Войти
Единственным коммерчески работающим OCR была АЭС Piqua в Огайо. An органический ядерный реактор, или реактор с органическим охлаждением (OCR ), представляет собой тип ядерного реактора, в котором используется какая-либо форма органической жидкости., обычно углеводородное вещество, такое как полихлорированный дифенил (ПХБ), для охлаждения, а иногда также в качестве замедлителя нейтронов.
Использование органической жидкости имело большое преимущество по сравнению с традиционными конструкциями, в которых в качестве охлаждающей жидкости использовалась вода. Вода имеет свойство разъедать и растворять металлы, как ядерное топливо, так и реактор в целом. Чтобы избежать коррозии топлива, его формуют в цилиндрические таблетки, а затем вставляют в трубки из циркония или другие материалы "оболочки". Остальная часть реактора должна быть построена из материалов, устойчивых к коррозии и воздействию нейтронного охрупчивания. Напротив, многие распространенные органические жидкости менее агрессивны по отношению к металлам, что позволяет делать топливные сборки намного проще, а трубы теплоносителя изготавливать из обычных углеродистых сталей вместо более дорогих коррозионно-стойких металлов. Некоторые органические вещества также имеют то преимущество, что они не превращаются в газ таким же образом, как вода, что может уменьшить или исключить необходимость в изоляционном здании.
Эти преимущества в определенной степени компенсируются тем фактом, что органические вещества также обычно имеют более низкую удельную теплоемкость, чем вода, и, следовательно, требуют более высоких скоростей потока для обеспечения такого же количества охлаждения. Более серьезная проблема была обнаружена в экспериментальных устройствах; нейтроны высокой энергии, испускаемые в ходе ядерных реакций, обладают гораздо большей энергией, чем химические связи в теплоносителе, и они разрывают углеводороды. Это приводит к выделению водорода и различных углеводородов с более короткой цепью. Полимеризация полученных продуктов может переходить в густое смолистое состояние. Кроме того, многие подходящие охлаждающие жидкости естественно воспламеняются и иногда токсичны, что создает новые проблемы с безопасностью. Многие виды использования ПХД были запрещены с 1970-х годов, поскольку их токсичность для окружающей среды была лучше изучена.
Концепция OCR была основной областью исследований в 1950-х и 60-х годах, в том числе в Национальной инженерной лаборатории Айдахо., ядерная генерирующая станция Piqua в Огайо и канадская WR-1 в Whiteshell Laboratories. В экспериментах в США изучалось использование органических веществ как для охлаждения, так и для замедления, в то время как в канадской конструкции использовался замедлитель на тяжелой воде, как и в нестандартных конструкциях EURATOM ORGEL и датских DOR. В конечном итоге ни один из них не будет использоваться для коммерческих генераторов, и только небольшие экспериментальные реакторы в Piqua в США и Arbus в Исследовательском институте атомных реакторов в СССР когда-либо вырабатывали электроэнергию. и то только экспериментально.
Обычные электростанции деления полагаются на цепная реакция, вызываемая, когда события деления ядра высвобождают нейтроны, которые вызывают дальнейшие события деления. Каждое событие деления в уране высвобождает два или три нейтрона, поэтому при тщательном размещении и использовании различных материалов поглотителя вы можете сбалансировать систему так, чтобы один из этих нейтронов вызывал еще одно событие деления, в то время как другие один или два потерянный. Этот тщательный баланс известен как критичность.
Природный уран представляет собой смесь нескольких изотопов, в основном следовых количеств U-235 и более 99% U-238. Когда они подвергаются делению, оба этих изотопа выделяют быстрые нейтроны с энергетическим распределением около 1-2 МэВ. Эта энергия слишком мала, чтобы вызвать деление U-238, а это значит, что он не может поддерживать цепную реакцию. U-235 будет делиться при ударе нейтронами этой энергии, поэтому U-235 может поддерживать цепную реакцию, как в случае ядерной бомбы. Однако в массе природного урана слишком мало U-235, и вероятность того, что любой конкретный нейтрон вызовет деление в этих изолированных атомах, недостаточно высока для достижения критичности. Критичность достигается путем концентрирования или обогащения топлива, увеличения количества U-235 для производства обогащенного урана, в то время как остатки, в настоящее время в основном U-238, представляют собой отходы, известные как обедненные. уран.
U-235 будет легче делиться, если нейтроны будут иметь более низкую энергию, так называемые тепловые нейтроны. Нейтроны могут быть замедлены до тепловой энергии посредством столкновений с материалом замедлителя нейтронов, наиболее очевидным из которых являются атомы водорода, обнаруженные в воде. Помещая топливо для деления в воду, вероятность того, что нейтроны вызовут деление в другом U-235, значительно возрастает, что означает, что уровень обогащения, необходимый для достижения критичности, значительно снижается. Это приводит к концепции обогащенного урана реакторного качества с увеличением количества U-235 с менее 1% до 3–5% в зависимости от конструкции реактора. Это контрастирует с обогащением оружейного уровня, которое увеличивает обогащение U-235, как правило, более чем на 90%.
Когда нейтрон является при замедлении его кинетическая энергия передается материалу замедлителя. Это вызывает его нагрев, и, удаляя это тепло, энергия извлекается из реактора. Вода является отличным материалом для этой роли, поскольку она является эффективным замедлителем, а также ее легко перекачивать и использовать с существующим оборудованием для выработки электроэнергии, аналогичным системам, разработанным для паровых турбин в угольных установках. электростанции. Основным недостатком воды является то, что она имеет относительно низкую точку кипения, а эффективность извлечения энергии с помощью турбины является функцией рабочей температуры.
Наиболее распространенной конструкцией для атомных электростанций является реактор с водой под давлением (PWR), в котором вода находится под давлением порядка 150 атмосфер, чтобы повысить ее точка кипения. Эти конструкции могут работать при температурах до 345 ° C, что значительно увеличивает количество тепла, которое любая единица воды может отвести из активной зоны, а также повышает эффективность при ее преобразовании в пар на стороне генератора.. Основным недостатком этой конструкции является то, что поддержание такого давления воды добавляет сложности, и если давление падает, она может превратиться в пар и вызвать паровой взрыв. Чтобы избежать этого, в реакторах обычно используется прочная защитная оболочка или какая-либо форма активного пароподавления.
Появился ряд альтернативных конструкций, в которых используются альтернативные теплоносители или замедлители. Например, программа Великобритании сосредоточена на использовании графита в качестве замедлителя и углекислого газа в качестве охлаждающей жидкости. Эти реакторы Magnox и AGR работали при температуре примерно в два раза выше, чем обычные установки с водяным охлаждением. Это не только увеличивает эффективность турбомашин, но и позволяет ему работать с существующим угольным оборудованием, работающим при той же температуре. Однако у них был недостаток в том, что они были чрезвычайно большими, что увеличивало их капитальные затраты.
. В отличие от них, в канадских конструкциях CANDU использовались две отдельные массы тяжелой воды, один действует как замедлитель в большом резервуаре, известном как каландрия, а другой действует исключительно как хладагент в обычном контуре высокого давления. В этой конструкции не было всей массы теплоносителя под давлением, что упростило конструкцию реактора. Основным преимуществом было то, что тяжелая вода по замедлению нейтронов превосходила обычную воду, что позволяло этим установкам работать на природном, необогащенном урановом топливе. Однако это происходило за счет использования дорогой тяжелой воды.
В обычных конструкциях с водяным охлаждением требуются значительные усилия, чтобы гарантировать, что материалы, из которых состоят реактор не растворяется и не подвергается коррозии в воде. Многие обычные материалы с низкой коррозией не подходят для использования в реакторах, потому что они недостаточно прочны, чтобы выдерживать высокое используемое давление, или слишком легко ослабляются под воздействием нейтронного повреждения. Сюда входят тепловыделяющие сборки, которые в большинстве конструкций с водяным охлаждением отлиты в форму керамики и плакированы цирконием, чтобы избежать их растворения в теплоносителе.
Выбранные теплоносители на органической основе избегают этого проблема, потому что они гидрофобны и, как правило, не вызывают коррозии металлов. Поэтому их часто используют в качестве антикоррозионных средств и антикоррозийных средств. Значительное снижение коррозии позволяет упростить сложность многих частей реактора, и топливные элементы больше не требуют экзотических формул. В большинстве примеров в качестве топлива использовался очищенный металлический уран в чистой форме с простой оболочкой из нержавеющей стали или алюминия.
В простейших конструкциях органических реакторов просто заменяют охлаждающую жидкость органической жидкостью. Это легче всего сделать, когда модератор изначально был отдельным, как в случае с проектами Великобритании и Канады. В этом случае можно модифицировать существующие конструкции, чтобы они стали реактором с графитовым замедлителем и органическим охлаждением и реактором с тяжеловодным замедлителем и органическим охлаждением соответственно. Другие возможные замедлители включают бериллий, оксид бериллия и гидрид циркония.
. Однако программа США, безусловно, самая крупная, была сконцентрирована на конструкции реактора с замедлителем и охлаждением с органическими веществами ., который концептуально аналогичен реактору с водой под давлением, просто заменяя воду подходящим органическим материалом. В этом случае органический материал является одновременно теплоносителем и замедлителем, что накладывает дополнительные конструктивные ограничения на компоновку реактора. Однако это также самое простое решение с точки зрения конструкции и эксплуатации, и оно претерпело значительные изменения в США, где конструкция PWR уже была широко распространена.
Другой распространенной конструкцией в США является реактор с кипящей водой (BWR). В этой конструкции вода находится под меньшим давлением и ей дают возможность закипеть в активной зоне реактора. Это ограничивает рабочую температуру, но проще механически, поскольку устраняет необходимость в отдельном парогенераторе и связанных с ним трубопроводах и насосах. Эту конструкцию также можно адаптировать к циклу реактора с органическим замедлителем и охлаждением, чему способствует тот факт, что подходящие органические жидкости перегреваются сами по себе, когда они расширяются в газовое состояние, что может упростить общую конструкцию..
Эта последняя проблема также имеет значительные преимущества в плане безопасности; в отличие от воды, масла не превращаются в пар, поэтому реальная возможность парового взрыва отсутствует. Другие потенциальные источники взрыва в конструкциях с водяным охлаждением также включают накопление газообразного водорода, вызванное нагревом циркониевой оболочки; при отсутствии такой оболочки или любого подобного материала где-либо в реакторе единственный источник газообразного водорода в конструкции с масляным охлаждением - это химическое разложение теплоносителя. Это происходит с относительно предсказуемой скоростью, и вероятность накопления водорода чрезвычайно мала. Это значительно сокращает количество необходимых систем герметизации.
Хладагенты на органической основе также имеют несколько недостатков. Среди них - их относительно низкая способность к теплопередаче, примерно вдвое меньшая, чем у воды, что требует увеличения скорости потока для удаления того же количества энергии. Другая проблема заключается в том, что они имеют тенденцию к разложению при высоких температурах, и, хотя был исследован широкий спектр потенциальных материалов, только некоторые из них оказались стабильными при разумных рабочих температурах, и нельзя было ожидать, что ни один из них будет работать в течение продолжительных периодов времени выше 530 ° C. также легковоспламеняющиеся, а некоторые из них токсичны, что создает проблемы с безопасностью.
Другая проблема, когда масло также является замедлителем, заключается в том, что замедляющая способность жидкости увеличивается при понижении ее температуры. Это означает, что по мере нагрева замедлителя он имеет меньшую замедляющую способность, что приводит к замедлению общей скорости реакции в реакторе и дальнейшему охлаждению реактора. Обычно это важная функция безопасности, в реакторах с водяным замедлителем может иметь место обратное, и реакторы с положительным коэффициентом пустоты по своей природе нестабильны. Однако в случае масляного замедлителя температурный коэффициент настолько велик, что он может быстро охлаждаться. Это очень затрудняет регулирование таких конструкций для нагрузки, следующей за.
. Но, несомненно, самой большой проблемой для углеводородных хладагентов было то, что они разлагались под воздействием излучения, эффект, известный как радиолиз. В отличие от разложения при нагревании, которое приводит к образованию более легких углеводородов, результат этих реакций сильно различается и приводит к множеству различных продуктов реакции. Вода также подвергается разложению из-за излучения, но выходящими продуктами являются водород и кислород, которые снова легко рекомбинируются в воду. Полученные в результате продукты разложения масел нелегко рекомбинировать, и их нужно было удалять.
Один особенно тревожный тип реакции происходил, когда полученные продукты полимеризовались в длинноцепочечные молекулы. Обеспокоенность заключалась в том, что они будут образовывать большие массы внутри реактора, особенно в его охлаждающих контурах, и могут «оказать значительное вредное воздействие на работу реактора». Именно полимеризация теплоносителя, прилипшего к оболочке твэла, привела к остановке реактора Piqua всего через три года эксплуатации.
Ранние теоретические Работа над концепцией органического охлаждения проводилась в Аргоннской национальной лаборатории в период с 1953 по 1956 год. В рамках этой работы компания Mine Safety Appliances изучила множество потенциальных дифениловых охлаждающих жидкостей. В 1956-75 гг. Aerojet проводила исследования скорости «выгорания» полифенильных охлаждающих жидкостей, а в последующие два года Hanford Atomic Products провела несколько исследований облучения полифенилами.
Monsanto начал эксплуатировать одиночный контур теплоносителя в начале 1955 года для изучения теплопередачи, а в 1958 году начал рассматривать регенерацию теплоносителя и исследования контуров кипящего дифенилового теплоносителя. Компания Atomic Energy of Canada Limited (AECL) начала аналогичные исследования вокруг в то же время с прицелом на разработку будущего испытательного реактора.
Аналогичная программа началась в Великобритании в Харвелле в 1950-х годах. Вскоре основное внимание было уделено радиационному повреждению органических соединений, в частности полифенилов. Примерно в 1960 году Евратом начал исследования таких конструкций в рамках своего проекта ORGEL. Подобный, но отдельный проект начался в Италии под руководством, но их PRO конструкция так и не была реализована. Аналогичным образом, в крупном исследовании, проведенном в Дании, рассматривался реактор с тяжелым водным замедлителем.
Первой полностью законченной конструкцией реактора с органическим охлаждением и замедлителем был (OMRE), строительство которого началось в Национальная лаборатория Айдахо в 1955 году и стала критической в 1957 году. В ней использовался Santowax (терфенил) в качестве охлаждающей жидкости и замедления, и работа была в целом приемлемой. Реактор имел конструкцию с очень низким энергопотреблением, производил 15 МВт тепловой энергии и проработал лишь короткий период с 1957 по 1963 год. За это время активная зона была трижды реконструирована для испытания различных видов топлива, теплоносителя и рабочих условий от 260 до 370 ° C. Планировалось, что более крупный проект мощностью 40 МВт, экспериментальный реактор с органическим охлаждением (EOCR) с терфенильным охлаждением, будет заменен OMRE. Он начал строительство в Айдахо в 1962 году, но так и не был загружен топливом, когда AEC сосредоточила свое внимание в основном на легководных реакторах.
Следующим крупным реактором был коммерческий прототип, построенный как частное / государственное предприятие, АЭС Пиква, строительство которой началось в 1963 году в Пиква, штат Огайо. В нем использовался тот же хладагент Santowax, что и в оригинальном OMRE, но он был такого же размера, как EOCR, производя 45 МВт тепловой и 15 МВт электрической. Он работал на топливе с обогащением 1,5%, сформированном в кольцевые трубы, покрытые оребренными алюминиевыми кожухами. Он проработал недолго до 1966 года, когда был остановлен из-за образования пленки на оболочке твэла, образовавшейся из радиационно-деградированного теплоносителя.
Самым мощным ONR был канадский тепловой 60 МВт WR-1. Строительство началось в недавно созданной Whiteshell Laboratories в Манитобе в 1965 году и в конце того же года стало критическим. WR-1 использовала тяжелую воду в качестве замедлителя и терфенилы в качестве охлаждающей жидкости, и не страдала от проблем с разрушением охлаждающей жидкости, которые наблюдались в конструкциях США. Он действовал до 1985 года, когда AECL стандартизировала использование тяжелой воды как в качестве замедлителя, так и в качестве охлаждающей жидкости, а конструкция с органическим охлаждением больше не рассматривалась для разработки.
Хотя различные европейские страны проводили разработки над Проекты органических реакторов, только Советский Союз построил. Работы на тепловой АЭС Арбус мощностью 5 МВт начались в Мелекессе, Россия, в 1963 году и продолжались до 1979 года. Она произвела максимум 750 кВт электроэнергии. В 1979 году он был переоборудован в АСТ-1, на этот раз для выработки 12 МВт технологического тепла вместо электроэнергии. В такой форме он работал до 1988 года.
Индийские официальные лица периодически проявляли интерес к возрождению этой концепции. Первоначально они получили конструкторские материалы CANDU во время эксперимента WR-1. Чтобы еще больше снизить эксплуатационные расходы, было несколько возрождений концепции, подобной WR-1. Считается, что можно разработать систему очистки органического теплоносителя, чтобы справиться с разложением органического теплоносителя, и исследования в этом направлении уже начались. Однако по состоянию на 2018 г. экспериментальная система не была построена.
