Кіріспе

Ядролық реактордың түрі

Магнокс – табиғи уранмен жұмыс істеуге арналған ядролық электр/өндірістік реактордың түрі, графит модератор ретінде және көмірқышқыл газы жылу алмасу салқындатқышы ретінде қолданылады. Ол газбен салқындатылатын реакторлардың кең класына жатады. Атауы реактор ішіндегі отын таяқшаларын қаптауға қолданылатын магний-алюминий қорытпасынан (магний тотықтанбайтын қорытпа деп аталады) шыққан. Басқа "I буын" ядролық реакторлары сияқты, Магнокс электр қуаты мен плутоний-239 өндірудің қос мақсатымен жобаланды, бұл Британиядағы ядролық қарулар бағдарламасы үшін қажетті еді. Атау нақтылы түрде Ұлыбританиялық жобалама қатысты, бірақ кейде кез келген ұқсас реакторды атау үшін де қолданылады. Басқа плутоний өндіретін реакторлардағыдай, нейтрондарды сақтау жобаның маңызды бөлігі болып табылады. Магнокс реакторында нейтрондар графиттің ірі блоктарында баяулайды. Графиттің модератор ретінде тиімділігі Магнокс-қа табиғи уран отынын пайдалануға мүмкіндік береді, бұл кең таралған коммерциялық жеңіл су реакторларынан өзгеше, оларға сәл байытылған уран қажет. Графит ауада оңай тотығатындықтан, ядроны CO2 газымен салқындатады, ол жылу алмастырғышқа жіберіліп, буды жасау арқылы электр энергиясын өндіруге арналған дәстүрлі бу турбиналарын қозғалтады. Ядроның бір жағы ашық, сондықтан реактор жұмыс істеп тұрғанда отын элементтерін қосуға немесе алып тастауға болады. Магнокс жобасының "екі мақсатты" мүмкіндігі Ұлыбританияның B205 қайта өңдеу орнатылымының көмегімен отындық/реакторлық кластағы плутонийдің үлкен қорын жинауына әкелді. Реактор дизайнының төмен немесе аралық жану деңгейі, 1960 жылдардағы АҚШ пен Ұлыбританияның "Реакторлық кластағы" плутонийді сынақтан өткізуінен кейін АҚШ-тың нормативтік жіктемелерінде өзгерістерге себеп болды. Электр энергиясын өндіру басты мақсатқа айналған соң, жобалаудың жақсаруына қарамастан, Магнокс реакторлары қысымды су реакторларының жоғары тиімділігімен және отынның жоғары "жануымен" бәсекелесе алмады. Барлығы осы типтегі реакторлардың ондаған ғана бірлігі салынды, олардың көпшілігі 1950-1970 жылдар аралығында Ұлыбританияда салынды, ал басқа елдерге өте аз экспортталды. Алғашқы Магнокс реакторы 1956 жылы Кальдер Холл (Селлафилдте) іске қосылды, ол әлемдегі алғашқы коммерциялық ядролық электр станциясы деп есептеледі, ал Ұлыбританиядағы соңғысы 2015 жылы Уилфадағы (Англси) 1-ші реактор болды. 2016 жылғы мәліметтер бойынша, Солтүстік Корея Юнбён ядролық ғылыми зерттеу орталығында Магнокс стиліндегі реакторларды пайдалануды жалғастырып келе жатқан жалғыз оператор болып табылады. Магнокс дизайны Advanced Gas cooled Reactor (жақсартылған газды салқындатылатын реактор) дизайнымен алмастырылды, ол ұқсас салқындатылады, бірақ экономикалық көрсеткіштерін жақсарту үшін өзгерістер енгізілді.

Желдің шамасы

Ұлыбританияның алғашқы толық көлемді ядролық реакторы Селлафилдтегі Виндскейл Пайл болды. Бұл үйінді табиғи уран отынында көп апталық реакциялар арқылы өндірілген плутоний-239 жасауға арналған. Қалыпты жағдайда, табиғи уран өз нейтрондарына жеткілікті сезімтал болмайды, сондықтан тізбекті реакцияны ұстап тұру мүмкін емес. Отынның нейтрондарға сезімталдығын арттыру үшін нейтрондық баяулатушы қолданылады, бұл жағдайда жоғары тазартылған графит. Реакторлар осы материалдан жасалған үлкен текшеден ("үйінді") тұрады, ол көптеген кіші блоктардан құралған және көптеген отын арналарын жасау үшін көлденең бұрғыланған. Уран отыны алюминий цилиндрлерге салынып, алдыңғы каналға түсірілді, бұл бұрынғы отын цилиндрлерін канал арқылы реактордың арт жағына итеріп, суға түсіретін. Жүйе төмен температурада және қуат деңгейінде жұмыс істеуге есептелген және үлкен желдеткіштердің көмегімен ауамен салқындатылды.

Магнокс

Ұлыбританияның ядролық мекемелері ядролық энергияға назар аударған кезде, қару-жарақтарды дамыту үшін плутонийге деген қажеттілік өте күшті болды. Бұл, негізгі Windscale дизайнын плутоний өндіретін және электр энергиясын құратын нұсқаға бейімдеуге әкелді. Экономикалық тиімді болу үшін, станция әлдеқайда жоғары қуат деңгейінде жұмыс істеуі керек еді, ал қуатты электр энергиясына тиімді түрлендіру үшін жоғары температурада жұмыс істеуі қажет болды. Мұндай қуат деңгейлерінде өрт қаупі күшейеді және ауамен салқындату тиімсіз болады. Magnox дизайнында бұл көмірқышқыл газын (CO2) салқындатқыш ретінде пайдалануға әкелді. Реактор жұмыс істеп тұрғанда жеке каналдар арқылы газ ағынын реттеу мүмкін болмады, бірақ газ ағыны диаграммаға орналастырылған тіреу тірегіне бекітілген ағын шектегіштері арқылы реттелді. Бұл шектегіштер өзектің ортасындағы ағынды арттыру және шетіндегі ағынды азайту үшін қолданылды. Реакция жылдамдығын бақылауды негізгі түрде бірнеше борон болаттан жасалған бақылау таяқшалары қамтамасыз етті (Chapelcross және Calder Hall станцияларында 48 дана), оларды қажет болған жағдайда тік каналдарда көтеруге және түсіруге болады. Жоғары температурада алюминийдің құрылымдық беріктігі төмендейді, бұл Magnox қорытпасынан жасалған отын қаптамасын жасауға себеп болды. Алайда, Magnox температураның жоғарылауымен реакцияға түсуге бейім, сондықтан бұл материалды пайдалану газдың температурасын тиімді бу өндіру үшін қажетті деңгейден әлдеқайда төменге шектеді. Бұл шектеу реакторлардың белгілі бір қуат деңгейін өндіру үшін өте үлкен болуын талап етті, ал газды салқындату үшін пайдалану бұл мәселені одан әрі күшейтті, себебі сұйықтықтың төмен жылу сыйымдылығы өте жоғары ағын жылдамдықтарын қажет етті. Magnox отын элементтері тазартылған ураннан тұрды, ол кеңістігі бар Magnox қабығына орналастырылып, содан кейін гелиймен қысымға берілді. Қабықтың сыртқы беті әдетте CO2-мен жылу алмасуды жақсарту үшін қабырғалы болды. Magnox қорытпасы сумен реакцияға түседі, сондықтан оны реактордан шығарғаннан кейін салқындату тоғайында ұзақ уақытқа қалдыруға болмайды. Windscale дизайнынан айырмашылығы, Magnox дизайны тік отын каналдарын пайдаланды. Бұл отын қабықтарын бірімен бірі тікелей жалғастыруды немесе бірін екіншісінің үстіне орналастыруды талап етті, осылайша оларды каналдардан жоғарыдан шығаруға болады. Windscale дизайны сияқты, кейінгі Magnox реакторлары отын каналдарына қол жеткізуге мүмкіндік берді және жұмыс істеп тұрған кезде отынды ауыстыруға болатын. Бұл дизайнның маңызды шарты болды, өйткені табиғи уранды пайдалану төмен күйдіру коэффициенттеріне және жиі отын ауыстыру қажеттілігіне әкеледі. Электр энергиясын өндіру үшін отын контейнерлері реакторда мүмкіндігінше ұзақ уақыт қалдырылды, ал плутоний өндіру үшін олар ертерек алынды. Күрделі отын ауыстыру жабдығы реактор жүйелеріне қарағанда сенімсіз болып шықты және жалпы алғанда тиімді болған жоқ. Реактордың барлық жиынтығы үлкен қысым ыдысына орналастырылды. Қорамның үлкендігіне байланысты, тек реактор өзегі ғана болаттан жасалған қысым ыдысының ішінде орналастырылды, содан кейін бетонды қорғау құрылысымен (немесе "биологиялық қалқанмен") қоршалды. Негізгі бөлмеде су болмағандықтан және будың жарылуының қаупі болмағандықтан, құрылыс қысым ыдысын тығыз орауға мүмкіндік берді, бұл құрылыс шығындарын азайтуға көмектесті. Қорғау құрылысының көлемін азайту үшін, алғашқы Magnox дизайны CO2 газы үшін жылу алмастырғышты күмбезден тысқары орналастырды және оны құбырлар арқылы қосты. Бұл тәсілдің артықшылықтары болғанымен, техникалық қызмет көрсету және оған қол жеткізу әдетте оңай болды, бірақ басты кемшілігі қорғалмаған жоғарғы каналдан шығатын сәулелену болды. Magnox дизайны эволюциялық болды және толыққанды аяқталған жоқ, ал кейінгі бірліктер бұрынғылардан айтарлықтай ерекшеленеді. Нейтрон ағынының жоғарылауымен қуат тығыздықтарын арттыруға тырысқанда, әсіресе төмен температурада нейтронмен әсер етудің салдарынан материалдың нашарлауына байланысты мәселелер туындады. Кейінгі Oldbury және Wylfa станциялары болаттан жасалған қысым ыдыстарын алдын ала керілген бетонды конструкциялармен алмастырды, олар жылу алмастырғыштар мен бу станцияларын да қамтиды. Болаттан жасалған ыдыстар үшін жұмыс қысымы 6,9-19,35 бар, ал екі бетонды конструкция үшін 24,8 және 27 бар аралығында. Сол кездегі британдық құрылыс компаниясы барлық электр станцияларын салуға жеткілікті үлкен емес еді, сондықтан әртүрлі бәсекелес консорциумдар қатысты, бұл станциялар арасындағы айырмашылықтарға әкелді; мысалы, дерлік әр станцияда Magnox отын элементтерінің әртүрлі дизайны қолданылды. Көптеген Magnox құрылыстары уақыттан тыс және құнның өсуімен аяқталды.

Экономика

Кальдер Холлдағы алғашқы Магнокс реакторлары негізінен ядролық қару үшін плутоний өндіруге арналған. 1957 жылы британ үкіметі электр энергиясын ядролық энергиямен өндіруді ынталандыру туралы шешім қабылдады және 1965 жылға дейін Ұлыбританияның электр энергиясын өндіру қажеттілігінің төрттен бір бөлігіне жету үшін 5000-нан 6000 МВт-қа дейінгі қуаты бар құрылыс бағдарламасын іске асыруды жоспарлады. Сэр Джон Коккрофт үкіметке ядролық энергияны көмірден өндірілгенге қарағанда қымбатқа шығатынын ескерткенімен, үкімет ядролық электр станцияларының көмірмен жұмыс істейтін электр станцияларына балама ретінде көміршілердің кәсіби одақтарының ықпалын азайтуға көмектесетінін шешті және осы бағытта алға жылжуға бекітті. 1960 жылы үкіметтік ақ парақ құрылыс бағдарламасын 3000 МВт-қа дейін қысқартты, бірақ электр станцияларының операторларына бұл қаражат ешқашан төленбеді. Реактордан алынғаннан кейін пайдаланылған отын элементтері салқындату тоғандарында сақталады (Wylfa станциясынан басқа, ол көмірқышқыл газы атмосферасында құрғақ сақтау алаптарына ие), онда бөлінетін жылу тоған суына беріледі, содан кейін тоған суының айналымы, салқындату және сүзгілеу жүйесі арқылы судан шығарылады. Отын элементтерін суда тек шектеулі уақыт сақтауға болады, себебі Магнокс қаптамасы нашарлайды, сондықтан оларды қайта өңдеу қажет, бұл Магнокс бағдарламасының құнына қосымша шығыс әкеледі. Кейінгі сараптамалар ең экономикалық жобаға стандарттаудың орнына, әр жобаны жеке-жеке дамытуды және тек екі экспорттық тапсырыс алған реакторды дамытуды жалғастыруды сынға алды. Капиталға 5% төмен дисконттық ставка қолданылып, шығындарды ретроспективті бағалау нәтижесінде, Магнокс электр энергиясының құны көмірлік электр станцияларынан шамамен 50%-ға жоғары болғандығы анықталды.

Қауіпсіздік

Магнокс реакторлары сол кезде қарапайым конструкциясы, төмен қуат тығыздығы және газ тәрізді салқындатқыш болғандықтан, жоғары дәрежеде қауіпсіздікке ие деп есептелді. Осы себепті оларға екінші деңгейдегі қорғау шаралары қарастырылмады. Сол кездегі қауіпсіздік жобалау принципі – «нақты мүмкін болатын ең ауыр апат» болып табылды, және станция осыған төтеп беруге жобаланған болса, басқа, кішірек бірақ ұқсас жағдайлар да қамтылатын болады деп есептелді. Салқындатқыштың жоғалуы (кемінде жобада ескерілгендері) отынның іріктеліп зақымдануына әкелмейтін еді, себебі Магнокс қаптамасы радиоактивті материалдың көп бөлігін ұстап тұрар еді, егер реактор жылдам тоқтатылса (SCRAM), өйткені ыдыраудан туындаған жылу ауаның табиғи айналымы арқылы алынып тасталатын еді. Салқындатқыш газ болғандықтан, қайнау кезіндегі жарылғыш қысымның күшеюі қауіпті болмайтын, Чернобыль апатында болған будың жарылуы сияқты жағдайларға жол берілмес еді. Реакторды жылдам тоқтату жүйесінің істен шығуы немесе табиғи айналымның тоқтауы жобада ескерілмеген. 1967 жылы Чапелкросс станциясында жеке каналда газ ағыны шектелгені салдарынан отынның балқыуы орын алды. Бұл оқиға станция экипажымен ірі зардапсыз шешілді, бірақ бұл жағдай жобаланбаған және жоспарланбаған еді, сондай-ақ станция жобаланған кезде күтілгеннен артық радиоактивтілік бөлінді. Олардың қауіпсіздік жобалауына сенімді болғанына қарамастан, Магнокс станцияларын тығыз қоныстанған аймақтарда салудан бас тартуға шешім қабылданды. Орындылық шектеуі бойынша, кез келген 10 градустық секторда 1,5 миль (2 км) радиуста 500-ден аз, 5 миль (8 км) радиуста 10 000-нан аз және 10 миль (16 км) радиуста 100 000-нан аз адам тұруы керек еді. Сонымен қатар, барлық бағыттағы халық саны 10 градустық шектерден алты есе аз болуы тиіс еді. Жоспарлау рұқсаты шектеулері 5 миль радиустағы халықтың үлкен өсуіне жол бермеу үшін қолданылатын еді. Ескі темір қысым ыдыс конструкциясында қазандықтар мен газ құбырлары бетон биологиялық қалқаннан тыс орналасқан. Осының салдарынан, бұл конструкция реакторлардан тікелей «шағылысу» деп аталатын гамма және нейтрон сәулеленуінің айтарлықтай мөлшерін шығарады. Мысалы, 2002 жылы Дунгенесс Магнокс реакторының жанында тұратын халықтың ең көп сәулеленуге ұшыраған мүшелері 0,56 мСв алды, бұл Халықаралық радиологиялық қорғау комиссиясы ұсынған халық үшін максималды сәулелену дозасының жартысынан астам мөлшерін құрады, тікелей «шағылысудан» ғана. Оллдбери және Уилфа реакторларындағы дозалар, олар газ контурын толығымен қамтитын бетон қысым ыдыстарына ие, әлдеқайда төмен.

Құрылған реакторлар

Жалпы алғанда, 11 электр станциясы, барлығы 26 блок, жобасы бастау алған Ұлыбританияда салынды. Бұған қоса, біреуі Жапониядағы Токайға, екіншісі Италиядағы Латинаға экспортталды. 2003 жылдың 31 наурызында станция жабылғанда, бірінші реактор шамамен 47 жыл бойы қолданылып келді. Алғашқы екі станция (Кальдер Холл және Чапелкросс) бастапқыда UKAEA-ға тиесілі болды және қызмет етудің алғашқы кезеңінде жылына екі отын партиясымен қару сапасындағы плутоний өндіруге негізгі арналды. 1964 жылдан бастап олар көбінесе коммерциялық отын айналымында пайдаланылды және 1995 жылдың сәуірінде Ұлыбритания үкіметі қару жасау мақсатында плутоний өндірісі тоқтатылғанын мәлімдеді. Кейінірек салынған және ірі блоктер CEGB-ге тиесілі болды және коммерциялық отын айналымында жұмыс істеді. Дегенмен, Хинкли Пойнт А және тағы екі станция қажет болған жағдайда әскери мақсаттар үшін қару сапасындағы плутоний алуға мүмкіндік беретіндей етіп өзгертілді.

Тотығуды азайту үшін дерациялау

Жұмыс істеудің алғашқы кезеңінде жоғары температурадағы көмірқышқыл газымен салқындату нәтижесінде жұмсақ болаттан жасалған компоненттердің айқын тотығуы анықталды, бұл жұмыс температурасын және қуатын төмендетуді қажет етті. Мысалы, 1969 жылы Латина реакторының қуаты 24%-ға төмендетілді, 210 МВт-тан 160 МВт-қа дейін, жұмыс температурасын төмендету арқылы.

Соңғы жұмыс істеп тұрған Магнокс реакторы

Ядролық декоммиссиялау органы (NDA) 2015 жылдың 30 желтоқсанында Wylfa Unit 1 – әлемдегі соңғы жұмыс істеп тұрған Magnox реакторының тоқтатылғанын жариялады. Бұл блок бастапқы жоспардан бес жылға артық электр энергиясын өндірді. Wylfa-дағы екі блок 2012 жылдың соңында жабылуға жоспарланған, бірақ NDA 2012 жылдың сәуірінде 2-ші блокты жабуға шешім қабылдады, соның арқасында 1-ші блок өндірілімі тоқтатылған отын қорларын толыққанды пайдалану үшін жұмысын жалғастыра алды. 2016 жылдың мәліметтері бойынша, Солтүстік Кореядағы Йонгбёнде орналасқан, Magnox үлгісіне негізделген шағын 5 МВт қуаттылығы бар эксперименталды реактор жұмыс істеуін жалғастыруда.