Суперкритикалық қысымдағы ядролық реактор концепциясы

Кіріспе

Суперкритикалық қысымда жұмыс істейтін ядролық реактор тұжырымдамасы

Суперкритикалық су реакторы (SCWR) – бұл IV буын реактор, жеңіл су реакторы (LWR) ретінде жобаланған, ол суперкритикалық қысымда жұмыс істейді (яғни, одан жоғары). Бұл контексте "критикалық" термині судың критикалық нүктесін білдіреді және оны ядролық реактордың сындылығы тұжырымдамасымен шатастыруға болмайды. Реакторлық өзегінде қыздырылған су, қайнаудың нақты фазалық өтуінен өтпей, сұйық суға ұқсас күйден қаныққан буға ұқсас күйге (бу турбинасында пайдалануға болады) өтеді, бұл температурасынан жоғары суперкритикалық сұйықтыққа айналады. Ал, жақсы қалыптасқан қысымды су реакторларында (PWR) реакторлық өзектен екіншілік салқындату контурына жылуды тасымалдайтын сұйық судың біріншілік салқындату контуры болады, онда турбиналарды іске қосуға арналған бу қазандықта (бу генераторы деп аталады) өндіріледі. Қайнатылған су реакторлары (BWR) реакторлық өзегінде буды жасау үшін қайнау процесімен тіпті төмен қысымда жұмыс істейді. Суперкритикалық бу генераторы – бұрыннан дәлелденген технология. SCWR жүйелерін дамыту жоғары жылу тиімділігі (~45% қазіргі LWR-лер үшін ~33%-ға қарсы) және қарапайым конструкциясының арқасында ядролық электр станциялары үшін үміттендіретін жетістік болып саналады. 2012 жылғы мәліметтер бойынша, бұл тұжырымдаманы 13 елдегі 32 ұйым зерттеді.

Тарих

Супер қыздырылған бумен салқындатылатын, сындық қысымда жұмыс істейтін реакторлар 1950-1960 жылдары Кеңес Одағында да, АҚШ-та да тәжірибеленді, мысалы, Белоярск атом электр станциясы, Pathfinder және GE-нің Operation Sunrise бағдарламасының Bonus жобасы. Бұл SCWR емес. SCWR 1990 жылдардан бастап әзірленді. Реакторлық қысым ыдысы бар LWR типті SCWR және қысым түтікшелі CANDU типті SCWR әзірленуде. 2010 жылы жарық көрген кітапта ядролық жобалау, станция жүйесі, станция динамикасы және басқару, станцияны іске қосу және тұрақтылығы, қауіпсіздік, жылдам реактор жобалау және т.б. сияқты тұжырымдамалық жобалау және талдау әдістері қарастырылған. 2013 жылғы құжатта 2015 жылы отынмен жабдықталған прототиптік контур сынағы аяқталды. Отынның қанағаттану сынағы 2014 жылы аяқталды. 2014 жылы жарық көрген кітапта термиялық спектрлі реактордың (Super LWR) және жылдам реактордың (Super FR) реакторлық тұжырымдамалық жобасы және термиялық гидравлика, материалдар мен материалдық салқындатқыштардың өзара әрекеттесуінің тәжірибелік нәтижелері келтірілген.

Модератор-суытушы

SCWR суперкритикалық қысымда жұмыс істейді. Реактордың шығыс суытқышы – суперкритикалық су. Жеңіл су нейтрондық баяулатушы және суытқыш ретінде қолданылады. Критиктік нүктеден жоғары, бу мен сұйықтық бірдей тығыздыққа ие болып, ажыратылмайды, бұл қысымдаушылар мен бу генераторларын (PWR) немесе реактивтік/қайта айналымдық сорғыларды, бу бөлгіштерді және кептіргіштерді (BWR) қажет етпейді. Сонымен қатар, қайнаудан аулақ болғандықтан, SCWR тығыздығы төмен және баяулату әсері азайған, хаотикалық қуыстарды (көпіршіктерді) жасамайды. Бұл LWR-де жылу алмасуға және су ағынына әсер етуі мүмкін, ал кері байланыс реактордың қуатын болжау мен басқаруды қиындатады. Қуат таралуын болжау үшін нейтрондық және термогидравликалық біріктірілген есептеулер қажет. SCWR конструкциясын жеңілдету құрылыс шығындарын азайтуға және сенімділік пен қауіпсіздікті арттыруға мүмкіндік береді. LWR типіндегі SCWR жылу оқшаулағышы бар су таяқшаларын пайдаланады, ал CANDU типіндегі SCWR су баяулатушысын Calandria резервуарында сақтайды. LWR типіндегі SCWR-дың жылдам реакторлық ядросы жоғары конверсиялы LWR ретінде тығыз отын таяқшаларының торларын пайдаланады. Жылдам нейтрондық спектрлі SCWR жоғары қуат тығыздығының артықшылықтарына ие, бірақ ол қайта өңдеуден кейін қол жетімді болатын плутоний және уранның қоспалы оксидтерінен тұратын отынды қажет етеді.

Бақылау

SCWR-лерде, PWR-лердегідей, басқару таяқшалары жоғарынан енгізілуі мүмкін.

Кемшіліктер

Судың төменгі мөлшері (жинақы бірінші контурға байланысты) өтпелі құбылыстар мен апаттарды жұптауға арналған жылу сыйымдылығының азаюын білдіреді (мысалы, қоректендіру су ағынының жоғалуы немесе салқындатқыш апаттың үлкен бұзылуы), нәтижесінде апаттық және өтпелі температуралар дәстүрлі металл қаптама үшін тым жоғары. Дегенмен, ол тот баспайтын болаттан жасалған қаптама үшін тым жоғары емес. LWR типіндегі SCWR қауіпсіздігін талдау көрсетті, апаттар мен қалыптан тыс өтпелі құбылыстар кезінде, соның ішінде толық ағын жоғалуы және салқындатқыш сұйығының жоғалуы кезінде қауіпсіздік критерийлері сақталған. Салқындатқыш өзектің соңында тығыздығын күрт төмендетеді, сондықтан онда қосымша модератор орналастыру қажет. Алайда, LWR типіндегі SCWR конструкциясы отын жинақтарындағы су таяқтарын BWR сияқты пайдаланады. Су таяқшаларындағы салқындатқыш тығыздығы толық оқшауланбаған, бірақ жұмсақ жылу оқшаулау арқылы жоғары деңгейде сақталады. CANDU типіндегі SCWR конструкцияларының көпшілігі ішкі каландраны қолданады, онда қоректендіру су ағынының бір бөлігі өзектен өтетін жоғарғы түтіктер арқылы бағытталады, бұл аймақта қосымша модерацияны (қоректендіру суын) қамтамасыз етеді. Бұл ыдыстың бүкіл қабырғасын қоректендіру суымен салқындату мүмкіндігін береді, бірақ күрделі және материалдық талаптарға (жоғары температура, температура айырмашылығы, жоғары сәулелену) ие ішкі каландра мен пленумдық құрылымдарға әкеледі. Қысымды түтік конструкциясы модератордың көп бөлігі каландрада төмен температурада және қысымда болатындай етеді, бұл салқындатқыш тығыздығының модерацияға тигізетін әсерін азайтады, ал қысымды түтік каландра суымен салқындатылуы мүмкін. SCWR-де салқындатқыш тығыздығының өзгеруі BWR-ге қарағанда кішірек. Жылдам SCWR-ға теріс бос коэффициенті болуы үшін салыстырмалы түрде күрделі реакторлық өзегі қажет. Дегенмен, салқындатқыш ағыны бір реттік өзектік схемасы мүмкін. SCWR және LWR-ді инновациялық динамика тұрғысынан салыстыру мағынасыз. Егер кішкентай модулді реактор (SMR) бәсекеге қабілетті болса, SCWR-дің SMR нұсқасы оның артықшылықтарын арттырады. Химиялық тежеуіштің мінез-құлқы күрт өзгеруі мүмкін, себебі суперкритикалық судың ерітінді қасиеттері сұйық судан өте өзгеше. Қазіргі уақытта көптеген қысымды су реакторлары реактивтілікті басқару үшін бор қышқылын қолданады. Алайда, химиялық тежеуішті SCWR және BWR-де қолдануға болмайды, себебі салқындатқыш бос кеңістігінің оң коэффициенті бар. SCWR BWR сияқты екінші тоқтату ретінде боратталған суды пайдаланады. Конструкцияға байланысты онлайн отын толықтыру мүмкін емес болуы мүмкін. CANDU онлайн отын толықтыруға қабілетті болса, басқа сумен модерацияланған реакторлар ондай мүмкіндікке ие емес. Алайда, АҚШ-тағы LWR-дің пайдалану коэффициенті жоғары, 90%-дан астам. Қысымды ыдыс типіндегі SCWR онлайн отын толықтыруды қажет етпейді.

Lower water inventory (due to compact primary loop) means less heat capacity to buffer transients and accidents (e. g., loss of feedwater flow or large break loss of coolant accident) resulting in accident and transient temperatures that are too high for conventional metallic cladding. However, it is not too high for stainless steel cladding. Safety analysis of LWR type SCWR showed that safety criteria are met with margins at accidents and abnormal transients including total loss of flow and loss of coolant accident. The coolant greatly reduces its density at the end of the core, resulting in a need to place extra moderator there. However, a LWR type SCWR design adopts water rods in the fuel assemblies as BWRs. The coolant density in water rods is kept high with thin thermal insulation, not fully insulated. Most designs of CANDU type SCWR use an internal calandria where part of the feedwater flow is guided through top tubes through the core, that provide the added moderation (feedwater) in that region. This has the added advantage of being able to cool the entire vessel wall with feedwater, but results in a complex and materially demanding (high temperature, high temperature differences, high radiation) internal calandria and plena arrangement. A pressure tube design has the characteristics as most of the moderator is in the calandria at low temperature and pressure, reducing the coolant density effect on moderation, and the actual pressure tube can be kept cool by the calandria water. The coolant density change is smaller in SCWRs than BWRs. A fast SCWR needs a relatively complex reactor core to have a negative void coefficient. However, single coolant flow pass core is feasible. Comparing SCWRs and LWRs is not relevant in terms of innovation dynamics. If Small modular reactor (SMR) is competitive, a SMR version of SCWRs will increase its advantage. The chemical shim might behave drastically different as the solution properties of supercritical water are vastly different from those of liquid water. Currently most pressurized water reactors employ boric acid to control reactivity early in burnup. However, chemical shim cannot be used in SCWRs as well as BWRs, due to the positive coolant void coefficient. SCWRs use borated water as the secondary shut down similar to BWRs. Depending on design online refuelling may be impossible. While CANDUs are capable of online refuelling, other water moderated reactors are not. However, the Capacity factor of LWRs is already high in USA, over 90%. Pressure vessel type SCWRs do not require online refuelling.