Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Численное моделирование TWR. Красный: уран-238, светло-зеленый: плутоний-239, черный: продукты деления. Интенсивность синего цвета между плитками указывает на плотность нейтронов.

Реактор с бегущей волной ( TWR ) представляет собой предлагаемый тип реактора ядерного деления , который может преобразовать плодородный материал в полезное топливо через трансмутацию ядер , в тандеме с выгоранием делящегося материала. TWR отличаются от других типов реакторов на быстрых нейтронах и реакторов-размножителей своей способностью эффективно использовать топливо без обогащения или переработки урана , [ сомнительно - обсудить ] вместо прямого использования обедненного урана , природного урана , тория ,отработанное топливо, удаленное из легководных реакторов , или комбинация этих материалов. Концепция все еще находится в стадии разработки, и TWR так и не были построены.

Название относится к тому факту, что деление остается ограниченным в пограничной зоне в активной зоне реактора, которая медленно прогрессирует с течением времени. Теоретически TWR могут работать автономно в течение десятилетий без дозаправки или удаления отработавшего топлива.

История [ править ]

Реакторы бегущей волны были впервые предложены в 1950-х годах и периодически изучались. Концепция реактора, способного воспроизводить собственное топливо внутри активной зоны реактора, была первоначально предложена и изучена в 1958 году Савелием Моисеевичем Файнбергом , который назвал его реактором «размножения и сжигания». [1] Майкл Дрисколл опубликовал дальнейшие исследования этой концепции в 1979 году, [2] как и Лев Феоктистов в 1988 году, [3] Эдвард Теллер / Лоуэлл Вуд в 1995 году, [4] Хьюго ван Дам в 2000 году [5] и Хироши Секимото в 2001. [6]

TWR обсуждался на симпозиумах по инновационным ядерным энергетическим системам (INES) в 2004, 2006 и 2010 годах в Японии, где он назывался "CANDLE" Reactor, что означает постоянную осевую форму нейтронного потока, плотности нуклидов и форму мощности в течение жизни энергии. производство . [7] В 2010 году Попа-Симил обсудил случай микрогетероструктур [8], более подробно описанный в статье «Размножение плутония в микрогетероструктурах улучшает топливный цикл», описывая TWR с глубоким выгоранием, усиленным плутонием [ 9] топливные каналы и множественный поток топлива. В 2012 году было показано, что волны деления [10] представляют собой форму явления бистабильной реакции диффузии. [11]

TWR еще не был построен, но в 2006 году Intellectual Ventures запустила дополнительный проект под названием TerraPower для моделирования и коммерциализации рабочего проекта такого реактора, который позже стал называться «реактором бегущей волны». TerraPower разработала проекты TWR для объектов генерации от низкой до средней (300 МВт), а также большой (~ 1000 МВт) мощности. [12] Билл Гейтс представил TerraPower в своем выступлении на TED в 2010 году . [13]

В 2010 году группа компаний TerraPower подала заявку на патент EP 2324480 A1 в соответствии с WO2010019199A1 "Охлаждение реактора дефлаграционной волной с тепловыми трубками". Заявление было признано отозванным в 2014 году [14].

В сентябре 2015 года TerraPower и Китайская национальная ядерная корпорация (CNNC) подписали меморандум о взаимопонимании для совместной разработки TWR. TerraPower планировала построить демонстрационную установку TWR-P мощностью 600 МВт к 2018–2022 гг., А в конце 2020-х годов - более крупные коммерческие установки мощностью 1150 МВтэ. [15] Однако в январе 2019 года было объявлено, что проект был свернут из-за ограничений на передачу технологий, установленных администрацией Трампа . [16]

Физика реактора [ править ]

В статьях и презентациях по TWR TerraPower [17] [18] [19] описан реактор бассейнового типа, охлаждаемый жидким натрием. Реактор питается в основном «фертильным топливом» с обедненным ураном-238, но для начала деления требуется небольшое количество обогащенного урана-235 или другого «делящегося топлива» . Некоторые из нейтронов быстрого спектра, образующиеся при делении, поглощаются захватом нейтронов в соседнем плодородном топливе (то есть неделящемся обедненном уране), который «размножается» в плутоний в результате ядерной реакции:

Первоначально активная зона загружается воспроизводящим материалом, при этом несколько стержней с делящимся топливом сосредоточены в центральной области. После запуска реактора внутри активной зоны образуются четыре зоны: обедненная зона, которая содержит в основном продукты деления и остатки топлива; зона деления, где происходит деление выращенного топлива; зона размножения, где делящийся материал создается путем захвата нейтронов; и свежая зона, которая содержит непрореагировавший плодородный материал . Зона деления, генерирующая энергию, неуклонно продвигается через активную зону, эффективно потребляя перед ней плодородный материал и оставляя отработавшее топливо позади. Между тем, тепло, выделяющееся при делении, поглощается расплавленным натрием и впоследствии передается в водный контур замкнутого цикла, где электроэнергия вырабатывается паровыми турбинами. [18]

Топливо [ править ]

TWR используют только небольшое количество (~ 10%) обогащенного урана-235 или другого делящегося топлива для «инициирования» ядерной реакции. Остальная часть топлива состоит из природного или обедненного урана-238, который может непрерывно вырабатывать электроэнергию в течение 40 или более лет и в течение этого времени остается герметичным в корпусе реактора. [19] TWR требуют значительно меньше топлива на киловатт-час электроэнергии, чем легководные реакторы.(LWR) из-за более высокого выгорания топлива, плотности энергии и теплового КПД ТВР. TWR также выполняет большую часть своей переработки в активной зоне реактора. Отработавшее топливо можно рециркулировать после простой «очистки из расплава» без химического отделения плутония, которое требуется для других типов реакторов-размножителей. Эти функции значительно сокращают объемы топлива и отходов, одновременно повышая устойчивость к распространению. [18]

Обедненный уран широко доступен в качестве сырья. Запасы в Соединенных Штатах в настоящее время содержат около 700 000 метрических тонн, что является побочным продуктом процесса обогащения . [20] TerraPower подсчитала, что запасы обогатительной фабрики в Падуке представляют собой энергетический ресурс, эквивалентный электроэнергии на сумму 100 триллионов долларов. [19] TerraPower также подсчитала, что широкое развертывание TWR может позволить прогнозируемым глобальным запасам обедненного урана поддерживать 80% населения мира при потреблении энергии на душу населения в США в течение более тысячелетия. [21]

В принципе, TWR способны сжигать отработавшее топливо LWR, которое в настоящее время выбрасывается как радиоактивные отходы. Отработавшее топливо LWR представляет собой в основном низкообогащенный уран (НОУ), и в спектре быстрых нейтронов TWR сечение поглощения нейтронов продуктами деления на несколько порядков меньше, чем в спектре тепловых нейтронов LWR. Хотя такой подход может фактически привести к общему сокращению запасов ядерных отходов, для реализации этой возможности требуются дополнительные технические разработки.

TWR также в принципе способны повторно использовать собственное топливо. В любом данном рабочем цикле только 20–35% топлива переходит в непригодную для использования форму; оставшийся металл представляет собой пригодный для использования делящийся материал. Перерабатываемое и перерабатываемое в новые таблетки-драйверы без химического разделения, это переработанное топливо можно использовать для инициирования деления в последующих циклах работы, тем самым полностью устраняя необходимость в обогащении урана.

Концепция TWR не ограничивается сжиганием урана с плутонием-239 в качестве «инициатора» в цикле 238 U– 239 Pu, но может также сжигать торий с ураном-233 в качестве «инициатора» в цикле 232 Th– 233 U. [22]

Бегущая волна против стоячей волны [ править ]

Волна разрастания горения в конструкции TWR TerraPower движется не от одного конца реактора к другому [23], а постепенно от центра. Более того, когда состав топлива изменяется в результате ядерной трансмутации, топливные стержни постоянно перетасовываются в активной зоне для оптимизации потока нейтронов и использования топлива с течением времени. Таким образом, вместо того, чтобы позволить волне распространяться через топливо, само топливо перемещается через в основном стационарную волну горения. Это противоречит сообщениям многих средств массовой информации [24], в которых популяризируется концепция реактора в виде свечи с зоной горения, которая перемещается вниз по топливной палочке. Путем замены статической конфигурации активной зоны активно управляемой «стоячей волной» или « солитоном».«Однако конструкция TerraPower позволяет избежать проблемы охлаждения движущейся области горения. В этом сценарии реконфигурация топливных стержней выполняется удаленно с помощью роботизированных устройств; защитный сосуд остается закрытым во время процедуры без связанных простоев.

Ссылки [ править ]

  1. ↑ SM Feinberg, "Discussion Comment", Rec. Proc. Сессия B-10, ICPUAE, Организация Объединенных Наций, Женева, Швейцария (1958).
  2. ^ MJ Дрисколл, Б. Atefi, Д. Лэннинг, "Оценка породы / осветление Fast Reactor Concept", MITNE-229 (декабрь 1979).
  3. ^ Л.П. Феоктистов, "Анализ концепции физически безопасного реактора", Препринт IAE-4605/4, (1988).
  4. ^ Э. Теллер, М. Исикава и Л. Вуд, " Полностью автоматизированные ядерные реакторы для длительной эксплуатации" (Часть I) , Proc. симпозиума «Границы в физике» Американского физического общества и Американской ассоциации учителей физики Техасское собрание, Лаббок, Техас, США (1995); Эдвард Теллер, Мюриэль Исикава, Лоуэлл Вуд, Родерик Хайд, Джон Наколлс, « Полностью автоматизированные ядерные реакторы для длительной эксплуатации II: на пути к точечному проектированию высокотемпературной системы центральной электростанции с газовым охлаждением II) », Тр. Int. Конф. Новые системы ядерной энергетики, ICENES'96, Обнинск, Россия (1996) UCRL-JC-122708-RT2.
  5. ^ Х. ван Дам, "Самостабилизирующийся волновой реактор критичности", Proc. Десятой Международной конференции по новым системам ядерной энергии (ICENES 2000) , стр. 188, NRG, Петтен, Нидерланды (2000).
  6. ^ H. Sekimoto, К. Рю и Y. Yoshimura, "СВЕЧА: Новая стратегия выгоранием", ядерная наука и техника , 139, 1-12 (2001).
  7. ^ как было предложено Секимото в 2001 и 2005 годах, опубликовано в Progress in Nuclear Energy
  8. ^ "Усовершенствованный ядерный реактор от фантастики к реальности", автор Попа-Симил, опубликованный в сборнике INES-3
  9. ^ Л. Попа_Симил, Ливиу. "Плутоний фьючерс Плутоний размножение в микрогетероструктурах улучшает топливный цикл" . Плутоний Фьючерсы 2010 .
  10. ^ Л. Попа-Симил. «Усовершенствованный реактор на сингулярных волнах для поверхностной энергетики» .
  11. ^ А. Осборна, GD Recktenwald, MR Deinert, "Распространение уединенной волны деления", Хаос, 22, 0231480 (2012).
  12. ^ К. Уивер, К. Альфельд, Дж. Гиллеланд, К. Уитмер и Г. Циммерман, «Расширение ядерного топливного цикла с помощью реакторов бегущей волны», документ 9294, Proceedings of Global 2009 , Париж, Франция, 6–11 сентября , (2009).
  13. ^ Билл Гейтс . Инновации до нуля! . TED . Проверено 13 июля 2010 .
  14. ^ Тепловая трубка охлаждения реактора дефлаграционной волной деления ядер , извлечена 14 октября 2015 г.
  15. ^ Мировые ядерные новости http://www.world-nuclear-news.org/NN-TerraPower-CNNC-team-up-on-travelling-wave-reactor-25091501.html
  16. ^ Сюэвань, Чен; Елин, Мо; Тан, Джейсон; Цзывэй, Тао (5 января 2019 г.). «Испытание атомной энергетики в Китае„Не Приступить “ » . Caixin .
  17. ^ Р. Михал и Э. М. Блейк, «Джон Гиллеланд: О реакторе бегущей волны», Nuclear News , стр. 30–32, сентябрь (2009).
  18. ↑ a b c Wald, M. (24 февраля 2009 г.). «10 новейших технологий 2009 года: реактор бегущей волны» . MIT Technology Review . Проверено 12 апреля 2018 года .
  19. ^ a b c Гиллеланд, Джон (20 апреля 2009 г.). ООО «ТерраПауэр» Ядерная инициатива . Калифорнийский университет в Беркли, Весенний коллоквиум. Архивировано из оригинального 31 -го июля 2009 года . Проверено 12 апреля 2018 года .
  20. ↑ Министерство энергетики США, « Перечень истощенных запасов UF 6 и места хранения». Архивировано 27августа2009 г. на Wayback Machine . По состоянию на октябрь 2009 г.
  21. ^ Л. Вуд, Т. Эллис, Н. Мирвольд и Р. Петроски, «Изучение нового мира итальянского мореплавателя: к экономическим, полномасштабным, низкоуглеродным, удобным доступным, устойчивым к распространению, возобновляемым источникам энергии», 42-я сессия международных семинаров по чрезвычайным ситуациям на планете в Эриче, Эриче, Италия, 190–24 августа (2009 г.).
  22. ^ Русов, В.Д .; Линник, Е.П .; Тарасов В.А.; Зеленцова Т.Н.; Шарф, IV; Ващенко, ВН; Косенко, С.И.; Бегларян, МЭ; Чернеженко С.А.; Молчиниколов П.А.; Сауленко, С.И.; Бегунова, О.А. (2011). «Реактор бегущей волны и условия существования солитоноподобной волны ядерного горения в размножающих нейтроны средах» . Энергии . 4 (12): 1337. DOI : 10,3390 / en4091337 .
  23. ^ Т. Эллис; Р. Петроски; П. Хейзлар; Г. Циммерман; Д. Макэлис; К. Уитмер; Н. Туран; Дж. Хейзлар; К. Уивер; Дж. Уолтер; Дж. МакВиртер; К. Альфельд; Т. Берк; А. Одедра; Р. Хайд; Дж. Гиллеланд; Ю. Исикава; Л. Вуд; Н. Мирвольд; У. Гейтс III (14 июня 2010 г.). Реакторы бегущей волны: действительно устойчивый и полномасштабный ресурс для удовлетворения глобальных энергетических потребностей (PDF) . Американское ядерное общество, Летнее собрание . Проверено 12 апреля 2018 года .
  24. ^ М. Вальд (2010-06-14). «Разработчик нового реактора выиграл вливание в 35 миллионов долларов» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 15 июня 2010 года .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Арджун Махиджани (сентябрь 2013 г.), « Реакторы с бегущей волной: золото с натриевым охлаждением в конце ядерной радуги? », Институт энергетики и экологических исследований .

Внешние ссылки [ править ]

  • "Реакторы TerraPower приближаются к ядерному идеалу" от Intellectual Ventures Lab.
  • TerraPower: Как работает ядерный реактор на бегущей волне , вкл. 4 диаграммы из IV.
  • Сайт компании Terrapower.com
  • Русов В.Д .; Тарасов В.А.; Шарф, IV; Ващенко ВМ; Линник, Е.П .; Зеленцова Т.Н.; Бегларян, МЭ; Чернегенко С.А.; Косенко, С.И.; Смоляр, ВП (2012). «О некоторых принципиальных особенностях реактора на бегущей волне». Наука и технология ядерных установок . 2015 : 1–23. arXiv : 1207.3695 . Bibcode : 2012arXiv1207.3695R . DOI : 10.1155 / 2015/703069 .