Реактор на быстрых нейтронах

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Реактор БН-350 в Актау
Опреснители на основе БН-350

Реактор на быстрых нейтронахядерный реактор, использующий для поддержания ядерной реакции в активной зоне реактора внешние нейтроны с энергией > 105 эВ. В качестве основного топлива используется 238U.

Принцип действия[править | править вики-текст]

В активную зону и отражатель реактора на быстрых нейтронах входят в основном тяжёлые материалы. Замедляющие ядра вводят в активную зону в составе ядерного топлива (карбид урана UC, двуокись плутония PuO2 и пр.) и теплоносителя. Концентрацию замедлителя в активной зоне стремятся уменьшить до минимума, так как лёгкие ядра смягчают энергетический спектр нейтронов. Прежде чем поглотиться, нейтроны деления успевают замедлиться в результате неупругих столкновений с тяжёлыми ядрами лишь до энергий 0,1—0,4 МэВ.

Сечение деления в быстрой области энергий не превышает 2 барн. Поэтому для осуществления цепной реакции на быстрых нейтронах необходима высокая концентрация делящегося вещества в активной зоне — в десятки раз больше концентрации делящегося вещества в активной зоне реактора на тепловых нейтронах. Несмотря на это, проектирование и строительство дорогостоящих реакторов на быстрых нейтронах экономически выгодно, так как на каждый захват нейтрона в активной зоне такого реактора испускается в 1,5 раза больше нейтронов деления, чем в активной зоне реактора на тепловых нейтронах. Следовательно, для переработки ядерного сырья в реакторе на быстрых нейтронах можно использовать значительно бо́льшую долю нейтронов. Это главная причина, из-за которой проводят широкие исследования в области применения реакторов на быстрых нейтронах.

Отражатель реакторов на быстрых нейтронах изготавливают из тяжёлых материалов: 238U, 232Th. Они возвращают в активную зону быстрые нейтроны с энергиями выше 0,1 МэВ. Более холодные нейтроны, захваченные ядрами 238U, 232Th, расходуются на получение делящихся ядер 239Pu и 233U.

Мощность реактора регулируется сборками с подвижным поглощающим элементом — ПЭЛами со стержнями из природного урана или тория. В небольших реакторах на быстрых нейтронах более эффективен как регулятор подвижный отражатель: ходом цепной реакции управляют, изменяя утечку нейтронов. Если слой отражателя удалять из реактора, то утечка нейтронов увеличивается, вследствие чего тормозится развитие цепного процесса, и наоборот. Наиболее эффективны подвижные слои отражателя на границе с активной зоной.

Выбор конструкционных материалов для реакторов на быстрых нейтронах практически не ограничивается сечением поглощения, так как эти сечения в области быстрых энергий у всех веществ очень малы по сравнению с сечением деления. По этой же причине захват нейтронов продуктами деления мало влияет на загрузку ядерного топлива в реактор.

Научно-исследовательские реакторы на быстрых нейтронах[править | править вики-текст]

Научно-исследовательские реакторы на быстрых нейтронах
Реактор Страна Место Запуск Остановка Тепловая
мощность
МВт
Электрич.
мощность
МВт
Тепло-
носитель
БР-2 СССР / Россия Обнинск, ФЭИ 1956 1957 0,1 Ртуть
БР-5 СССР / Россия Обнинск, ФЭИ 25.07.1958 2002 5 Натрий
ИБР СССР / Россия Дубна, ОИЯИ 1960 Натрий
ИБР-2 СССР / Россия Дубна, ОИЯИ 1981 действует Натрий
БОР-60 СССР / Россия Димитровград, НИИАР 1968 действует 60 12 Натрий
Clementine США Лос-Аламос, ЛАНЛ 1946 1952 0,025 Ртуть
EBR-1 США Айдахо, INL 1951 1964 1,4 0,2 Натрий/Калий
EBR-2 США Айдахо, INL 1964 1994 62 19 Натрий
FFTF США Хэнфордский комплекс 1982 1993 400 Натрий
DFR Великобритания Центр Дунрей 14.11.1959 01.03.1977 65 11 Натрий
Rapsodie Франция Буш-дю-Рон, Кадараш 1967 15.04.1983 40 Натрий
Jōyō Япония АЭС Дзёё 1977 2007 150 Натрий
FBTR Индия Калпаккам, IGCAR 1985 действует 40 13 Натрий
CEFR Китай Пекин, CIAE 2010 действует 65 20 Натрий

Промышленные реакторы на быстрых нейтронах[править | править вики-текст]

В коммерческих проектах реакторов на быстрых нейтронах, как правило, используются конструктивные схемы с жидкометаллическим теплоносителем. Обычно это или жидкий натрий, или эвтектический сплав (точнее жидкая смесь) свинца с висмутом. В качестве теплоносителей рассматривались и расплавы солей (фториды урана), однако их применение было признано бесперспективным.

Экспериментальные реакторы на быстрых нейтронах появились в 1950-е годы. В 1960—80-е годы работы по созданию промышленных реакторов на быстрых нейтронах активно велись в США, СССР и ряде европейских стран.

2009 год стал последним в долгой карьере французского быстрого натриевого реактора «Феникс» (Phénix). Теперь в мире осталась единственная страна с действующими быстрыми энергетическими реакторами — это Россия и реакторы БН-600 в 3-м энергоблоке Белоярской АЭС[1][2] и БН-800 в 4-м энергоблоке Белоярской АЭС. Интерес к этому направлению проявляют азиатские страны (Индия, Япония, Китай, Южная Корея). В Индии ведётся строительство демонстрационного быстрого натриевого реактора PFBR-500 мощностью 500 МВт (эл.), пуск которого намечен на 2014 год[3]. На следующем этапе Индия планирует построить малую серию из четырёх быстрых реакторов той же мощности.

8 мая 2010 года в Японии, после четырнадцатилетнего перерыва в работе, вызванного пожаром в 1995 году, когда произошла утечка 640 килограммов металлического натрия, впервые вывели в критическое состояние реактор «Мондзю». Пуско-наладочные работы для ввода его в эксплуатацию, частью которых являлись серии экспериментальных выводов реактора на минимально-контролируемый уровень, планировалось завершить в 2013 году. Однако в августе 2010 года при работах по перегрузке топлива в корпус реактора сорвался узел системы перегрузки топлива — 12-метровая металлическая труба весом 3,3 тонны, которая утонула в натрии. Почти сразу было объявлено, что продолжение наладочных работ, а соответственно и пуск, откладывается на 1—1,5 года[4][5][6][7][8]. 27 июня 2011 года утонувшая деталь была извлечена из реактора Мондзю. Для извлечения детали специалистам пришлось разобрать верхнюю часть реактора. Сам подъем трехтонной конструкции на поверхность занял восемь часов[9]. Дальнейшие перспективы Мондзю туманны: неизвестно, будет ли он запущен вообще когда-либо, или проект закроют, во всяком случае в текущем финансовом году, который заканчивается 31 марта 2013, денег на запуск Мондзю не выделено[10].

10 декабря 2015 года в России был запущен энергоблок №4 Белоярской АЭС с реактором на быстрых нейтронах БН-800[11].

С ртутным теплоносителем[править | править вики-текст]

Ртуть первоначально казалась перспективным теплоносителем. Это тяжелый металл, поэтому плохо замедляет нейтроны. Спектр такого реактора очень быстрый, и коэффициент воспроизводства велик. Ртуть — жидкость при комнатной температуре, что упрощает конструкцию (не нужен подогрев жидкометаллического контура для пуска), кроме того, планировалось направлять пары ртути непосредственно в турбину, что гарантировало очень высокий КПД при относительно низкой температуре. Для отработки ртутного теплоносителя был построен реактор БР-2 тепловой мощностью 100 кВт. Однако реактор проработал меньше года. Главным недостатком ртути являлась её высокая коррозийная активность. За пять месяцев ртуть буквально растворила первый контур реактора, постоянно возникали течи. Другими недостатками ртути являются: токсичность, дороговизна, большие энергозатраты на перекачку. В результате ртуть была признана экономически невыгодным теплоносителем. Уникальной особенностью БР-2 стал также выбор топлива — металлический плутоний (сплав σ-фазного плутония с галлием). Уран использовался только в зоне воспроизводства.[12][13]

Промышленные реакторы на быстрых нейтронах
Реактор Страна АЭС Запуск Эксплуатация Тепловая
мощность МВт
Электрич.
мощность МВт
Тепло-
носитель
Особенности
с до
БН-350 СССР /
Казахстан
Мангистауский АЭК 1973 16.07.1973 1999 1000 150 Натрий Дополнительно 100 МВт для отопления и 100 МВт для опреснения
БН-600 СССР / Россия Белоярская АЭС 26.02.1980 8.04.1980 действует 1470 600 Натрий
БН-800 Россия Белоярская АЭС 06.2014 10.12.2015 действует 2100 880 Натрий
Феникс Франция Маркуль 1973 14.07.1974 2009 563 250 Натрий С 2003 года электр. мощность была снижена до 140 МВт
Суперфеникс Франция Крес-Мепьё 1985 1986 1998 3000 1200 Натрий
Мондзю Япония АЭС Монджу 1994 29.08.1995 22.09.2016 714 280 Натрий Реактор в течение 20 лет проработал в общей сложности около одного года[14]
PFR Великобритания Центр Дунрей 01.03.1974 01.07.1976 31.03.1994 650 234 Натрий
Ферми-1 США АЭС Энрико Ферми 23.08.1963 29.11.1972 200 65 Натрий
KNK-I Германия ТИ Карлсруэ 1971 21.02.1974 1.09.1974 21 Натрий
KNK-II Германия ТИ Карлсруэ 1976 3.03.1979 23.05.1991 21 Натрий В основу лёг советский реактор БОР-60
SNR-300 Германия АЭС Калькар 1500 300 Натрий Реактор так и не был запущен. Общая стоимость проекта — 7 млрд DM.

Проекты реакторов на быстрых нейтронах[править | править вики-текст]

Проекты реакторов на быстрых нейтронах для производства электроэнергии
Реактор Страна АЭС Начало
строительства
Завершение
строительства
Тепловая
мощность, МВт
Электрич.
мощность, МВт
Тепло-
носитель
PFBR Индия АЭС Мадрас 2004 2017 1250 500 Натрий
БН-1200 Россия Белоярская АЭС 2017 2800 1220 Натрий

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. :: Ядерное топливо для реактора БН-600
  2. http://www.rosatom.ru/ru/about/press_centre/event_anons/index.php?id4=17998
  3. Физпуск PFBR-500 пройдёт в сентябре 2014 года. ATOMINFO.RU (28.07.2013). Проверено 15 июня 2014.
  4. Монджу вышел на 0,03% номинала. AtomInfo.Ru (9 мая 2010). Проверено 30 января 2011. Архивировано из первоисточника 25 августа 2011.
  5. Один из узлов системы перегрузки топлива обрушился внутрь корпуса реактора Монджу. AtomInfo.Ru (30 августа 2010). Проверено 30 января 2011. Архивировано из первоисточника 25 августа 2011.
  6. В Японии опубликованы фотографии и схема по инциденту 26 августа на АЭС Монджу. AtomInfo.Ru (11 сентября 2010). Проверено 30 января 2011. Архивировано из первоисточника 25 августа 2011.
  7. Извлечение трубы из корпуса Монджу обычными методами невозможно. AtomInfo.Ru (10 ноября 2010). Проверено 30 января 2011. Архивировано из первоисточника 25 августа 2011.
  8. Японцы проектируют устройство для подъёма сорвавшейся в Монджу трубы. AtomInfo.Ru (8 февраля 2011). Проверено 30 января 2011. Архивировано из первоисточника 25 августа 2011.
  9. Специалисты извлекли трехтонную деталь из реактора Мондзю в Японии, упавшую туда в 2010 г.. AtomInfo.Ru (27.06.2011). Архивировано из первоисточника 25 августа 2011.
  10. Пробный запуск реактора «Мондзю» в Японии не проведут до весны 2013 г | Экономический фактор | Экология
  11. Запущен реактор БН-800 | MINING24.ru. mining24.ru. Проверено 23 декабря 2015.
  12. Лев Кочетков: от ртути до натрия, от БР-1 до БН-600
  13. Юрий Багдасаров: о легендах, ртути и натрии
  14. В Японии окончательно закроют АЭС на быстрых нейтронах. ТЭС и АЭС (10.02.2014). Проверено 24 октября 2016.

Литература[править | править вики-текст]

  • Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. 4-е изд. — М.: Атомиздат, 1979.
  • Петунин В. П. Теплоэнергетика ядерных установок М.: Атомиздат, 1960.

Ссылки[править | править вики-текст]