] Однако в январе 2019 года было объявлено, что проект был заброшен из-за ограничений на передачу технологий, установленных администрацией Трампа . [19]
Реакторная физика
[ редактировать ]Документы и презентации о TWR TerraPower [20] [21] [22] Опишите реактор бассейнового типа, охлаждаемый жидким натрием. Реактор питается в основном обедненным ураном-238 «воспроизводящим топливом», но для инициирования деления требуется небольшое количество обогащенного урана-235 или другого «делящегося топлива» . Некоторые из нейтронов быстрого спектра, образующихся в результате деления, поглощаются в результате захвата нейтронов соседним воспроизводящим топливом (т.е. неделящимся обедненным ураном), которое «размножается» в плутоний в результате ядерной реакции:
Первоначально активная зона загружается воспроизводящим материалом, при этом несколько стержней делящегося топлива сосредоточены в центральной области. После запуска реактора внутри активной зоны образуются четыре зоны: обедненная зона, содержащая в основном продукты деления и остатки топлива; зона деления, где происходит деление воспроизведенного топлива; зона воспроизводства, где делящийся материал создается путем захвата нейтронов; и свежая зона, содержащая непрореагировавший плодородный материал . Зона деления, вырабатывающая энергию, неуклонно продвигается через активную зону, эффективно поглощая воспроизводящий материал перед собой и оставляя отработанное топливо позади. Между тем, тепло, выделяющееся при делении, поглощается расплавленным натрием и впоследствии передается в водный контур замкнутого цикла, где электроэнергия вырабатывается паровыми турбинами. [21]
Топливо
[ редактировать ]TWR используют лишь небольшое количество (~ 10%) обогащенного урана-235 или другого делящегося топлива для «инициирования» ядерной реакции. Остальная часть топлива состоит из природного или обедненного урана-238, который может непрерывно вырабатывать электроэнергию в течение 40 и более лет и в течение этого времени остается запечатанным в корпусе реактора. [22] TWR требуют значительно меньше топлива на киловатт-час электроэнергии, чем легководные реакторы TWR (LWR), из-за более высокого выгорания топлива, плотности энергии и теплового КПД . TWR также выполняет большую часть переработки внутри активной зоны реактора. Отработанное топливо может быть переработано после простой «очистки расплава» без химического выделения плутония, которое требуется для других типов реакторов-размножителей. Эти особенности значительно сокращают объемы топлива и отходов, одновременно повышая устойчивость к распространению. [21]
Обедненный уран широко доступен в качестве сырья. Запасы в Соединенных Штатах в настоящее время содержат около 700 000 метрических тонн, что является побочным продуктом процесса обогащения . [23] По оценкам TerraPower, одни только запасы обогатительного предприятия в Падьюке представляют собой энергетический ресурс, эквивалентный электроэнергии на сумму 100 триллионов долларов. [22] TerraPower также подсчитала, что широкое развертывание TWR может позволить прогнозируемым глобальным запасам обедненного урана обеспечить 80% мирового населения при уровне потребления энергии на душу населения в США в течение более чем тысячелетия. [24]
В принципе, TWR способны сжигать отработавшее топливо LWR, которое в настоящее время выбрасывается как радиоактивные отходы. Отработанное топливо LWR в основном представляет собой низкообогащенный уран (НОУ), и в спектре быстрых нейтронов TWR сечение поглощения нейтронов продуктами деления на несколько порядков меньше, чем в спектре тепловых нейтронов LWR. Хотя такой подход действительно может привести к общему сокращению запасов ядерных отходов, для реализации этого потенциала необходимы дополнительные технические разработки.
TWR также в принципе способны повторно использовать собственное топливо. За каждый рабочий цикл только 20–35% топлива переходит в непригодную для использования форму; оставшийся металл представляет собой пригодный к использованию расщепляющийся материал. Это переработанное топливо, переработанное и переработанное в новые движущие таблетки без химического разделения, можно использовать для инициирования деления в последующих циклах работы, тем самым полностью устраняя необходимость обогащения урана.
Концепция TWR не ограничивается сжиганием урана с плутонием-239 в качестве «инициатора» в 238 В- 239 Цикл Pu, но также может сжигать торий с ураном-233 в качестве «инициатора» в 232 Ч– 233 У цикл. [25]
Бегущая волна против стоячей волны
[ редактировать ]Волна породного горения в конструкции TWR компании TerraPower не перемещается от одного конца реактора к другому. [26] но постепенно от центра наружу. Более того, поскольку состав топлива меняется в результате ядерной трансмутации, топливные стержни постоянно перетасовываются внутри активной зоны, чтобы с течением времени оптимизировать поток нейтронов и использование топлива. Таким образом, вместо того, чтобы позволить волне распространяться через топливо, само топливо перемещается через практически стационарную волну горения. Это противоречит сообщениям многих СМИ. [27] которые популяризировали концепцию реактора, напоминающего свечу, с областью горения, перемещающейся по длине топливной секции. Однако, заменяя статическую конфигурацию ядра активно управляемой «стоячей волной» или « солитоном », конструкция TerraPower позволяет избежать проблемы охлаждения движущейся области горения. В этом сценарии реконфигурация топливных стержней осуществляется удаленно с помощью роботизированных устройств; защитная оболочка остается закрытой во время процедуры без простоев.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ С.М. Файнберг, «Комментарий к обсуждению», Rec. из учеб. Сессия B-10, ICPUAE, Организация Объединенных Наций, Женева, Швейцария (1958 год).
- ^ М. Дж. Дрисколл, Б. Атефи, Д. Д. Лэннинг, «Оценка концепции быстрого реактора с размножением / горением», MITNE-229 (декабрь 1979 г.).
- ^ Л.П. Феоктистов, "Анализ концепции физически безопасного реактора", Препринт ИАЭ-4605/4, на русском языке, (1988).
- ^ Э. Теллер, М. Исикава и Л. Вуд, « Полностью автоматизированные ядерные реакторы для длительной эксплуатации» (Часть I) , Proc. симпозиума «Границы физики» , Американское физическое общество и Техасское собрание Американской ассоциации преподавателей физики, Лаббок, Техас, США (1995); Эдвард Теллер, Мюриэль Исикава, Лоуэлл Вуд, Родерик Хайд, Джон Наколлс, « Полностью автоматизированные ядерные реакторы для долгосрочной эксплуатации II: к точечному проектированию на концептуальном уровне высокотемпературной системы центральной электростанции с газовым охлаждением (часть) II) », Учеб. Межд. Конф. Новые системы ядерной энергетики, ICENES'96, Обнинск, Россия (1996) UCRL-JC-122708-RT2.
- ^ Х. ван Дам, «Самостабилизирующийся реактор с волной критичности», Proc. О Десятой Международной конференции по новым ядерно-энергетическим системам (ICENES 2000) , с. 188, NRG, Петтен, Нидерланды (2000).
- ^ Х. Сэкимото, К. Рю и Ю. Ёсимура, «СВЕЧА: Новая стратегия выгорания», Nuclear Science and Engineering , 139, 1–12 (2001).
- ^ как предложено Сэкимото в 2001 и 2005 годах, опубликовано в журнале Progress in Nuclear Energy.
- ^ «Усовершенствованный ядерный реактор от фантастики к реальности», Попа-Симил, опубликовано в материалах INES-3.
- ^ Л. Попа_Симиль, Ливиу. «Будущее плутония. Размножение плутония в микрогетероструктурах улучшает топливный цикл» . Фьючерсы на плутоний 2010 . Архивировано из оригинала 21 января 2020 г. Проверено 06 марта 2018 г.
- ^ Л. Попа-Симиль. «Усовершенствованный реактор сингулярной волны для поверхностной энергетики» .
- ^ А.Г. Осборн, Г.Д. Ректенвальд, М.Р. Дейнерт, «Распространение уединенной волны деления», Chaos, 22, 0231480 (2012).
- ^ Осборн, Эндрю Г.; Дейнерт, Марк Р. (октябрь 2021 г.). «Неустойчивость стабильности и бифуркация Хопфа в волнах деления» . Отчеты о клетках Физические науки . 2 (10): 100588. Бибкод : 2021CRPS....200588O . дои : 10.1016/j.xcrp.2021.100588 .
- ^ Осборн, А.Г., М.Р. Дейнерт (2012): Снижение нейтронного повреждения в реакторе на бегущей волне. Proceedings of Physor 2012 , Ноксвилл, Теннесси, 15–20 апреля 2012 г.
- ^ Кеклер, Крис; Фратони, Массимилиано; Гринспен, Эхуд (01 ноября 2020 г.). «Анализ чувствительности и неопределенности нейтронного спектра и DPA в активной зоне B&B» . Ядерная наука и инженерия . 194 (11): 1079–1088. Бибкод : 2020NSE...194.1079K . дои : 10.1080/00295639.2020.1715688 . ISSN 0029-5639 . S2CID 214281608 .
- ^ К. Уивер, К. Альфельд, Дж. Гиллеланд, К. Уитмер и Г. Циммерман, «Расширение ядерного топливного цикла с помощью реакторов на бегущей волне», статья 9294, Proceedings of Global 2009 , Париж, Франция, 6–11 сентября. , (2009).
- ^ Билл Гейтс . Инновации до нуля! . ТЭД . Проверено 13 июля 2010 г.
- ^ Охлаждение волнового реактора дефлаграции ядерного деления с тепловыми трубками , получено 14 октября 2015 г.
- ^ Мировые ядерные новости http://www.world-nuclear-news.org/NN-TerraPower-CNNC-team-up-on-travelling-wave-reactor-25091501.html
- ^ Сюэван, Чен; Елин, Мо; Тан, Джейсон; Цзивэй, Тао (5 января 2019 г.). «Испытание ядерной энергии в Китае «не продолжится» » . Кайсинь .
- ^ Р. Михал и Э.М. Блейк, «Джон Гиллеланд: О реакторе бегущей волны», Nuclear News , стр. 30–32, сентябрь (2009 г.).
- ^ Перейти обратно: а б с Уолд, М. (24 февраля 2009 г.). «10 новых технологий 2009 года: реактор на бегущей волне» . Обзор технологий Массачусетского технологического института . Архивировано из оригинала 16 марта 2014 года . Проверено 12 апреля 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Гиллеланд, Джон (20 апреля 2009 г.). ООО «ТерраПауэр» Ядерная инициатива . Калифорнийский университет в Беркли, весенний коллоквиум. Архивировано из оригинала 31 июля 2009 года . Проверено 12 апреля 2018 г.
- ^ Министерство энергетики США, «Исчерпанные UF 6 запасы и места хранения ». Архивировано 27 августа 2009 г. в Wayback Machine . По состоянию на октябрь 2009 г.
- ^ Л. Вуд, Т. Эллис, Н. Мирволд и Р. Петроски, «Исследование нового мира итальянского мореплавателя: на пути к экономическим, полномасштабным, низкоуглеродным, удобно доступным, устойчивым к распространению возобновляемым источникам энергии», 42-я сессия международных семинаров по чрезвычайным ситуациям на планете, Эриче, Италия, 190–24 август (2009 г.).
- ^ Русов, В.Д.; Линник, Е.П.; Тарасов В.А.; Зеленцова, Т.Н.; Шарф, IV; Ващенко В.Н.; Косенко С.И.; Бегларян, М.Э.; Чернеженко С.А.; Молчиниколов П.А.; Сауленко С.И.; Бегунова, О.А. (2011). «Реактор с бегущей волной и условия существования солитоноподобной волны ядерного горения в нейтронно-размножающих средах» . Энергии . 4 (12): 1337. дои : 10.3390/en4091337 .
- ^ Т. Эллис; Р. Петроски; П. Хейзлар; Г. Циммерман; Д. МакЭлис; К. Уитмер; Н. Туран; Дж. Хейзлар; К. Уивер; Дж. Уолтер; Дж. МакВиртер; К. Альфельд; Т. Берк; А. Одедра; Р. Хайд; Дж. Гиллеланд; Ю. Исикава; Л. Вуд; Н. Мирволд; У. Гейтс III (14 июня 2010 г.). Реакторы на бегущей волне: по-настоящему устойчивый и полномасштабный ресурс для удовлетворения глобальных энергетических потребностей (PDF) . Летнее собрание Американского ядерного общества . Проверено 12 апреля 2018 г.
- ^ М. Вальд (14 июня 2010 г.). «Разработчик нового реактора выиграл вливание в 35 миллионов долларов» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 15 июня 2010 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Арджун Махиджани (сентябрь 2013 г.), « Реакторы с бегущей волной: золото с натриевым охлаждением на конце ядерной радуги? », Институт энергетических и экологических исследований .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Реакторы TerraPower приближаются к ядерному идеалу», лаборатория Intellectual Ventures .
- TerraPower: Как работает ядерный реактор на бегущей волне. Архивировано 22 января 2013 г. на archive.today , включая 4 диаграммы из IV.
- Сайт компании Terrapower.com
- Русов, В.Д.; Тарасов В.А.; Шарф, IV; Ващенко В.М.; Линник, Е.П.; Зеленцова, Т.Н.; Бегларян, М.Э.; Чернегенко С.А.; Косенко С.И.; Смоляр, ВП (2012). «О некоторых принципиальных особенностях реактора на бегущей волне» . Наука и технология ядерных установок . 2015 : 1–23. arXiv : 1207.3695 . Бибкод : 2012arXiv1207.3695R . дои : 10.1155/2015/703069 .