Магнокс

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Принципиальная схема реакторной установки Магнокс, показывающая поток газа. Парогенератор вынесен за пределы бетонной биологической защиты. Это ранняя конструкция Магнокс с цилиндрическим стальным корпусом реактора.

Магнокс (англ. Magnox) — серия ядерных реакторов, разработанная в Великобритании, в которых в качестве ядерного топлива используется природный металлический уран, в качестве замедлителя графит, а роль теплоносителя выполняет углекислый газ[1]. Магнокс относится к типу газографитовых реакторов (GCR по классификации МАГАТЭ). Название «магнокс» совпадает с названием марки магниево-алюминиевого сплава, используемого в этих реакторах для изготовления оболочек топливных элементов. Как и большинство реакторов первого поколения Магнокс является двухцелевым реактором, предназначенным как для наработки плутония-239 так и для производства электроэнергии. Как и в других реакторах, производящих плутоний, важной особенностью является слабое поглощение нейтронов материалами активной зоны. Эффективность графитового замедлителя позволяет работать на природном урановом топливе без необходимости его обогащения. Графит легко окисляется на воздухе, поэтому в качестве теплоносителя использован CO2. Передача тепла от первого контура ко второму осуществляется в парогенераторах, а полученный пар приводит в движение обычную турбину для производства электроэнергии. Конструкция реактора позволяет производить перегрузку топлива на ходу.

Двухцелевая особенность реакторов Магнокс позволила Великобритании создать значительные запасы реакторного плутония, путем переработки отработанного ядерного топлива на заводе B205. Несмотря на модернизацию, направленную на повышение эффективности производства электроэнергии, после того как производство плутония отошло на второй план, Магнокс-реакторы так и не сравнялись с водо-водяными реакторами по эффективности использования топлива из-за своих конструктивных особенностей и работы на необогащенном уране.

Только небольшое количество реакторов данного типа было построено в Великобритании и ещё меньшее было экспортировано в другие страны. Первый реактор был сооружен в Колдер Холл (англ. Calder Hall) в 1956, и часто рассматривается как «первый коммерческий энергетический реактор в мире», тогда как последним в Великобритании был закрыт Уилфа (англ. Wylfa Nuclear Power Station) в 2015. По состоянию на 2016 год Северная Корея остается единственной страной, использующей реакторы Магнокс в Ядерном научно-исследовательском центре в Йонбёне. Дальнейшим развитием газографитовых реакторов стали Улучшенные реакторы с газовым охлаждением, имеющие тот же теплоноситель, но с рядом изменений повышающих экономические показатели.

Развитие газографитовых реакторов в Великобритании[править | править код]

Ранний дизаин Магноксовского топливного стержня

Уиндскейл-Пайл[править | править код]

Первым полномасштабным промышленным реактором Великобритании стал Уиндскейл-Пайл в комплексе Селлафилд. Он был создан специально для наработки плутония-239 из природного урана. Для поддержания ядерной реакции в таком топливе требуются тепловые нейтроны, для чего нужен эффективный замедлитель. В данном случае был выбран особо чистый графит. Реактор представлял собой кладку из большого числа графитовых блоков, которую пронизывали каналы для размещения топливных элементов и стержней управления. Топливо из металлического урана заключалось в алюминиевую оболочку и помещалось в горизонтальные каналы ректора. По мере работы реактора свежие топливные элементы добавлялись с его лицевой части и выталкивали отработавшие элементы, которые падали в специальный бассейн. Отработавшее топливо направлялось на переработку для извлечения плутония. Энерговыделение в реакторе было относительно невелико и использовалось воздушное охлаждение с помощью больших вентиляторов, продувавших графитовую кладку.

Бомбардировка графита нейтронами приводит к накоплению в нём скрытой энергии Вигнера[en] и для восстановления его структуры необходим периодический отжиг. При эксплуатации реакторов в Уиндскейле технология отжига ещё не была достаточно отработана и 10 октября 1957 года во время такой процедуры был допущен перегрев топлива, что привело к его возгоранию[2][3]. Реактор горел в течение трех дней и серъезного загрязнения удалось избежать только благодаря фильтрам, которые изначально не предусматривались в проекте и были установлены на позднем этапе строительства. Интересно, что фильтры ранее были высмеяны как ненужные «глупости»[4].

Выброс оценивается в 750 ТБк (20 000 Ки)[источник не указан 93 дня]. В связи с тем, что Кыштымская авария не была широко известна за пределами СССР, авария в Селлафилде считалась самой серьёзной в истории мировой атомной промышленности до аварии на АЭС Три-Майл-Айленд. По международной шкале ядерных происшествий, которая классифицирует события по семи уровням, где ноль означает, что событие подлежит регистрации, но не будет иметь последствий, а на седьмом уровне расположены аварии в Чернобыле и Фукусиме, происшествие на химкомбинате Маяк стоит на шестом уровне, а в Уиндскейле — на пятом[5].

Магнокс[править | править код]

Поскольку ядерное ведомство Великобритании начало обращать свое внимание на ядерную энергетику, потребность в большем количестве плутония оставалась острой[источник не указан 93 дня]. Это привело к дальнейшему развитию решений, отработанных на Уиндскейл-Пайл, что привело к созданию более мощного реактора, способного служить источником энергии для выработки электричества.

При большой тепловой мощности риск пожара увеличивается и способ воздушного охлаждения оказывается неподходящим. В реакторах Магнокс это привело к использованию двуокиси углерода CO2 в качестве теплоносителя. В конструкции реактора нет устройств для регулирования потока газа по отдельным каналам, вместо этого необходимый расход устанавливается один раз во время строительства на основе экспериментов, проведённых на макете[источник не указан 93 дня]. Контроль ядерной реакции обеспечивался стержнями управления из борированной стали, размещенными в вертикальных каналах.

При более высоких температурах алюминий не обеспечивает достаточной прочности, и в качестве материала топливных оболочек был выбран сплав магнокс. К сожалению, химическая активность магнокса увеличивается по мере повышения температуры, что приводит к её ограничению до 360 ° C (680 ° F). При таких температурах генерация пара не достаточно эффективна[источник не указан 93 дня]. Указанные температурные ограничения приводят к тому, что реактор должен быть очень большим для обеспечения выбранной мощности. Использование газа как теплоносителя несет дополнительные трудности, так как его низкая теплоёмкость требует очень высоких скоростей потока.

Топливные элементы реактора Магнокс состояли из очищенного урана[источник не указан 93 дня], герметично заключенного в свободно облегающую оболочку, заполненную гелием. Оболочка обычно была ребристой, чтобы улучшить теплообмен с CO2. Сплав магнокс хорошо реагирует с водой и отработанные топливные элементы после их извлечения из реактора нельзя надолго оставлять в бассейнах выдержки. В отличие от Уиндскейл-Пайл в реакторе Магнокс использовались вертикальные топливные каналы. Топливные элементы были механически скреплены друг с другом, для того чтобы их можно было извлечь из каналов сверху.

Как и в Уиндскейл-Пайл, конструкция реакторов Магнокс обеспечивала доступ к топливным каналам и топливо могло быть заменено во время работы реактора. Это было ключевой особенностью конструкции, поскольку использование природного урана приводит к низким коэффициентам выгорания и к необходимости частой дозаправки топлива. Для эффективной выработки электроэнергии топливные элементы должны оставаться в реакторе как можно дольше, в то время как для производства плутония время их нахождения в активной зоне должно быть ограничено. Сложная система перегрузки топлива оказалась менее надежна, чем сама реакторная установка, и, возможно, не эффективна в целом.[6]

Активная зона реактора заключена в большой сосуд высокого давления, который в свою очередь находится в бетонном здании, выполняющем функцию биологической (радиационной) защиты. Поскольку в реакторе не использовалась вода и, следовательно, не было опасности взрывного парообразования, бетонное сооружение оказалось весьма компактно, что помогло снизить затраты на строительство. Чтобы ещё больше снизить размеры реакторного здания конструкторы в ранних версиях размещали парогенераторы за его пределами на улице. Из-за частиц топлива и замедлителя, взвешенных в газе, вся система «светилась» гамма-лучами и нейтронами[источник не указан 93 дня].

Проект реакторов Магнокс постоянно совершенствовался, и построенные станции значительно отличались друг от друга. Так вначале парогенераторы были перемещены внутрь реакторного здания, а позднее в энергоблоках АЭС Олдбери и АЭС Вилфа вместо стальных корпусов реакторов использовался предварительно напряженный железобетон. Рабочее давление колеблется от 6,9 до 19,35 бар для стальных корпусов и 24,8 и 27 бар для железобетонных конструкций.[7]

Ни одна британская строительная компания в то время не была достаточно большой, чтобы построить все электростанции, поэтому строительством занимались различные конкурирующие консорциумы, что добавило различий между станциями; например, почти на каждой электростанции использовалась своя конструкция топливного элемента[8].

Для первоначального запуска реактора источник нейтронов помещался в активную зону, чтобы обеспечить инициирование ядерной реакции. Другой особенностью конструкции являлись дополнительные поглощающие стержни для выравнивания (в некоторой степени) плотности потока нейтронов по активной зоне. Если их не использовать, поток в центре будет слишком сильным по сравнению с периферией, что затрудняет управление и приводит к слишком высоким температурам по центру. В каждом топливном канале было подвешено несколько сцепленных между собой топливных элементов формировавших топливную сборку. Для обеспечения возможности извлечения сборок канал оснащен запирающим механизмом. Используемые в механизме пружины содержали кобальт[источник не указан 93 дня], который подвергаясь облучению создаёт высокий гамма-фон. Кроме того, к ряду элементов были прикреплены термопары, которые должны были удаляться при выгрузке топлива из реактора.

AGR[править | править код]

Двойное назначение реактора Магнокс привело к ряду компромиссов, которые ограничили его экономические показатели. Ещё при активном строительстве станций с реакторами Магнокс параллельно велась работа над усовершенствованным газоохлаждаемым реактором (AGR) с явным намерением сделать установку более экономичной. Главным изменением стало повышение температуры в реакторе примерно до 650 ° C (1202 ° F), что значительно повысило эффективность работы паровых турбин. Это было слишком горячо для сплава магнокс, и в AGR первоначально предполагалось использовать новую оболочку на основе бериллия, который в итоге оказался слишком хрупким и был заменен нержавеющей сталью. Сталь поглощала большое количество нейтронов, что потребовало обогащения уранового топлива, повышая затраты на топливо. В конечном счете экономика установки оказалась немного лучше, чем в реакторах Магнокс[источник не указан 93 дня].

Характеристики реактора[править | править код]

Проектные характеристики некоторых реакторов Магнокс (могут отличаться от реальных)[9]:

Характеристика Колдер Холл 1956 г. Олдбери 1967 г. Уилфа 1971 г.
Тепловая мощность реактора 182 МВт 835 МВт 1875 МВт
Электрическая мощность блока 46 МВт 280 МВт 590 МВт
КПД блока 23 % 34 % 33 %
Количество топливных каналов в реакторе 1696 3320 6150
Диаметр активной зоны 9,45 м 12,8 м 17,4 м
Высота активной зоны 6,4 м 8,5 м 9,2 м
Среднее давление газа 7 бар 25,6 бар 26,2 бар
Средняя температура входящего газа 140 °C 245 °C 247 °C
Средняя температура выходящего газа 336 °C 410 °C 414 °C
Общяя подача газа 891 кг/с 4627 кг/с 10 254 кг/с
Используемое топливо природный металл. уран природный металл. уран природный металл. уран
Масса урана в реакторе 120 т 293 т 595 т
Внутренний диаметр корпуса реактора 11,28 м 23,5 м 29,3 м (сфера)
Высота корпуса реактора 21,3 м 18,3 м
Количество газодувок 4 4 4
Число парогенераторов 4 4 1
Число генераторов 2 1 2

Экономика[править | править код]

Первые реакторы Магнокс на АЭС Колдер-Холл (англ. Calder Hall)[10] были разработаны главным образом для наработки плутония в военных целях[11]. При ядерных превращениях в реакторе выделяется большое количество тепла, и его использование для выработки электроэнергии рассматривалось как некое «бесплатное» дополнение.

Реакторы АЭС Колдер-Холл имели низкую эффективность по сегодняшним меркам, только 18,8 %[12]. Следующим этапом в развитии уран-графитовых ядерных реакторов Великобритании явилось введение в строй в 1971 г. АЭС Уилфа с загрузкой активной зоны природным ураном (595 тонн) и с теплоносителем CO2 под давлением 2,8 МПа. Уровень выгорания топлива достигал 3,5 МВт·сут/кг, к.п.д. — 26 %[источник не указан 91 день].

В 1957 году британское правительство приняло решение о поддержке атомной энергетики и планировалось, что к 1965 году будут введены мощности от 5000 до 6000 МВт, что составляло четверть потребности страны в электроэнергии.[11] Хотя сэр Джон Кокрокфт убеждал правительство в дороговизне «атомного» электричества по сравнению с угольными станциями, в Великобритании решили, что АЭС будут полезны для снижения давления со стороны шахтерских профсоюзов. В 1960 году производство электричества от угля было признано на 25 % дешевле, а в заявлении правительства Палаты общин 1963 года говорилось, что производство электроэнергии на АЭС более чем в два раза превосходит стоимость угольной генерации. Стоимость плутония, произведенного в реакторе, повышала экономические характеристики АЭС,[13] хотя владельцы электростанций никогда не получали этого дохода[источник не указан 91 день].

После извлечения из реактора отработавшие топливные элементы охлаждались в бассейнах выдержки (за исключением АЭС Уилфа, на который имелся сухой склад в атмосфере углекислого газа). Так как длительное хранение элементов в бассейнах было невозможно из-за постепенного разрушения магноксовых оболочек, переработку топлива нельзя было отложить, что также повышало расходы на эксплуатацию[14].

Безопасность[править | править код]

В своё время реакторы Магнокс считались достаточно безопасными из-за своей простой конструкции, низкой энергонапряжённости и использования газового теплоносителя. Поэтому они не оснащались герметичными оболочками. В то время принцип безопасности заключался в учёте «максимальной проектной аварии», и полагалось, что если станция может противостоять её последствиям, то она выдержит и любую другую аварию меньшего масштаба. Потеря теплоносителя (по крайней мере в объёме, рассматриваемом в проекте) не приведет к значительному повреждению топлива, так как оболочка магнокс при условии быстрого заглушения реактора удержит большую часть радиоактивного материала, а остаточное тепловыделение может отводиться естественной циркуляцией воздуха. Поскольку теплоноситель является газом, взрывное парообразование не является угрозой, подобной той, что привела к катастрофе на Чернобыльской АЭС. Неисправность аварийной защиты реактора или отказ естественной циркуляции не рассматривались в проекте. В 1967 году на АЭС Чапелкросс произошло расплавление топлива из-за ограничения потока газа в одном из каналов, и, хотя это не привело к серьезному инциденту, радиоактивные выбросы оказались выше заложенных в проекте[источник не указан 91 день].

На самых старых станциях с первыми реакторами Магнокс трубопроводы газового контура и парогенераторы располагались за пределами реакторного здания. Это приводило к выходу гамма и нейтронного излучения[15]. Максимальная доза излучения, полученная населением близ АЭС Дандженесс в 2002 году составила 0,56 мЗв, более половины от дозы установленной МКРЗ для облучения населения[16]. Дозы от АЭС Олдбери и АЭС Уилфа реакторные установки которых целиком заключены в железобетонных зданиях оказались существенно ниже.

Построенные реакторы[править | править код]

Сайзвел Магнокс атомная станция

Всего в Соединенном Королевстве было построено 11 электростанций, объединивших 26 энергоблоков. Кроме того, один блок был экспортирован на АЭС Токай в Японии[17], а другой — на АЭС Латина в Италии. Конструкция реакторов Калдер Холл была рассекречена в конце 1950х годов и находилась в открытом доступе для членов МАГАТЭ, Северная Корея стала членом МАГАТЭ в 1974, получив тем самым схемы реактора, на которых разработала свои собственные реакторы.[18]

Первая электростанция с реактором Магнокс — АЭС Колдер-Холл, была первой в мире атомной электростанцией для выработки электроэнергии в промышленном масштабе (электростанция в Обнинске, гораздо меньшей мощности была подключена к сети 1 декабря 1954 года). Первая синхронизация с сетью состоялась 27 августа 1956 года, и АЭС была официально открыта королевой Елизаветой II 17 октября 1956 года[19]. Эксплуатация реактора продолжалась почти 47 лет до его закрытия 31 марта 2003 года[20].

30 декабря 2015 года Управление вывода АЭС из эксплуатации (NDA) объявило, что энергоблок № 1 АЭС Уилфа — последний действующий в мире реактор Магнокс — был остановлен. Энергоблок работал на пять лет дольше, чем первоначально планировалось. Оба блока АЭС Уилфа планировалось закрыть ещё в конце 2012 года, но NDA решила продолжить эксплуатацию блока № 1 некоторое время, чтобы полностью использовать существующие запасы топлива, которое больше не производится.

Небольшой экспериментальный реактор мощностью 5 МВт, основанный на проекте Магнокс, в Северокорейском Ядерном научно-исследовательском центре в Йонбёне, продолжает функционировать с 2016 года.

Определение Магнокс[править | править код]

Сплав магнокс[править | править код]

Слово «магнокс» также является названием сплава — главным образом магния с небольшим количеством алюминия и других металлов, из которого выполнена оболочка металлического уранового топлива. Преимущество этого материала заключается в низком сечении захвата нейтронов, но имеется и два основных недостатка:

  • сплав ограничивает максимальную температуру в реакторе и, следовательно, тепловой КПД установки;
  • сплав реагирует с водой, ограничивая хранение отработавшего топлива в бассейнах.

Топливные элементы магнокс имеют оребрение для обеспечения максимальной теплопередачи, что делает их производство дорогостоящим. Хотя использование металлического урана, а не оксида, сделало переработку топлива более простой и, следовательно, более дешёвой, малое время хранения перед переработкой несло определённые риски. Для минимизации этой опасности требовались сложные системы обращения с топливом.

Реакторы Магнокс[править | править код]

Термин магнокс также может применяться к:

  • Три северокорейских реактора, все они основаны на рассекреченных чертежах реакторов АЭС Колдер-Холл:
    • Небольшой экспериментальный реактор мощностью 5 МВт в Йонбене, эксплуатировавшийся с 1986 по 1994 год, возобновил работу в 2003 году. Плутоний из отработанного топлива этого реактора использовался в северокорейской программе ядерного оружия.
    • Реактор мощностью 50 МВт, также в Йонбене, строительство которого началось в 1985 году, но никогда не было завершено в соответствии с принятой в 1994 году Рамочной конвенцией США и Северной Кореи.
    • Реактор мощностью 200 МВт в Тэчхоне, строительство которого также прекратилось в 1994 году.

Снятие с эксплуатации[править | править код]

Чапелкросс до того как охлаждающие башни были снесены в 2007.

Орган по снятию с эксплуатации (NDA) отвечает за снятие с эксплуатации электростанций Магнокс Великобритании с установленным бюджетом в 12,6 млрд фунтов стерлингов. В настоящее время обсуждается вопрос о том, следует ли принять стратегию снятия с эксплуатации на 25 или 100 лет. Через 80 лет радиоактивные материалы распадутся до той степени, что позволит человеку выполнять работы по демонтажу реактора. Для более короткой стратегии снятия с эксплуатации потребуется полностью роботизированная техника[21][22].

Магнокс реакторы Великобритании[править | править код]

Название Энергоблоки Мощность,
МВт (Брутто)
Начало
строительства
Пуск Закрытие
Беркли 1 166 1957 1962 1989
2 166 1957 1962 1988
Брадуэлл 1 146 1957 1962 2002
2 166 1957 1962 2002
Дандженесс A1 230 1960 1965 2006
A2 230 1960 1965 2006
Колдер-Холл 1 60 1953 1956 2003
2 60 1953 1957 2003
3 60 1955 1958 2003
4 60 1955 1959 2003
Олдбери 1 230 1962 1967 2012
2 230 1962 1968 2011
Сайзвел A1 245 1961 1966 2006
A2 245 1961 1966 2006
Траусвинит 1 235 1959 1965 1991
2 235 1959 1965 1991
Уилфа 1 530 1963 1971 2015
2 540 1963 1971 2012
Хантерстон А A1 173 1957 1964 1990
A2 173 1957 1964 1989
Хинкли-Пойнт A1 267 1957 1965 2000
A2 267 1957 1965 2000
Чапелкросс 1 60 1955 1959 2004
2 60 1955 1959 2004
3 60 1955 1959 2004
4 60 1955 1960 2004

Экспортированные Магнос реакторы[править | править код]

Название Локация Энергоблоки Мощность,
МВт
Пуск Закрытие
Латина Италия 1 160 1963 1987
Токай Япония 1 166 1966 1998

См. также[править | править код]

Список АЭС Великобритании

Примечания[править | править код]

  1. Nuclear Development in the United Kingdom (англ.). World Nuclear Association (October 2016). Проверено 17 июня 2018.
  2. First look at damaged Windscale pile (англ.). World Nuclear News (21 August 2008). Проверено 21 июня 2018.
  3. Windscale Pile problems (англ.). World Information Service on Energy (27 June 2000). Проверено 21 июня 2018.
  4. Leatherdale, Duncan. Windscale Piles: Cockcroft's Follies avoided nuclear disaster (англ.), BBC News (4 November 2014). Проверено 21 июня 2018.
  5. Атомные катастрофы: радиоактивная осень, ИноСМИ.Ru (14 октября 2017). Проверено 14 октября 2017.
  6. Robert Hawley. Nuclear Power in the UK - Past, Present & Future (англ.). World Nuclear Association (2006). Архивировано 14 декабря 2008 года.
  7. Report by HM Nuclear Installations Inspectorate on the results of Magnox Long Term Safety Reviews (LTSRs) and Periodic Safety Reviews (PSRs) (англ.) (pdf). The Health and Safety Executive of Great Britain P.27 (September 2000). Проверено 21 марта 2010.
  8. The Magnox Story (англ.) (pdf). Nuclear Decommissioning Authority (July 2008). Проверено 21 марта 2010. Архивировано 27 сентября 2011 года.
  9. Description of the Magnox Type of Gas Cooled Reactor (MAGNOX). www.iaea.org.
  10. (5 October 1956) «Calder Hall Power Station» (The Engineer). Проверено 25 October 2013.
  11. 1 2 Ten Years of Nuclear Power, UKAEA, 1966, <https://web.archive.org/web/20131029192618/http://www.iaea.org/Publications/Magazines/Bulletin/Bull063/06304701725.pdf>. Проверено 25 октября 2013. 
  12. Nuclear Energy Encyclopedia: Science, Technology, and Applications. — Wiley, 2011. — P. 28. — ISBN 978-1-118-04347-9.
  13. Atomic Energy (Civil Use). Hansard. UK Parliament (1 November 1955). Проверено 23 октября 2013.
  14. Radioactive Waste Management Advisory Committee (November 2000), RWMAC's Advice to Ministers on the Radioactive Waste Implications of Reprocessing, Annex 4: Dry storage and disposal of Magnox spent fuel, Department for Environment, Food and Rural Affairs, <https://web.archive.org/web/20060819040238/http://www.defra.gov.uk/rwmac/reports/reprocess/16.htm> 
  15. Fairlie, Ian (July 1993). «Magnox gamma shine». Проверено 18 June 2018.
  16. Director, Environment Health Safety and Quality. Discharges and Monitoring of the Environment in the UK - Annual Report 2002 7–8,87–88,119–121. BNFL. Архивировано 16 ноября 2004 года.
  17. Tsutomu Nakajima, Kazukiyo Okano and Atsushi Murakami (1965). «Manufacture of Pressure Vessel for Nuclear Power Reactor». Fuji Electric Review (Fuji Electric Co) 11. Проверено 17 April 2014.
  18. Юрий Юдин. Технические аспекты ядерной программы КНДР.
  19. «Calder Hall Celebrates 40 Years of Operation - Press Release» (BNFL). Проверено 22 February 2004.
  20. Brown, Paul. First nuclear power plant to close, The Guardian (21 March 2003). Проверено 12 мая 2010.
  21. http://www.sitestakeholdergroups.org.uk/oldbury/upload/oldbury_and_berkeley_joint_meeting_minutes_01_nov_06.pdf#page=7
  22. Magnox graphite core decommissioning and disposal issues. iaea.org.