Αντιδραστήρας αναπαραγωγής

Χωρίζοντας περισσότερα από τα μαλλιά
Πυρηνική ενέργεια
Εικονίδιο nuclear.svg
Ιονιστικές σελίδες
  • Αντιπυρηνικό κίνημα
  • Εκστρατεία για τον πυρηνικό αφοπλισμό
  • Γκόρντον Έντουαρντς
  • Έλεν Κάλντκοτ
  • Krypton-85 και κλιματική αλλαγή
  • Έργο του Μανχάταν
  • Πυρηνική ενέργεια
  • Άρνηση πυρηνικής ενέργειας
  • Ραδιοφοβία
  • Πολύ φθηνό σε μετρητή
  • Κίτρινο κέικ
  • Όρος Γιούκα

ΠΡΟΣ ΤΗΝ αντιδραστήρας αναπαραγωγής είναι ένας πυρηνικός αντιδραστήρας που δημιουργεί περισσότερο σχάσιμο υλικό από ό, τι καταναλώνει. Απαιτεί μια αρχική φόρτιση σχάσιμου υλικού, όπως ουράνιο υψηλής περιεκτικότητας ή πλουτώνιο και παροχή γόνιμου υλικού, όπως φυσικό ουράνιο, εξαντλημένο ουράνιο ή θόριο. Υπέρβαση νετρόνια που παράγεται στην αντίδραση σχάσης απορροφάται από το εύφορο ισότοπο, το οποίο μετατρέπεται σε σχάσιμο ισότοπο.


Οι αντιδραστήρες αναπαραγωγής μπορούν να χρησιμοποιήσουν σχεδόν το 100% της ενέργειας που περιέχεται στα μεταλλεύματα ουρανίου και θορίου, ενώ οι αντιδραστήρες που χρησιμοποιούνται σήμερα για πυρηνική δύναμη η γενιά μπορεί να χρησιμοποιήσει το πολύ 1%. Μπορούν επίσης να επαναχρησιμοποιήσουν τα απόβλητα από τους υπάρχοντες αντιδραστήρες ως καύσιμα, έως ότου δεν υπάρχει τίποτα παρά μόνο προϊόντα σχάσης. Δεδομένου ότι ο εφοδιασμός γόνιμων υλικών στη Γη είναι εξαιρετικά μεγάλος, η εισαγωγή αντιδραστήρων αναπαραγωγής θα μετατρέψει την πυρηνική ενέργεια με βάση τη σχάση σε μια τεχνολογία που είναι βιώσιμη για όσο διάστημα ηλιακή ενέργεια, δηλαδή έως ότου καεί ο Ήλιος.

Περιεχόμενα

Κύκλοι καυσίμου αντιδραστήρα αναπαραγωγής

Υπάρχουν δύο κύκλοι καυσίμων που διερευνήθηκαν για χρήση με αντιδραστήρες αναπαραγωγής:

  • Κύκλος καυσίμου ουρανίου-πλουτωνίου . Το εύφορο υλικό είναι το ουράνιο-238, το σημαντικότερο ισότοπο στο φυσικό ουράνιο. Το σχάσιμο υλικό είναι πλουτώνιο .
  • Κύκλος καυσίμου θορίου-ουρανίου . Το εύφορο υλικό είναι το θόριο-232, το μόνο φυσικό ισότοπο του θορίου. Το σχάσιμο υλικό είναι το ουράνιο-233.

Και οι δύο κύκλοι έχουν πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, ειδικά ανάλογα με το είδος του αντιδραστήρα που χρησιμοποιείται.

Αντιδραστήρες γρήγορης και θερμικής παραγωγής

Όταν ένα σχάσιμο άτομο σχίζεται από την πρόσκρουση από ένα νετρόνιο, μπορεί να απελευθερώσει πολλαπλά νετρόνια. Μερικά από αυτά τα νετρόνια μπορούν να προκαλέσουν περαιτέρω συμβάντα σχάσης. Μερικά από αυτά τα νετρόνια μπορούν να χτυπήσουν το καύσιμο αναπαραγωγής (π.χ. U-238 και θόριο) και να το μεταδώσουν στο σχάσιμο καύσιμο (π.χ. Pu-239 και U-233). Τα απελευθερούμενα νετρόνια είναι συνήθως γρήγορα νετρόνια.


Ένας γρήγορος αντιδραστήρας είναι ένας πυρηνικός αντιδραστήρας που δεν χρησιμοποιεί έναν συντονιστή - μια ουσία που επιβραδύνει τα νετρόνια. Ένας θερμικός αντιδραστήρας χρησιμοποιεί τον συντονιστή για να επιβραδύνει ουσιαστικά τα νετρόνια. Αυτό ονομάζεται «θερμικό» φάσμα και τα νετρόνια του ονομάζονται «θερμικά» νετρόνια. Ο πιο συνηθισμένος συντονιστής είναι το νερό και ο γραφίτης είναι επίσης συνηθισμένος (Τα περισσότερα σχέδια αντιδραστήρων με μετριασμό γραφίτη χρησιμοποιούν αέριο, είτε ήλιο ή άνθρακας διοξίδιο , ως ψυκτικό. Ένα από τα υπόλοιπα σχέδια που χρησιμοποιούν γραφίτη ως συντονιστή και νερό ως ψυκτικό, έπρεπε να τοποθετηθούν εκ νέου με πρόσθετα συστήματα ασφαλείας για πολύ καλός λόγος . Αρκετές εγκαταστάσεις αυτού του σχεδιασμού ακυρώθηκαν κατά την κατασκευή.)



Τα γρήγορα και θερμικά νετρόνια έχουν διαφορετικές πιθανότητες πρόσκρουσης ατόμων και έχουν διαφορετικές πιθανότητες να επηρεάσουν εάν προκαλεί ένα συμβάν σχάσης ή κάποιο άλλο συμβάν. Ουράνιο-235 σχάσεις εύκολα με αργά (θερμικά) νετρόνια, όπως και το Uranium-233. Τα γρήγορα νετρόνια είναι λιγότερο πιθανό να χτυπήσουν έναν πυρήνα, αλλά όταν χτυπούν, είναι περισσότερο πιθανό να προκαλέσει σχάση. Τα γρήγορα νετρόνια είναι πιο αποτελεσματικά στη μετατροπή του ουρανίου-238 σε πλουτώνιο. Η φυσική λειτουργεί έτσι ώστε το ουράνιο-πλουτώνιο να πρέπει να είναι γρήγορος αντιδραστήρας, προκειμένου να εξαντληθεί η μετάδοση αρκετών U-238 σε Pu-239 για να συνεχιστεί η αντίδραση και να μην απαιτείται επιπλέον σχάσιμο καύσιμο. Τα γρήγορα νετρόνια μπορούν να σχίσουν πυρήνες ισοτόπων όπως το U-238 και ακόμη και τα αριθμημένα ισότοπα του πλουτωνίου, όπως το Pu-240, τα τελευταία από τα οποία θα έχουν υψηλότερη συγκέντρωση στο αναλωμένο καύσιμο συμβατικών αντιδραστήρων ελαφρού νερού. Έτσι, θεωρητικά, οι αντιδραστήρες ταχείας αναπαραγωγής είναι σε θέση να αναπαράγουν πλουτώνιο με χαμηλότερες αναλογίες περιεκτικότητας Pu-240 έως Pu-239, κάτι που είναι ευνοϊκό για την παραγωγή βομβών (η παραγωγή πλουτωνίου έχει γίνει στο παρελθόν σχεδόν αποκλειστικά σε αντιδραστήρες παραγωγής, συνήθως γραφίτη εποπτεία); Ωστόσο, επειδή οι γρήγοροι αντιδραστήρες δεν απαιτούν να διαχωριστούν αυτά τα ισότοπα κατά την ανακύκλωση καυσίμου, αυτός ο κίνδυνος πολλαπλασιασμού μπορεί να αρθεί.


Λόγω της φυσικής και της μηχανικής των αντιδραστήρων, το ψυκτικό πρέπει να διέρχεται από τον πυρήνα, και έτσι το νερό δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ψυκτικό για έναν γρήγορο αντιδραστήρα επειδή το νερό είναι συντονιστής. Έτσι, είναι κάπως πιο περίπλοκα. Συνήθως χρησιμοποιούν υγρό μέταλλο ή αδρανή αέρια ως ψυκτικό - κυρίως νάτριο ή ήλιο, αλλά ορισμένοι ρωσικοί αντιδραστήρες του ναυτικού χρησιμοποίησαν επίσης μόλυβδο ή κράμα μολύβδου-βισμούθιου. Οι ερευνητικοί αντιδραστήρες χρησιμοποιούν μερικές φορές κράμα νατρίου-καλίου, το οποίο είναι υγρό σε θερμοκρασία δωματίου και αποφεύγει το πρόβλημα της στερεοποίησης ψυκτικού όταν ο αντιδραστήρας είναι απενεργοποιημένος, αλλά είναι επίσης πιο ακριβός. Τα ψυκτικά που επιλέγονται για έναν αντιδραστήρα ταχείας αναπαραγωγής είναι επίσης αλκαλικά μέταλλα ή κράματα αλκαλικών μετάλλων τα οποία τείνουν να έχουν κάπως βίαιες χημικές αντιδράσεις με μεγάλη ποικιλία ουσιών, συμπεριλαμβανομένου του νερού (ακόμη και στα ελάχιστα επίπεδα περιεκτικότητας σε υγρασία) και σε μικρότερο βαθμό οξυγόνου.

Οι αντιδραστήρες ταχείας αναπαραγωγής έλαβαν την πλειοψηφία της χρηματοδότησης κατά τη διάρκεια του Ψυχρού Πολέμου επειδή επέτρεψαν την παραγωγή πλουτωνίου με πυρηνικά όπλα. Είναι επίσης λιγότερο ελκυστικά για την παραγωγή ενέργειας, διότι τα συστήματα ασφαλείας στους περισσότερους αντιδραστήρες ταχέος φάσματος μέχρι στιγμής ήταν λιγότερο ανεκτικά σε σχέση με αυτά των αντίστοιχων θερμικών φάσματος.


Για τον κύκλο καυσίμου θορίου-ουρανίου, η φυσική επιτρέπει στους αντιδραστήρες γρήγορου και θερμικού φάσματος να επιτύχουν μια αυτοσυντηρούμενη αναπαραγωγή σχάσιμου καυσίμου (U-233) από το καύσιμο δημιουργίας εισόδου (θόριο).

Αντιδραστήρας υγρού φθορίου θόριο

ο Αντιδραστήρας υγρού φθορίου θόριο (LFTR, προφέρεται «Lifter») είναι ένας σχεδιαστής αντιδραστήρα αναπαραγωγής, που αποκτά νέο ενδιαφέρον. Χρησιμοποιεί τον κύκλο θορίου-ουρανίου, έχει θερμικό φάσμα και χρησιμοποιεί υγρό καύσιμο σε αντίθεση με όλα τα άλλα σύγχρονα σχέδια αντιδραστήρων (με την πιθανή εξαίρεση του Υδατικός Ομογενής Αντιδραστήρας που δεν θα λειτουργούσε στον κύκλο θορίου επειδή τα άλατα θορίου δεν είναι επαρκώς υδατοδιαλυτά. Το καύσιμο αποτελείται από θόριο και ουράνιο σε διάλυμα σε ένα φθοριούχο άλας, συνήθως με βηρύλλιο και λίθιο. Η ιδέα υπήρχε από τη γέννηση της πυρηνικής εποχής, και ερευνήθηκε και επιδιώχθηκε σε κάποιο βαθμό, αλλά πολύ λιγότερο από άλλες τεχνολογίες. Το LFTR παραμένει πειραματικό και μη αποδεδειγμένο.

Το Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge έπαιξε μια χλεύη του πυρήνα ενός LFTR για 5 χρόνια στο Πείραμα Molten Salt Reactor (1965-1969) που έδειξε πολλά από τα βασικά του LFTR. Ο αντιδραστήρας ελαφρού νερού στο Shippingport της Πενσυλβανίας το 1982 έδειξε ότι υπήρχε 1,39% περισσότερο σχάσιμο υλικό στον πυρήνα από ό, τι τοποθετήθηκε μετά από μια πενταετή πορεία.

Τα υποτιθέμενα οφέλη περιλαμβάνουν φθηνή ηλεκτρική ενέργεια, καλύτερη ασφάλεια, καλά ή καλύτερα χαρακτηριστικά πολλαπλασιασμού, απίστευτα μεγάλη διαθεσιμότητα καυσίμων και λιγότερα πυρηνικά απόβλητα κατ 'όγκο και κατά τη διάρκεια ζωής, την ικανότητα εξαγωγής και εκμετάλλευσης των δυνητικά χρήσιμων προϊόντων σχάσης από τα απόβλητα του αντιδραστήρα «(ευκολότερο να γίνει όταν το καύσιμο είναι ήδη υγρό σε λειτουργία ρουτίνας), και ίσως το πιο ελκυστικό από όλα, η δυνατότητα χρήσης υγρών αποβλήτων-θερμότητας για αφαλάτωση του θαλασσινού νερού με ελάχιστη ή καθόλου ζημία στην απόδοση της θερμότητας- μεταφορά βρόχων (τα συστήματα που μετατρέπουν τη θερμότητα του αντιδραστήρα σε κινητική ενέργεια για την κίνηση του στροβίλου που μετατρέπει αυτήν την κινητική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια). Τα υποτιθέμενα αρνητικά είναι ότι λόγω του πόσο καιρό πριν, το προαναφερθέν MSRE διαλύθηκε και η ομάδα σχεδιασμού του διαλύθηκε, η συντριπτική πλειοψηφία των ατόμων με πρακτική εμπειρία στην κατασκευή ενός μοντέλου αυτού του τύπου αντιδραστήρα είναι στην καλύτερη περίπτωση, από καιρό συνταξιούχοι, και στη χειρότερη περίπτωση, νεκρός. Αυτό απαιτεί τη διάθεση πολλών πόρων για την επανεφεύρεση του παροιμιώδους τροχού προτού ένα εμπορικά βιώσιμο LFTR μπορεί να γίνει εύλογο εγχείρημα. Ένας από τους τομείς που εντοπίστηκαν ως ιδιαίτερα ανεπαρκείς στην εξειδίκευση που απαιτείται για να προχωρήσει στην ανάπτυξη ήταν (και είναι) υψηλής θερμοκρασίας μεταλλουργία συστατικών που θα βρίσκονται σε παρατεταμένη άμεση επαφή με τα λιωμένα άλατα του αντιδραστήρα και προσδιορισμός ενός κράματος που θα είναι επαρκώς ανθεκτικό για χρήση σε αντιδραστήρα σχεδιασμένο να λειτουργεί συνεχώς έως και 40 ή πιθανώς 60 χρόνια. Οι συντονιστές νετρονίων μπορεί επίσης να είναι προβληματικοί, καθώς ο MSRE χρησιμοποίησε γραφίτη ως συντονιστή. Ο γραφίτης τείνει να διογκώνεται και να μεγαλώνει εύθραυστος μετά από παρατεταμένη έκθεση σε περιβάλλον υψηλής ροής νετρονίων (όπως ο πυρήνας ενός αντιδραστήρα πυρηνικής σχάσης).


Σε αντίθεση με τους μύθους που διαιωνίζονται από ορισμένους υποστηρικτές του LFTR, είναι πιθανό να μην είναι εντελώς ανθεκτικό στον πολλαπλασιασμό. Ωστόσο, είναι πιθανό να είναι περισσότερος πολλαπλασιασμόςανθεκτικόςαπό τους συμβατικούς πυρηνικούς αντιδραστήρες.

Αντιδραστήρας ταξιδιού κύματος

Ο αντιδραστήρας ταξιδιού κύματος (TWR) είναι παρόμοιος με έναν αντιδραστήρα αναπαραγωγής που υποτίθεται ότι είναι μια βελτίωση σε σχέση με τα υπάρχοντα σχέδια. Έχει περάσει από πολλές ενσαρκώσεις με τα χρόνια. Λειτουργεί με αναλωμένο καύσιμο, αναπαράγοντας το σε πλουτώνιο και μετά χρησιμοποιώντας αυτό. Το κύμα στο όνομα προέρχεται από το κύμα χρήσης που προέρχεται από τον πυρήνα του αντιδραστήρα προς τα έξω.

Το σχέδιο τράβηξε την προσοχή του Μπιλ Γκέιτς, πράγμα που σημαίνει ότι είτε (Α) είναι κάτι πραγματικά πολύ ενδιαφέρον είτε (Β) ένας πλούσιος συνταξιούχος μούγκας λογισμικού τους αρέσει.

Επί του παρόντος, τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας για το σχεδιασμό ανήκουν στην TerraPower.

Υφιστάμενοι αντιδραστήρες αναπαραγωγής

Πυρηνικός σταθμός Beloyarsk

Επί του παρόντος υπάρχουν δύο αντιδραστήρες αναπαραγωγής που χρησιμοποιούνται για παραγωγή ενέργειας στον κόσμο:

  • Αντιδραστήρας BN-600 στο Beloyarsk, Ρωσία.
  • Πειραματικός γρήγορος αντιδραστήρας της Κίνας κοντά στο Πεκίνο, την Κίνα.

Το Υπουργείο Ενέργειας των Ηνωμένων Πολιτειών έθεσε τους πόρους του στην ανάπτυξη Fast Breeder Reactors, που τελικά κατέληξε Αντιδραστήρας Fermi 1 στο Monroe, Michigan, το οποίο χτίστηκε και αναπτύχθηκε από το 1957, και το οποίο υπέστη μερική κατάρρευση το 1966. Επιχειρήθηκαν επισκευές, και παρά τις συνεχιζόμενες διαλείπουσες δραστηριότητες, δεν ήταν ποτέ σε θέση να επιτύχει πλήρως λειτουργική ικανότητα και έκλεισε μόνιμα και τερματίστηκε το 1972. Ένας αντιδραστήρας, πιο συμβατικού σχεδιασμού, κατασκευάστηκε εκεί, που θα συνδεθεί στο διαδίκτυο το 1988. Ο αντιδραστήρας 2, ο οποίος είναι δεν ένας κτηνοτρόφος, παραμένει σε ρουτίνα χρήση σήμερα.

Ένα πρωτότυπο αντιδραστήρα εμπορικής παραγωγής 1200 MW, Superphénix , λειτουργούσε στη Γαλλία μεταξύ 1986 και 1997. Έκλεισε μετά από εκτελεστική απόφαση του νεοεκλεγέντος πρωθυπουργού, Lionel Jospin, συμμάχου με τους Γάλλους Πράσινο πάρτι . Ο προκάτοχός του, ένας αντιδραστήρας απόδειξης της έννοιας κάλεσε Φοίνιξ λειτούργησε και παρείχε ακόμη και ισχύ στο γαλλικό ηλεκτρικό δίκτυο από το 1973 έως το 2008, υποβάλλοντας το τελικό και μόνιμο κλείσιμο του 2009.

ο Αντιδραστήρας Monju στην Tsuruga, η Ιαπωνία λειτούργησε μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του '90, και στη συνέχεια έκλεισε για 15 χρόνια. Λίγους μήνες μετά την επανενεργοποίηση του Monju, ένας γερανός έπεσε στη δεξαμενή ψυκτικού υγρού νατρίου στο οποίο ο αντιδραστήρας βυθίστηκε. Έκτοτε έκλεισε οριστικά.

Κριτική

ο αντιπυρηνικό κίνημα αντιτίθεται στην ανάπτυξη γρήγορων αντιδραστήρων. Το κύριο μέλημά τους είναι ότι οι αντιδραστήρες αναπαραγωγής είναι ακριβοί και τα πρωτότυπα είχαν προβλήματα μηχανικής. Αυτό δεν είναι πραγματικά εκπληκτικό, δεδομένου ότι ορισμένοι από αυτούς τους οργανισμούς αντιτίθενται επίσης στην έρευνα για τη σύντηξη. Η πυρηνική επανεπεξεργασία, μια άλλη τεχνολογία στην οποία είναι αλλεργική η κίνηση, είναι υποχρεωτικό μέρος του κύκλου καυσίμου. Πρόσθετη κριτική προέρχεται από εμπειρογνώμονες διάδοσης, οι οποίοι ανησυχούν εάν τα προτεινόμενα χαρακτηριστικά κατά της διάδοσης θα είναι επαρκή. Συνολικά, οι ίδιες οι λέξεις «αντιδραστήρας αναπαραγωγής» έχουν γίνει πιο πολιτικά τοξικές από την πυρηνική ενέργεια από μόνες τους. Ένα από τα πρώτα πυρηνικά έργα που απορρίφθηκαν σε μια μεγάλη βιομηχανική χώρα ήταν ένας γρήγορος παραγωγός στο Kalkar, στη Δυτική Γερμανία και ολόκληρο το kerfuffle συνέβηπρινΤσερνομπίλ.