Univerza v Ljubljani - Študentske strani FMF

Univerza v Ljubljani

Fakulteta za matematiko in fiziko

Plinsko hlajeni reaktor

Avtor:Bor Kavcic

Mentor:Dr. Iztok Tiselj

11. december 2011

Kazalo

1 Osnove 51.1 Jedrske reakcije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.1.1 Masni defekt in vezavna energija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.1.2 Termicna in hitra cepitev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.1.3 Pomnozevalni faktor, kriticna verizna reakcija . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2 Ideja 9

3 Tipi reaktorjev 113.1 Magnox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.2 Izboljsani plinsko hlajeni reaktor-AGR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4 Plinsko hlajeni hitri reaktor GFR 154.1 Zasnova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.2 Dosedanje raziskave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.2.1 Nemcija: studija plinskega oplodnega reaktorja . . . . . . . . . . . . . . . 174.2.2 ZDA: General Atomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.2.3 Evropa: The Gas Breeder Reactor Association . . . . . . . . . . . . . . . 174.2.4 Sovjetska zveza: Disocirajoce hladilo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4.3 Renesansa GFCR reaktorjev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3

Jedrska tehnika in energetika 11. december 2011

4

Poglavje 1

Osnove

Well you know boys, a nuclear reactor is a lot like women. You just have to read the manualand press the right button.

Homer Simpson (Dan Castellaneta, ameriski pisec in humorist)

Za razumevanje delovanja plinsko hlajenih reaktorjev je pomembno poznavanje osnovno delo-vanje jedrskih elektrarn. Te se v samem bistvu od obicajnih termoelektrarn (bodisi onih naplin oziroma nafto, bodisi premog) razhajajo samo v nacinu pridobivanja toplote. Za jedrskeelektrarne predstavlja vir toplote kontrolirana verizna reakcija. Dosedanja tehnologija omogocaizkoriscanje fizije, t.j. jedrske cepitve. Obratnega procesa, t.j. jedrske fuzije oziroma zlivanjanam se ni uspelo uporabiti v nedestruktivne namene1.

Toploto je z namenom produkcije elektricne energije potrebno najprej pretvoriti v mehanskoenergijo, le-to pa preko generatorjev v elektricno. Na tem mestu se srecamo s prvo delitvijoelektrarn na posamezne tipe. Najprej definirajmo pojem primarnega cikla: to je zaprto krozenjesnovi (hladila), ki sluzi prenosu toplote z mesta reaktorske sredice pa do bodisi:

• neposredno do turbine same; ta je tudi radioaktiven odpadek

• sekundarnega krogotoka; medij tega se uparja in poganja turbino.

Reaktorji se medseboj razlikujejo po pravkar opisani delitvi pa tudi po mediju primernega kroga.Navedimo najbolj razsirjene tipe reaktorjev in jih v dveh vrsticah opisimo:

• lahkovodni tlacni reactor (pressurized light water reactor). Taksen je tudi reaktor vKrskem. Medij je lahka voda (navadna, deionizirana voda), ki je hkrati tudi modera-tor. Uporablja se tri- do pet-odstotno obogaten uran.

• tezkovodni tlacni reactor (pressurized heavy water reactor). Reaktor uporablja tezko vodonamesto lahke.

• vrelni reaktor (boiling water reactor). Turbina je del primarnega cikla; medij se uparja inje voden direktno na turbino. Fukusimski reaktorji so bili tega tipa.

• tekocekovinsko hlajeni reaktor (Liquid metal cooled reactor). Kot direktna posledica mo-deratorske vloge vode je njena neuporaba v t.i. hitrih reaktorjih. Reaktorji so uporabljenitako v nuklearnih podmornicah kot tudi v elektrarnah. Najpogosteje rabljene kovine sonatrij, NaK, svinec, svinec-bizmutova zlitina ter v zgodnejsih reaktorjih zivo srebro.

1Najmocnejsi raziskovalni instituciji sta ITER in National Ignition Facility.

5


• plinski reaktor (gas cooled reactors). Obravnavi je namenjen preostanek besedila.

V nadaljevanju se bomo posvetili delovanju in raznoterim modelom plinsko hlajenih reaktorjev.

1.1 Jedrske reakcije

V tem odstavku nekaj najosnovnejsih dejstev o reakcijah, ki so fizikalni temelj jedrskega reak-torja. Vecine konceptov se bomo dotaknili na primeru fizije urana.

1.1.1 Masni defekt in vezavna energija

Masni defekt je presenetljivo dejstvo jedrske fizike: masa jedra je manjsa kot sestevek masosnovnejsih delcev t.j. protonov in nevtronov. Za jedro A

ZX z maso mj zapisemo masni defektkot:

∆m = mj −[ Z∑i=0

mp +A−Z∑i=0

mn

]< 0

Masni defekt je povezan z vezavno energijo preko Einsteinove enacbe:

WB = ∆mc2

Ker je masni defekt negativen je tako predznacena tudi vezavna energija: kot pri vseh obstojnihvezanih stanjih mora ta biti energijsko ugodnejsa (energija stanja mora biti nizja) kot neve-zana alternativa. Kot postane jedro zaradi razlicnih razlogov nestabilno (recimo od dodatkutermicnega nevtrona) pride do razpada. Zanima nas seveda energijska bilanca; denimo, da jedrorazpade na dva razcepka (neki jedri) ter se nekaj prostih delcev:

∆W = W1 +W2 −WB = c2{m1 +m2 −mj

}Reakcija ki so smiselne za izrabo so eksotermne: ob razpadu naj se del mase pretvori v namdosegljivo energijo t.j toploto Q = ∆W .

1.1.2 Termicna in hitra cepitev

Pri cepitvi jeder osvobojene nevtrone imenujemo hitri ; njih kineticna energija energija se meriv MeV. Hiter racun:

W = T +mnc2 = mc2γ → γ =

W

mc2≥ 1

V prvem in klasicnem priblizku:

T =mv2

2→ v =

√2T

m∼ 5% svetlobne hitrosti

Za prozenje cepitve so najucinkovitejsi termicni nevtroni, katerih kineticna energija se meri

v desetinkah eV (kBTT=300K

= 1/40eV ). Hitre nevtrone moramo upocasniti; nalogo prevzamemoderator. To se povecini lahka jedra kar sledi neposredno iz enacbe, ki opisuje disipacijoenergije:

Tmax =4A

(A+ 1)2E0 T ∈ [0, Tmax]

V t.i termicnih reaktorjih hitre nevtrone upocasnjujemo; po nekaj zaporednih sipanjih izgubijodovolj energije, da je ohranjena kineticna energija primerljiva s termicno energijo. Najveckrat

6


uporabljeni moderatorji so lahka in tezka voda ter grafit. V termicnih reaktorjih se uporabljanizko obogateno gorivo.

V hitrih reaktorjih, kjer cepitveno verigo ohranjajo hitri nevtroni ne uporabljamo mode-ratorja. V tem primeru moramo poseci po drugacnem hladilu; takem, s cim visjim atomskimstevilom oziroma s cim nizjo gostoto-verjetnost z trk je ustrezno nizja. Zaradi nizke gostote jeplin primerno hladilo tudi za hitre reaktorje.

1.1.3 Pomnozevalni faktor, kriticna verizna reakcija

Samovzdrzna verizna reakcija mora v casovnem izpovprecenju omogociti obstoj enako mnogoprostih nevtronov kot ob sami sprozitvi reakcije. Definirajmo pomnozevalni faktor k z nasle-dnjim predpisom:

k =n1n0

Z n1 smo oznacili stevilo nevtronov po reakciji, z n0 pa stevilo nevtronov pred njo. Kriticnoverizno reakcijo definira vrednost k = 1-to je tudi vrednost, ki jo zelimo v reaktorju. Nadkriticnareakcija k > 1 je razlog spremenjeni geografski podobi prenekaterega atola ter nenavadnemzakljucku druge svetovne vojne. Podkriticna reakcija k < 1 predstavlja pocasno zamrtje veriznereakcije. Zadnji primer je pomemben za kontrolo reaktorjevega delovanja: ce zelimo prekiniti oniclen razpadne verige, ki potrebuje za sprozitev proste nevtrone, le-te absorbiramo z materialom,ki ima velik absorbcijski presek zanje: kadmij, bor,. . .

7


8

Poglavje 2

Ideja

There is not the slightest indication that nuclear energy will ever be obtainable. It would meanthat the atom would have to be shattered at will.

Albert Einstein, 1932

Cemu uporabiti plin kot hladilo? Koliksne in kaksne so prednosti plinastega hladila? Raz-mislimo ob primeru: ob Cernobilski katastrofi je ob nenadnem porastu termicne moci prislodo skoraj hipne uparitve velike kolicine hladila. Posledicno je sledila plinska eksplozija, ki jeizmalicila reaktor in reaktorsko zgradbo, cemur je sledilo burno gorenje grafitnega moderatorjain zacetek prve odmevnejse jedrske nesrece1. Ce imamo opravka s hladilom, ki je ze zacetkomaplinasto, je to ocitna prednost-znebimo se hipne ekspanzije hladila. V nekem trenutku se nampoveca tudi temperaturno obmocje delovanja reaktorja, saj nismo vec omejeni s temperaturofaznega prehoda2. Zazeleno je bilo tudi, da bi reaktor uporabljal nizko obogaten oziroma celonaravno dobljen uran. Sama bogatitev je zamuden, drag in zgolj na nekaj drzav vezan po-stopek. Na nastetih nacelih je temeljil razvojni postopek-ta se je povecini vrsil v laboratorjihproizvajalcev reaktorske tehnike v Franciji, Zdruzenem kraljestvu, Ameriki in Sovjetski zvezi.

Ne smemo pa prezreti zgodovinske umestitve razvojnega cikla reaktorja-prvi komercialniplinsko hlajeni reaktor so na omrezje priklopili sedemnajstega oktobra 1956. To je bil cas tikpred ledenim obdobjem tesnobnega pricakovanja vnovicnega svetovnega spopada. Prednostna politicni sahovnici se je merila v kolicini jedrskega in konvencionalnega arzenala in glasnostirozljanja z njim. Proizvodnja jedrske oborozitve je zahtevala velike kolicine plutonija-ta v naravini prisoten in nastaja sele umetno pri samih reakcijah:

23892 U +1

0 n→23992 U

β−−−−−−→23,5min

23993 Np

β−−−−−→2,35dni

23994 Pu

Plinsko hlajeni reaktor z grafitnim moderatorjem je opravljal ravno to: iz nizko obogatenegaurana je proizvajal plutonij. Dizajn je na mizi obetal veliko, prizgana je bila zelena luc.

1Manjse so se ze dogodile: nesreca na Otoku treh milj je denimo ena izmed odmevnejsih2Seveda so omejitve v drugi tehniki t.j. crpalkah, ceveh, tlacnikih, . . .

9


10

Poglavje 3

Tipi reaktorjev

3.1 Magnox

Magnox je tip komercialnega reaktorja, ki je bil razvit v Veliki Britaniji. To je sedaj opuscenkoncept reaktorja v smislu raziskav: reaktorji tega tipa pa se vedno delujejo, ceprav so zvecineze pozaprti. Sam razvoj reaktorja je obetal mnogo vec kot je pokazala raba.

Chargetubes

Hot gas duct

Steam

Water

Fuelrods

Graphitemoderator

Pressurevessel

Heatexchanger

Controlrods

Radiationshielding

Cool gas duct

Watercirculator

Gascirculator

Slika 3.1: Shema prvotne zasnove Magnox re-aktorjev. Tu je se v rabi cilindricna reaktorskaposoda. Vir: Wikipedia

Zasnova reaktorja je, kot je pricakovano zavse plinsko hlajene reaktorje, predvidevala ve-lik doprinos naravne konvekcije k transportutoplote-tudi v primeru nesrece. V neprijetnihokoliscinah naj bi kljub zaustavitvi crpalk plinse vedno krozil. Za hladilo se je uprabljalogljikov dioksid, za moderator je pa sluzil gra-fit. Za gorivo se je uporabljalo neobogatenogorivo. Zanimivo je, da prakticno noben iz-med serije reaktorjev ni bil enak drugemu: ne-kateri so imeli jeklene rekatorske posode, ne-kateri so imeli posode iz prednapetega betona(eng.: prestressed concrete). Same posode sobile tudi geometrijsko drugacne. Zgodnji re-aktorji so bili cilindricni, kasnejsi pa kroglasti.

Zanimivo je, da se tako kljucen element,kot je gorivna palica ni bil standardiziran.Kot je bilo omenjeno v uvodu je bila zahte-vana lastnost reaktorja proizvodnja plutonija.

Posledicno naj bi bila zasnova taka, da bi omogocala menjavo goriva med delovanjem. Sicerje bila to tudi direktna posledica nizke ravni obogatitve-nizko obogateno gorivo ima manjsigorivni izkoristek (eng.: low burnup). Sama menjava se je izkazala za izredno kompleksno innezanesljivo.

Prvi Magnox reaktorji so bili postavljeni v Calder Hallu na severu Anglije leta 1956. Name-njeni so bili izkljucno proizvodnji fisijskega materiala za jedrsko orozje. Ob procesu pretvorbeurana v plutonij nastaja velika kolicina odpadne toplote, ki so jo uporabili za proizvodnjo ele-ktrike. To je bila prva komercialna jedrska elektrarna, ki je presegla ”eksperimentalne”kolicineproizvedene elektrike. V celoti je bilo zgrajenih 26 reaktorjev tega tipa, trenutno delujeta zgoljdva. Nekaj Magnox reaktorjev je zgradila Francija, tri pa Severna Koreja.

Prve generacije Magnox reaktorjev, one z jekleno reaktorsko posodo, niso imele celotnegaplinskega tokokroga v betonskem ”bioloskem”scitu. Direktna posledica zunanje namestitve

11


nekaterih komponent je bila nezanemarljiva stopnja sevanja. Naslednje generacije z betonskoreaktorsko kapsulo so bile v tem pogledu mocno izboljsane.

Slika 3.2: Gorivna palica

Samo ime Magnox izhaja iz okrajsave za Magnesium non-oxidising, material iz katerega so bile izdelane srajcke gorivnihelementov. Gre za zlitino magnezija s primesmi aluminija (4%Al, do 0,4% Ca ter do 0,1% Be). Dobra stran materiala je maj-hen presek za zajetje nevtronov, kar je direktna zahteva ob rabinaravnega urana. Bremenita ga pa dve za rabo neugodni lastno-sti:

• Neodpornost na visje temperature (zvecana korozivnost inkrhkost), kar omeji izkoristek elektrarne

• Reaktivnost z vodo, kar omeji dolgotrajno skladiscenje iz-trosenega goriva v vodnih bazenih

Srajcke se podaljsajo v hladilna rebra, da se izboljsa izme-njava toplote (glej sliko 3.2). Prej omenjena zgornja tempera-turna limita variira med 360oC ter 500oC, odvisno od zlitine.Obcutljivost srajck in drag proizvodnji proces je vodil k razlicnimmodifikacijam srajck in uporabljenih zlitin.

Tudi neobstoj moznosti stalitve sredice se je izkazal za neo-snovanega. Leta 1967 je v elektrarni Chapelcross prislo do delneposkodbe goriva, zaradi omejitve plinskega tokokroga v enem iz-med kanalov. Pri tem sicer ni prislo do vecjih tezav, saj so se za-posleni na dogodek dobro in pravocasno odzvali. Samo zamasitevje pa povzrocil odkrusek grafita. Sama srajcka je pa ob pregre-tju prakticno takoj odpovedala. Dve leti kasneje je reaktor poociscenju ponovno deloval in z servisnimi prekinitvami deloval dozaustavitve leta 2004.

Velika Britanija je zaradi problematicne rabe presla k iz-boljsanim tipom reaktorjev II. generacije, katerih dizajn je slonel na Magnox reaktorjih.

12


3.2 Izboljsani plinsko hlajeni reaktor-AGR

Prve izboljsave v primeri z Magnox reaktorji so takoj vidne ze na shemi 3.3. Umestitev vsehelementov plinskega tokokroga znotraj betonsko-jeklenega scita je doprinesla k zmanjsni stopnjiv okolico izsevanih visje energijskih γ zarkov.

10

9

8

7

65

4

3

2

1

Slika 3.3: Shema zasnove AGR reaktorja. Izme-njevalec toplote je v sami reaktorski posodi Vir:Wikipedia

Zamenjali so tudi osnovni material go-rivnih palic. V zelji po dosegu visjih tem-peratur so se odpovedali magnezijevi srajckiin posegli po nerjavecem jeklu. Kot posle-dica drugega materiala in s tem povezanihdrugacnih fizikalnih lastnostih se je spreme-nila tudi stopnja obogatitve goriva. Nerjavecejeklo (t.i. INOX ) ima vecji presek za zaje-tje nevtronov, kar zahteva vecji odstotek obo-gatitve. S tem se sicer dvignejo stroski go-riva, ima pa to gorivo precej vecji t.i. bur-nout. Prvi reaktor tega tipa je bil priklo-pljen n omrezje leta 1976. Vse AGR elek-trarne imajo po dva reaktorja in dve tur-bini. Elektricna moc variira med 555MW ter670MW. Zanimivo je, da izstopne karakteri-stike pare, ki izahaja iz izmenjevalca toplote,ustrezajo lastnostim pare iz premogovnih ter-moelektrarn. Posledicno lahko uoprabimo isteturbine za pogon generatorjev. Izstopna tem-

peratura hladila znasa 648oC-v izogib reakciji med grafitnim moderatorjem in ogljikovim dio-ksidom (CO2 → CO potece okrog 700oC) ima v spodnji del sredice vbrizgan plin okoli 278oC.

Slika 3.4: Sredica AGR reaktorja

Prvoten dizajn je predvideval rabo berili-jeve srajcke. Berilij bi namrec omogocil rabonaravnega urana. Zaradi krhkosti in visokecene se je izkazal za nepremimeren material,zatorej je bilo izbrano nerjavece jeklo.

Zanimiv je tudi proces ustsvitve reaktorja.Najprej se v reaktor spustijo kontrolne palice-te absorbirajo prakticno vse nevtrone prisotnev sredici. Sledi vbrizg dusika v hladilo, ki sepripomore k ohladitvi. Terciarni sistem pavkljucuje vnos borovih kroglic v sredico.

Zgrajenih je bilo sedem reaktorjev, ki sevsi dandanes delujejo. Majhno stevilo reak-torjev je posledica neizpolnitve pricakovanj.Visoke temperature so za seboj potegnile nizjiizkoristek goriva od priackovanega. Raba obo-gatenega goriva je izredno povecala stroske, ki so (relativno gledano) ob nizkem izkoristku gorivapostali se vecji.

13


14

Poglavje 4

Plinsko hlajeni hitri reaktor GFR

4.1 Zasnova

To je reaktor, katerega razvoj se poteka. Je reaktor IV generacije in za svoje delovanje uporabljaceloten spekter hitrih nevtronov. Zaobjema zaprt gorivni cikel, kar pomeni da med delovanjemreaktor sicer porablja gorivo, a ga hkrati tudi proizvaja. Za gorivo se uporablja paleta izotopovurana. Podstava novodobnega razvoja je s helijem hlajen sistem z izstopno temperaturo okoli850oC. Kot prikazuje slika 4.1 na strani 16 je v zelji po cimvecjem izkoristku v dizajn vkljucentudi t.i. Braytonov cikel. Reaktorji so oplodnega tipa, kar je seveda direktna posledica duhacasa. Urana je na svetu koncno mnogo; njegova cena je sicer stabilnejsa v primeri s ceno fosilnihgoriv, je pa vseeno zgolj vprasanje casa kdaj bo to manj samoumevna dobrina. GFR je pozasnovi precej podoben visokotemperaturnemu reaktorju z izjemo manjka moderatorja in malcespremenjene sredice v smislu . Ker hitri nevtroni predstavljajo temelj delovanja odpadejo vsahladila, ki so hkrati tudi moderatorji (npr.: voda, tako tezka kot tudi lahka). Druga zahteva, kizozi izbor na pline je tudi zahtevana visokotemperaturna limita izkoristka. Razvijalci reaktorjaso zoozili izbor primernih hladil na dve: v prvem delu omenjen CO2 ter (superkriticni) helij.Prvi je pri zahtevanih temperaturah malce manj primeren. Za tak tip reaktorja sicer pride vpostev tudi, denimo, natrij. Smiselna je primerjava tekoce kovine in plina.

Prednosti:

• Kemicna obstojnost v vodi in inertnost napram strukturnim materialom

• V primeri z natrijem enostaven ” zagon” hladila. Natrij je pri sobni temperaturi trden,kar je precej neugodna lastnost za pretok po ceveh

• Prozornost hladila. Ne gre za estetsko prednost temvec za lazji nadzor stanja sredice

• Ponovno, ni moznosti za hipno spremembo faze hladila

• Manjsi vpliv t.i. koeficienta izpraznitve

• Plinska hladila imajo trsi nevtronski spekter, kar je pomembna lastnost za oplodnjo goriva

• Manjsa gostota hladila zmanjsa t.i. parazitsko zajetje nevtronov

Seveda nobeno hladilo ni popolno in to velja tudi za plinska. Nastejmo slabosti v primeri znatrijem:

• Visje zahtevane crpalne moci v primeri s tekocim hladilom

15


• Potreba po visokih tlakih v primarnih krogih. Tipicne vrednosti znasajo 7MPa za helijevesisteme ter priblizno 25MPa za dosego superkriticnosti CO2. Inzenirji lovijo zlato sre-dino med nizjimi tlaki, ki omogocajo enostavnejso in cenejso izgradnjo sistema ter manjsunkovito tlacno izenacenje, in visjimi pritiski, ki omogocajo boljso pretocnost hladila posistemu.

• Velika hitrost hladila po sistemu zvisa verjetnost za razvoj neugodnih vibracij, k kvarnovplivajo na mehaniko

• Sunkovita ekspanzija ob prehodu skozi reaktorsko jedro velike gostote moci

Controlrods

Reactor

Reactorcore

Heat sink

Compressor

Compressor

Recuperator

Heat sinkPrecooler

Intercooler

GeneratorElectrical

power

Turbine

Helium

Slika 4.1: Shema enega izmed moznih dizajnov hitrega reaktorja

Poleg urana se lahko uporablja tudi druga goriva, denimo torij; ta meddrugim absorbira hitrenevtrone in razpade v 233

92 U . To je splosna znacilnost oplodnih reaktorjev: za gorivo neprimernosnov preko absorbcije nevtronov do dolocene mere spremene v za gorivo uporaben material-teoreticno naj bi to poredcilo dolaganje goriva in njega menjavo.

16


4.2 Dosedanje raziskave

Dosedaj ni se noben GFR dosegel kriticnosti, pognali pa so raziskovalne reaktorje manjsih mociz grafitnim moderatorjem. Glavni izziv je premostiti utrujanje materialov v reaktorski kapsulivsled ”bombardiranja” materiala s hitrimi nevtroni ter visoke temperature (do 1600oC). Drugproblem predstavlja relativno slaba toplotna izmenjava med hladilnim helijem ter gorivom prinizkih tlakih. S podobnimi problemi se soocajo vsi reaktorji podobnega dizajna in namena(denimo AGR oziroma Veryhigh temperature reactor).

4.2.1 Nemcija: studija plinskega oplodnega reaktorja

Raziskovalci iz Karlsruhea in Julicha so leta 1969 pripravili dokument imenovan ”Gasbruter-Memorandum” -studijo treh razlicnih reaktorjev, ki so vsi trije uporabljali helij kot hladilo.Temelj posode naj bi bil prednapet beton, sredica naj bi bila palicna s srajcakmi iz nerjavecegajekla. Sistem naj bi imel sekundarni parni cikel. Kot na primeru AGR, so bili vsi sistemi, t.j.tlacniki, rezervoarji. . . prmernega cikla v betonskem objemu in kot taki manj nevarni za okolico.V raziskavi so se zgolj povrsinsko dotaknili tudi zasnove reaktorja na temelju direktnega cikla.Zanimivo je bilo, da so v dizajnu razmisljali tudi o nadtlaku v okolici primarnega sistema.

4.2.2 ZDA: General Atomics

Z nacrtovanjem GCFR so ZDA pricele okoli leta 1962. Pripravili so dokumentacijo za poskusni300MW reaktor ter za 1000MW komercialno elektrarno.

Slika 4.2: Idejna skica primarnega kroga proi-zvajalca General Atomics. V votlini na desnistrani sredice je rezervoar in pumpna turbina.

Obe zasnovi naj bi uporabljale uranov di-oksid za gorivo ter ogljikov dioksid za hla-dilo, palicno sredico pa naj bi gradilo ner-javece jeklo. Najblizje izvedbi je prisel posku-sni 300MW reaktor, katerega moc so kasnejepovecali za 50MW. Primarni krog elektrarneprikazuje slika 4.2. Palicje sredice rebrasto vzelji po vecji izmenjavi toplote. Zaradi varno-stnih problemov je to od zadnje objave leta1981 opuscen projekt.

4.2.3 Evropa: The Gas Breeder Re-actor Association

Evropski koncern jedrske industrije je v 70ihletih 20. stoletja predstavila stiri mozne kon-cepte elektrarn megavatne moci. Same elek-trarne se kljub podobni moci vseeno precejrazlikujejo po hladilu, zasnovi sredice.

Inzenirji so kot hladilo predlagali ogljikovdioksid ter helij. Za skade goriva sta bili pre-dlagani dve geometriji: palicna ter kroglicna.Palicna ni bila pretirano inovativna, kroglicna pa je bila zanimiva zaradi dobre pretocnostihladila med z ogljikom oblecenimi gorivnimi kroglicami. Kroglice naj bi lezale v posebnih po-steljicah, kot jih prikazuje slika 4.3b. Materiali, uporabljeni za izdelavo konstrukcije naj bi bilidokaj klasicni: nerjavece jeklo za vecino konstrukcij, za posebej vroce dele pa naj bi uporabilisilicijev karbid SiC. Velika hitrost hladila zaradi vibracij je zgostila palicno mrezje sredice, karpa je povecalo moc crpalk.

17


(a) Primarni krog GBR-1 (b) Gorivna palica enega izmed dizajnov (c) Palica s posteljicami za”obleceno” goriva in sredica

Slika 4.3: Slike nekaterih sestavnih delov evropskih idejnih zasnov

Nobena izmed idej ni zapustila celulozne podlage; kot take so pa zanimive, saj so temeljdandanasnjim raziskavam. Opustitev dejanske izgradnje je izhajala iz neresenosti varnostnihvprasanj.

4.2.4 Sovjetska zveza: Disocirajoce hladilo

Sovjetski program ni bil v nicemer razlicen od navedenih. Je pa zanimiv zaradi uporabe hladilaN2O4. to preko endotermne reakcije razpade v dusikov dioksid ter dusik in kisik. Gre za rav-notezno endotermno reakcijo. Hladilo je zanimivo, ker se v toplotnem izmenjevalcu kondenzirain zato potrebujemo manjse gonilne moci. Je pa hladilo zelo korozivno in zato manj primerno.Deloma se temu izognemo z uporabo kromovih zlitin. Kljub vsemu gre za opuscen program.

4.3 Renesansa GFCR reaktorjev

V zelji po osamosvojitvi od kopnecih zalog fosilnih goriv se raziskovalci ponovno obracajo protiopuscenim idejam plinsko hlajenih hitrih reaktorjev. Reaktorji naj bi seveda v vseh pogledihzadoscali manekenskim zahtevam jedrske tehnike: zanesljivosti, varnosti, nizki ceni, stabilnostiter dosegljivosti. Reaktorji naj ne bi potrebovali obogatenega goriva. Sam reaktor naj biproizvedel dovolj obogatenega goriva za svojo porabo, dodajalo naj bi se zgolj ”fertilno”. Sredicenaj bi bile sicer kompaktne a v zelji po varnosti naj bi imele majhno gostoto moci, elektricno mocproizvajajoc cikel naj bi slonel na Braytonovem ciklu (glej slikeo 4.1). Moci reaktorjev naj bisegale od 600MW pa vse do 2400MW termicne moci s 50% izkoristkom le-te. Vecina reaktorjev(s helijem kot hladilom in s sekundarnim krogom) naj bi delovala na delovni temperaturi okoli850oC in tlaku priblizno 7MPa. Posledicno naj bi kovino zamenjale keramike. Direktni cikel najbi deloval pri visjem tlaku ter nizji temperaturi (650oC ter 25MPa). Razsikovalci se nagibajo kposrednemu ciklu.

Zakljucimo z dejstvom, da smo obravnavali enega izmed medseboj zelo podobnih reaktorjevIV. generacije. Nacrti in izracuni obljubljajo mnogo. Sami manjsi poskusni reaktorji pa razkri-vajo tehnicne izzive, ki morajo biti premosceni. V prihodost reaktorske tehnike moramo zretismelo in z optimizmom. Velikanski raziskovalni aparat nam kaze eno izmed moznih energetksih

18


alternativ ter odpira inzenirski peskovnik, hotec novih idej.

19

Univerza v Ljubljani - Študentske strani FMF

Documents

Transcript of Univerza v Ljubljani - Študentske strani FMF