Жаңа Газды Салқындатқыш Реактор: Ұлыбритания Тәжірибесі

Кіріспе

Ядролық реактордың түрі Advanced Gas cooled Reactor (AGR) – Ұлыбританияда жобаланған және пайдаланылатын ядролық реактордың түрі. Бұл британдық газды салқындататын реакторлардың екінші буыны, олар нейтрондық тежегіш ретінде графит және салқындатқыш ретінде көмірқышқыл газын пайдаланады. Олар 1980 жылдан бері Ұлыбританияның ядролық энергия өндіру паркінің негізгі бөлігі болып табылады. AGR Ұлыбританияның бірінші буын реакторы – Magnox реакторының негізінде жасалған. Алғашқы Magnox конструкциясы плутоний өндіруге бағытталғандықтан, электр энергиясын өндіру үшін тиімді емес ерекшеліктерге ие болды. Олардың арасында ең маңыздысы – табиғи уранды пайдалану қажеттігі, бұл өз кезегінде нейтронның аз қимасы бар салқындатқышты (осы жағдайда көмірқышқыл газы) және тиімді нейтрон тежегішті (графит) талап етті. Magnox конструкциясы басқа энергия өндіретін конструкциялармен салыстырғанда салыстырмалы түрде төмен газ температурасында жұмыс істеді, бұл будың тиімділігін төмендетті. AGR конструкциясы Magnox-тың графит тежегішін және көмірқышқыл газы салқындатқышын сақтап, бу жағдайын жақсарту үшін салқындату газының жұмыс температурасын арттырды. Бұл мүмкіндік, оларды көмірмен жұмыс істейтін электр станцияларының көрсеткіштерімен бірдей етіп, турбиналар мен энергия өндіру жабдықтарының бірдей дизайнын пайдалануға мүмкіндік берді. Алғашқы жобалау кезеңінде отын қаптамасын бериллийден тот баспайтын болатқа ауыстыру қажет болды. Дегенмен, болаттың нейтрон қимасы жоғары болғандықтан, бұл өзгеріс байытылған уран отынын пайдалануды талап етті. Бұл өзгеріс отынның бір тоннасына 18 000 МВт·тәулік күйдіруге мүмкіндік берді, соның салдарынан отынды сирек ауыстыруға болады. AGR прототипі 1962 жылы Windscale-де іске қосылды, бірақ алғашқы коммерциялық AGR 1976 жылға дейін пайдалануға берілмеді. 1976 мен 1988 жылдар аралығында алты нысанда барлығы он төрт AGR реакторы салынды. Олардың барлығы бір ғимаратта орналасқан екі реактордан тұрады, әр реактордың жылудық қуаты 1500 МВт, ал турбина-генератор жиынтығы 660 МВт қуатты береді. Әртүрлі AGR станциялары 555 МВт-тан 670 МВт-қа дейінгі қуатты өндіреді, бірақ кейбір станциялар операциялық шектеулерге байланысты жобалық қуаттан төмен жұмыс істейді.

Type of nuclear reactor

The Advanced Gas cooled Reactor (AGR) is a type of nuclear reactor designed and operated in the United Kingdom. These are the second generation of British gas cooled reactors, using graphite as the neutron moderator and carbon dioxide as coolant. They have been the backbone of the UK's nuclear power generation fleet since the 1980s. The AGR was developed from the Magnox reactor, the UK's first generation reactor design. The first Magnox design had been optimised for generating plutonium, and for this reason it had features that were not the most economic for power generation. Primary among these was the requirement to run on natural uranium, which required a coolant with a low neutron cross section, in this case carbon dioxide, and an efficient neutron moderator, graphite. The Magnox design also ran relatively cool gas temperatures compared to other power producing designs, which resulted in less efficient steam conditions. The AGR design retained the Magnox's graphite moderator and carbon dioxide coolant but increased the cooling gas operating temperature to improve steam conditions. These were made identical to those of a coal fired plant, allowing the same design of turbines and generation equipment to be used. During the initial design stages it was found necessary to switch the fuel cladding from beryllium to stainless steel. However, steel has a higher neutron cross section and this change required the use of enriched uranium fuel to compensate. This change resulted in a higher burnup of 18,000 MWt days per tonne of fuel, enabling less frequent refuelling. The prototype AGR became operational at Windscale in 1962, but the first commercial AGR did not come on line until 1976. A total of fourteen AGR reactors at six sites were built between 1976 and 1988. All of these are configured with two reactors in a single building, and each reactor has a design thermal power output of 1,500 MWt driving a 660 MWe turbine alternator set. The various AGR stations produce outputs in the range 555 MWe to 670 MWe though some run at lower than design output due to operational restrictions.

АГР-ны жобалау

AGR қазандықтың тоқтату клапанындағы соңғы бу жағдайы дәстүрлі көмірмен жұмыс істейтін электр станцияларының жағдайына сәйкес етіп жобаланған, осылайша турбогенератор қондырғысының бірдей конструкциясын пайдалану мүмкін болды. Реакторлық ядродан шығатын ыстық салқындатқыштың орташа температурасы жоғары температураны алу үшін, бірақ графит ядросының қызмет ету мерзімін сақтау үшін (графит жоғары температурада CO2-мен әрекеттеседі), 278°C төмен қазандық шығыс температурасында салқындатқыштың қайта ағыны графитті салқындату үшін пайдаланылады, бұл графит ядросының температурасы Магнокс станциясындағы температурадан тым көп емес екенін қамтамасыз етеді. Супержылытқыш шығыс температурасы мен қысымы 2485 фунт/квадрат дюйм (170 бар) және 543°C болуы үшін жобаланған. Отын – 2,5-3,5% дейін байытылған уран диоксиді гранулалары, тот баспайтын болаттан жасалған түтіктерде орналасқан. AGR-дің бастапқы жобалау тұжырымы бериллий негізіндегі қаптаманы пайдалану болды. Бұл сынықтардың пайда болуына байланысты қолайсыз болып табылғаннан кейін, отынның байыту деңгейі арттырылды, бұл тот баспайтын болат қаптамасының нейтрондарды ұстап алу жоғалтуын өтеуге мүмкіндік берді. Бұл AGR-де өндірілетін электр қуатының құнын айтарлықтай арттырды. Көмірқышқыл газы салқындатқышы ядро арқылы айналып, шамамен 40 бар (580 фунт/квадрат дюйм) қысымға жетеді, содан кейін ядродан тыс қазандық (бу генераторы) құралымдары арқылы өтеді, бірақ әлі де болатпен қапталған, темір бетонды қысым ыдысының ішінде орналасқан. Бақылау таяқшалары графит модераторына еніп, екінші жүйеде егер бақылау таяқшалары ядроға енбесе, термиялық нейтрондарды сіңіру үшін салқындатқышқа азот енгізіледі. Реактордың қысымын төмендету қажет болған жағдайда, жеткіліксіз бақылау таяқшалары төмендетілген жағдайда, реакторға борон шаригін енгізу арқылы жұмыс істейтін үшіншілік тоқтату жүйесі қарастырылған. Бұл азот қысымын сақтау мүмкін болмайды дегенді білдіреді. AGR жоғары жылу тиімділігіне (электр энергиясы мен жылудың арақатынасы) 41% дейін ие болуы үшін жобаланған, бұл 34% жылу тиімділігі бар қазіргі заманғы қысымды су реакторынан (PWR) жақсы. Бұл PWR-ге қарағанда газдық салқындатумен практикалық түрде қол жеткізілетін салқындатқыш шығыс температурасының жоғары болуына байланысты. Дегенмен, бірдей қуат шығысы үшін реакторлық ядро үлкен болуы керек, ал 2-түрлі отын үшін тоннасына 27 000 МВт·сағ күн және берік отын үшін тоннасына 34 000 МВт·сағ күн отынның тозу мерзімі PWR-дің тоннасына 40 000 МВт·сағ күннен төмен, сондықтан отын тиімдірек пайдаланылмайды, бұл жылу тиімділігінің артықшылығына қарсы келеді. Магнокс, КАНДУ және РБМК реакторлары сияқты, ал жеңіл су реакторларынан өзгеше, AGR отынды тоқтатусыз қайта зарядтау үшін жобаланған (онлайн отынды қайта зарядтау қараңыз). Жүктеме астында отынды қайта зарядтау AGR-ді басқа реактор түрлерінен таңдаудың экономикалық негіздемесінің маңызды бөлігі болды және 1965 жылы Орталық Электрмен Жабдықтау Кеңесіне (CEGB) және үкіметке AGR ең жақсы көмірмен жұмыс істейтін электр станцияларынан арзан электр энергиясын өндіретінін мәлімдеуге мүмкіндік берді. Алайда, толық қуатта жүктеме астында отынды қайта зарядтау кезінде отын құрамының дірілдеуіне байланысты проблемалар туындады, сондықтан 1988 жылы толық қуатта отынды қайта зарядтау 1990 жылдардың ортасына дейін тоқтатылды, одан кейін жүргізілген қосымша сынақтар реакторлық ядрода отын таяғының тұрып қалуына әкелді. Қазіргі уақытта AGR-да тек жартылай жүктемеде немесе тоқтатылған кезде ғана отынды қайта зарядтау жүзеге асырылады. Алдын ала керілген бетонды қысым ыдысы реакторлық ядроны және қазандықтарды қамтиды. Ыдысқа ену санын барынша азайту үшін (сондай-ақ бұзу орындарының санын азайту үшін) қазандықтар бір реттік конструкцияға ие, онда барлық қайнату және қыздыру қазандық түтікшелерінде жүзеге асырылады. Бұл үшін буландырғышта тұздардың жиналуын және одан кейінгі коррозия проблемаларын азайту үшін өте таза суды пайдалану қажет. AGR американдық жеңіл су реакторының британдық баламасы болуы тиіс еді. Ол операциялық (бірақ экономикалық емес) сәтті Магнокс жобасының дамуы ретінде жарнамаланды және гелиймен салқындатылатын өте жоғары температуралы реактор, бу өндіретін ауыр су реакторы және жылдам көбею реакторы сияқты көптеген бәсекелес британдық баламалар арасынан таңдалды, сондай-ақ американдық қысымды және қайнаған су реакторлары (PWR және BWR) және канадтық КАНДУ жобалары. CEGB бәсекелес жобалардың егжей-тегжейлі экономикалық бағалауын жүргізді және Данженесс B үшін ұсынылған AGR бәсекелес жобалардың кез келгенінен де арзан және ең жақсы көмірмен жұмыс істейтін станциялардан арзан электр энергиясын өндіретініне қорытынды жасады.

The AGR was designed such that the final steam conditions at the boiler stop valve were identical to that of conventional coal fired power stations, thus the same design of turbo generator plant could be used. The mean temperature of the hot coolant leaving the reactor core was designed to be In order to obtain these high temperatures, yet ensure useful graphite core life (graphite reacts with CO2 at high temperature) a re entrant flow of coolant at the lower boiler outlet temperature of 278 °C is utilised to cool the graphite, ensuring that the graphite core temperatures do not vary too much from those seen in a Magnox station. The superheater outlet temperature and pressure were designed to be 2,485 psi (170 bar) and 543 °C. The fuel is uranium dioxide pellets, enriched to 2.5 3.5%, in stainless steel tubes. The original design concept of the AGR was to use a beryllium based cladding. When this proved unsuitable due to brittle fracture, the enrichment level of the fuel was raised to allow for the higher neutron capture losses of stainless steel cladding. This significantly increased the cost of the power produced by an AGR. The carbon dioxide coolant circulates through the core, reaching and a pressure of around 40 bar (580 psi), and then passes through boiler (steam generator) assemblies outside the core but still within the steel lined, reinforced concrete pressure vessel. Control rods penetrate the graphite moderator and a secondary system involves injecting nitrogen into the coolant to absorb thermal neutrons to stop the fission process if the control rods fail to enter the core. A tertiary shutdown system which operates by injecting boron beads into the reactor is included in case the reactor has to be depressurized with insufficient control rods lowered. This would mean that nitrogen pressure cannot be maintained. The AGR was designed to have a high thermal efficiency (electricity generated/heat generated ratio) of about 41%, which is better than a modern pressurized water reactor (PWR) with a typical thermal efficiency of 34%. This is due to the higher coolant outlet temperature of about practical with gas cooling, compared to about for PWRs. However the reactor core has to be larger for the same power output, and the fuel burnup of 27,000 MW(th) days per tonne for type 2 fuel and up to 34,000 MW(th) days per tonne for robust fuel at discharge is lower than the 40,000 MW(th) days per ton of PWRs so the fuel is used less efficiently, countering the thermal efficiency advantage. Like the Magnox, CANDU and RBMK reactors, and in contrast to light water reactors, AGRs are designed to be refuelled without being shut down first (see Online refuelling). This on load refuelling was an important part of the economic case for choosing the AGR over other reactor types, and in 1965 allowed the Central Electricity Generating Board (CEGB) and the government to claim that the AGR would produce electricity cheaper than the best coal fired power stations. However, fuel assembly vibration problems arose during on load refuelling at full power, so in 1988 full power refuelling was suspended until the mid 1990s, when further trials led to a fuel rod becoming stuck in a reactor core. Only refuelling at part load or when shut down is now undertaken at AGRs. The pre stressed concrete pressure vessel contains the reactor core and the boilers. To minimise the number of penetrations into the vessel (and thus reduce the number of possible breach sites) the boilers are of the once through design where all boiling and superheating is carried out within the boiler tubes. This necessitates the use of ultra pure water to minimise the buildup of salts in the evaporator and subsequent corrosion problems. The AGR was intended to be a superior British alternative to American light water reactor designs. It was promoted as a development of the operationally (if not economically) successful Magnox design, and was chosen from a multitude of competing British alternatives the helium cooled Very high temperature reactor, the Steam Generating Heavy Water Reactor and the Fast Breeder Reactor as well as the American light water pressurised and boiling water reactors (PWR and BWR) and Canadian CANDU designs. The CEGB conducted a detailed economic appraisal of the competing designs and concluded that the AGR proposed for Dungeness B would generate the cheapest electricity, cheaper than any of the rival designs and the best coal fired stations.

Тарих

AGR жобасына зор үміттер артылған болатын. Дунгенесс B, Хинкли Пойнт B, Хантерстон B, Хартлпул және Хейшам бес қос реакторлық станциясын салудың амбициялық бағдарламасы жылдам іске қосылды, сондай-ақ экспорттық тапсырыстарды асыға күткен. Саяси себептерге байланысты CEGB-ге «бірінші буын» тапсырыстарын үш түрлі «жобалау және салу» консорциумы мен әртүрлі ірі субподрядшылар арасында бөлуге нұсқау берілді. Салдарынан, алғашқы үш CEGB станциясы бірдей конструкциялық тұжырымдамаға және бірдей отын штығының дизайнына ие болғанымен, егжей-тегжейлі дизайны мүлдем өзгеше болды. Бұл үш консорциумның шектеулі сарапшы кадрлар үшін бәсекелесуіне, әр жобаның бірегей (және өте күрделі) қауіпсіздік негіздемесін жасауына және бағдарламаның өмірлік циклі бойына үш (кейін төрт) түрлі AGR реакторлық конструкцияларын қолдау қажеттілігіне әкелді. AGR станцияларын салу күрделі және қиын болып шықты. Сол кездегі нашар еңбек қатынастары да проблемаларды күшейтті. 1965 жылы 1970 жылы аяқталуы жоспарланған жетекші станция – Дунгенесс B-ге тапсырыс берілді. Реактордың барлық аспектілерінде туындаған мәселелерден кейін ол 1983 жылы электр энергиясын өндіруді бастады, яғни 13 жыл кешікті. Бұрынғы Қаржы министрлігінің экономикалық кеңесшісі Дэвид Хендерсон AGR бағдарламасын Ұлыбритания үкіметінің қаржыландырған екі ең қымбат қате жобасының бірі деп сипаттады, екіншісі – «Конкорд». 1980 жылдары үкімет электр энергиясын өндіру саласын жекешелендіруді бастағанда, потенциалды инвесторларға жасалған шығындар талдауы көп жылдар бойы нақты операциялық шығындар жасырын сақталғанын көрсетті. Әсіресе, істен шығару шығындары айтарлықтай төмен бағаланды. Осы белгісіздіктер сол кездегі жекешелендіруден ядролық энергияны алып тастауға себеп болды. 2018 жылы ONR-дің Дунгенесс B-де жүргізген тексерулері сейсмикалық шектеулердің, құбырлардың және сақтау ыдыстарының «қабылданбайтын деңгейде тозуға ұшырағанын» көрсетті, және реактор жұмыс істеген кезде олардың осындай күйде болғандығы анықталды. ONR бұл оқиғаны Халықаралық ядролық оқиғалар шкаласы бойынша 2-ші деңгейге жатқызды.

There were great hopes for the AGR design. An ambitious construction programme of five twin reactor stations, Dungeness B, Hinkley Point B, Hunterston B, Hartlepool and Heysham was quickly rolled out, and export orders were eagerly anticipated. For political reasons the CEGB was instructed to spread the 'first generation' orders between three different 'design & build' consortia and a variety of major subcontractors. In consequence the first three CEGB stations, whilst sharing the same design concept and the same fuel pin design, were completely different in detail design. This also resulted in the three consortia having to compete for the same limited number of expert staff, the need for each design to have a unique (and very complex) safety case, and the need to support for the life of the programme three (later four) different AGR reactor designs. The AGR stations proved to be complex and difficult to construct. Notoriously bad labour relations at the time added to the problems. The lead station, Dungeness B, was ordered in 1965 with a target completion date of 1970. After problems with nearly every aspect of the reactor design it finally began generating electricity in 1983, 13 years late. Former Treasury Economic Advisor, David Henderson, described the AGR programme as one of the two most costly British government sponsored project errors, the other being Concorde. When the government started on privatising the electricity generation industry in the 1980s, a cost analysis for potential investors revealed that true operating costs had been obscured for many years. Decommissioning costs especially had been significantly underestimated. These uncertainties caused nuclear power to be omitted from the privatisation at that time. In 2018 inspections ordered by the ONR at Dungeness B showed that seismic restraints, pipework and storage vessels were "corroded to an unacceptable condition", and that would have been the state when the reactor was operating. The ONR classified this as a level 2 incident on the International Nuclear Event Scale.