Реактор типа Магнок: конструкция и применение.

Введение

Тип ядерного реактора

Magnox — это тип ядерного энергетического/производственного реактора, разработанный для работы на природном уране с графитом в качестве замедлителя и углекислым газом в качестве теплоносителя. Он относится к более широкому классу газоохлаждаемых реакторов. Название происходит от магниево-алюминиевого сплава (называемого «неокисляющимся магнием»), используемого для оболочки топливных стержней внутри реактора. Как и большинство других «ядерных реакторов первого поколения», Magnox был разработан для двойной цели: производства электроэнергии и плутония-239 для развивающейся программы ядерного оружия в Великобритании. Название относится конкретно к британской конструкции, но иногда используется в обобщенном смысле для обозначения любого аналогичного реактора. Как и в случае с другими реакторами, производящими плутоний, сохранение нейтронов является ключевым элементом конструкции. В реакторах Magnox нейтроны замедляются в больших блоках графита. Эффективность графита как замедлителя позволяет Magnox работать на природном уране, в отличие от более распространенных коммерческих тяжеловодных реакторов, которым требуется слегка обогащенный уран. Графит легко окисляется на воздухе, поэтому активная зона охлаждается CO2, который затем подается в теплообменник для получения пара, приводящего в движение обычное паротurbinное оборудование для производства электроэнергии. Активная зона открыта с одного конца, что позволяет добавлять или удалять топливные элементы во время работы реактора. Возможность «двойного использования» конструкции Magnox привела к тому, что Великобритания накопила большой запас плутония оружейного/«реакторного» качества при помощи перерабатывающего комплекса B205. Низкая до промежуточной степень выгорания топлива в конструкции реактора стала причиной изменений в нормативных классификациях США после испытания взрыва плутония «реакторного класса», проведенного США и Великобританией в 1960-х годах. Несмотря на улучшения конструкции в последующие десятилетия, когда производство электроэнергии стало основной целью эксплуатации, реакторы Magnox так и не смогли конкурировать с более высокой эффективностью и более высокой степенью выгорания топлива реакторов с водой под давлением. Всего было построено несколько десятков реакторов этого типа, большинство из них в Великобритании с 1950-х по 1970-е годы, при этом очень малое количество было экспортировано в другие страны. Первым реактором Magnox, введенным в эксплуатацию, был Кальдер-Холл (на площадке Селлафилд) в 1956 году, который часто считается первой в мире коммерческой атомной электростанцией, а последним реактором, остановленным в Великобритании, был реактор № 1 в Уилфе (на острове Англси) в 2015 году. По состоянию на 2016 год Северная Корея остается единственным оператором, продолжающим использовать реакторы типа Magnox в Научно-исследовательском центре ядерных исследований в Йонбёне. Конструкция Magnox была заменена реактором с усовершенствованным газовым охлаждением, который охлаждается аналогичным образом, но включает изменения для повышения его экономической эффективности.

Magnox is a type of nuclear power / production reactor that was designed to run on natural uranium with graphite as the moderator and carbon dioxide gas as the heat exchange coolant. It belongs to the wider class of gas cooled reactors. The name comes from the magnesium aluminium alloy (called Magnesium non oxidising), used to clad the fuel rods inside the reactor. Like most other "Generation I nuclear reactors", the Magnox was designed with the dual purpose of producing electrical power and plutonium 239 for the nascent nuclear weapons programme in Britain. The name refers specifically to the United Kingdom design but is sometimes used generically to refer to any similar reactor. As with other plutonium producing reactors, conserving neutrons is a key element of the design. In magnox, the neutrons are moderated in large blocks of graphite. The efficiency of graphite as a moderator allows the Magnox to run using natural uranium fuel, in contrast with the more common commercial light water reactor which requires slightly enriched uranium. Graphite oxidizes readily in air, so the core is cooled with CO2, which is then pumped into a heat exchanger to generate steam to drive conventional steam turbine equipment for power production. The core is open on one end, so fuel elements can be added or removed while the reactor is still running. The "dual use" capability of the Magnox design led to the UK building up a large stockpile of fuel grade/"reactor grade" plutonium, with the aid of the B205 reprocessing facility. The low to interim burnup feature of the reactor design would become responsible for changes to US regulatory classifications after the US–UK "Reactor grade" plutonium detonation test of the 1960s. Despite improvements to the design in later decades as electricity generation became the primary operational aim, magnox reactors were never capable of competing with the higher efficiency and higher fuel "burnup" of pressurised water reactors. In total, only a few dozen reactors of this type were constructed, most of them in the UK from the 1950s to the 1970s, with very few exported to other countries. The first magnox reactor to come online was Calder Hall (at the Sellafield site) in 1956, frequently regarded as the world's first commercial nuclear power station, while the last in Britain to shut down was Reactor 1 in Wylfa (on Anglesey) in 2015. as of 2016, North Korea remains the only operator to continue using Magnox style reactors, at the Yongbyon Nuclear Scientific Research Center. The Magnox design was superseded by the Advanced Gas cooled Reactor, which is similarly cooled but includes changes to improve its economic performance.

Ветровые шкалы

Первым полномасштабным ядерным реактором в Великобритании был Windscale Pile в Sellafield. Реактор был спроектирован для производства плутония-239, который получали в ходе многонедельных реакций, происходящих в природном урановом топливе. При нормальных условиях природный уран недостаточно чувствителен к собственным нейтронам для поддержания цепной реакции. Для повышения чувствительности топлива к нейтронам используется нейтронный замедлитель, в данном случае высокоочищенный графит. Реакторы состояли из огромного куба этого материала ("кучи"), собранного из множества более мелких блоков и просверленного горизонтально для создания большого количества топливных каналов. Урановое топливо помещали в алюминиевые контейнеры и проталкивали в каналы спереди, выталкивая предыдущие контейнеры с топливом через канал и из задней части реактора, где они падали в бассейн с водой. Система была рассчитана на работу при низких температурах и мощности и охлаждалась воздухом с помощью больших вентиляторов.

Магнокс

Поскольку ядерные мощности Великобритании начали переключать внимание на производство ядерной энергии, потребность в большем количестве плутония для разработки вооружений оставалась острой. Это привело к усилиям по адаптации базовой конструкции Windscale к версии, производящей энергию, которая также производила бы плутоний. Для экономической целесообразности станция должна была работать на значительно более высоких уровнях мощности, а для эффективного преобразования этой мощности в электроэнергию – при более высоких температурах. При таких уровнях мощности риск возгорания возрастал, и воздушное охлаждение становилось неприемлемым. В конструкции Magnox это привело к использованию углекислого газа (CO2) в качестве теплоносителя. В реакторе не было предусмотрено регулирование расхода газа через отдельные каналы во время работы, однако расход газа регулировался с помощью ограничителей потока, прикрепленных к опорной стойке, входящей в диагональную решетчатую структуру. Эти ограничители использовались для увеличения потока в центре активной зоны и уменьшения его на периферии. Основным управлением скоростью реакции обеспечивалось число (48 на Chapelcross и Calder Hall) контрольных стержней из борной стали, которые могли подниматься и опускаться по мере необходимости в вертикальных каналах. При более высоких температурах алюминий терял прочность, что привело к разработке топливной оболочки из сплава Magnox. К сожалению, реакционная способность Magnox возрастает с увеличением температуры, и использование этого материала ограничивало рабочие температуры газа, что было значительно ниже желательного для эффективного парообразования. Это ограничение также означало, что реакторы должны были быть очень большими для выработки заданной мощности, что усугублялось использованием газа в качестве теплоносителя из-за низкой теплоемкости теплоносителя, требующей очень высоких расходов. Топливные элементы Magnox состояли из очищенного урана, заключенного в неплотно прилегающую оболочку из сплава Magnox, и затем герметизировались гелием. Наружная поверхность оболочки обычно имела оребрение для улучшения теплообмена с CO2. Сплав Magnox реагирует с водой, что исключает его длительное хранение в бассейне охлаждения после извлечения из реактора. В отличие от компоновки Windscale, конструкция Magnox использовала вертикальные топливные каналы. Это требовало, чтобы топливные оболочки соединялись торцами или устанавливались друг на друга, чтобы их можно было извлекать из каналов сверху. Как и в конструкции Windscale, более поздние реакторы Magnox обеспечивали доступ к топливным каналам и могли быть перезагружены во время работы. Это было ключевым критерием проектирования, поскольку использование природного урана приводило к низким коэффициентам выгорания и необходимости частой перезагрузки. Для энергетических целей топливные сборки оставляли в реакторе как можно дольше, а для производства плутония их извлекали раньше. Сложное оборудование для перезагрузки оказалось менее надежным, чем системы реактора, и, возможно, не давало преимуществ в целом. Вся сборка реактора помещалась в большой сосуд под давлением. Из-за размеров активной зоны только сама активная зона помещалась в стальной сосуд под давлением, который затем окружался бетонным защитным сооружением (или "биологической защитой"). Поскольку в активной зоне не было воды и, следовательно, не было возможности парового взрыва, здание могло плотно облегать сосуд под давлением, что способствовало снижению затрат на строительство. Чтобы уменьшить размер защитного сооружения, в ранних конструкциях Magnox теплообменник для газа CO2 размещался за пределами купола и соединялся с реактором трубопроводом. Хотя этот подход имел преимущества в простоте обслуживания и доступа, основным недостатком было излучение, испускаемое, в частности, из незащищенного верхнего канала. Конструкция Magnox была эволюционной и никогда не была полностью завершена, и более поздние установки значительно отличаются от более ранних. С увеличением нейтронных потоков для повышения плотности мощности возникали проблемы с охрупчиванием материалов под воздействием нейтронов, особенно при низких температурах. Более поздние установки на Oldbury и Wylfa заменили стальные сосуды под давлением на предварительно напряженные бетонные конструкции, которые также содержали теплообменники и парогенераторы. Рабочее давление варьируется от 6,9 до 19,35 бар для стальных сосудов и от 24,8 до 27 бар для двух бетонных конструкций. Ни одна британская строительная компания в то время не была достаточно крупной, чтобы построить все электростанции, поэтому в строительстве участвовали различные конкурирующие консорциумы, что усиливало различия между станциями; например, почти на каждой электростанции использовалась своя конструкция топливного элемента Magnox. Большинство строящихся Magnox столкнулись с задержками и ростом затрат.

As the UK nuclear establishment began to turn its attention to nuclear power, the need for more plutonium for weapons development remained acute. This led to an effort to adapt the basic Windscale design to a power producing version that would also produce plutonium. In order to be economically useful the plant would have to run at much higher power levels, and in order to efficiently convert that power to electricity, it would have to run at higher temperatures. At these power levels, the fire risk is amplified and air cooling is no longer appropriate. In the case of the Magnox design, this led to the use of carbon dioxide (CO2) as the coolant. There is no facility in the reactor to adjust the gas flow through the individual channels whilst at power, but gas flow was adjusted by using flow gags attached to the support strut which located into the diagrid. These gags were used to increase flow in the centre of the core and to reduce it at the periphery. Principal control over the reaction rate was provided by a number (48 at Chapelcross and Calder Hall) of boron steel control rods which could be raised and lowered as required in vertical channels. At higher temperatures, aluminium is no longer structurally sound, which led to the development of the magnox alloy fuel cladding. Unfortunately, magnox is increasingly reactive with increasing temperature, and the use of this material limited the operational gas temperatures to , much lower than desirable for efficient steam generation. This limit also meant that the reactors had to be very large in order to generate any given power level, which was further amplified by the use of gas for cooling, as the low thermal capacity of the fluid required very high flow rates. The magnox fuel elements consisted of refined uranium enclosed in a loose fitting magnox shell and then pressurized with helium. The outside of the shell was typically finned in order to improve heat exchange with the CO2. Magnox alloy is reactive with water, which means it cannot be left in a cooling pond after extraction from the reactor for extended periods. In contrast to the Windscale layout, the Magnox design used vertical fuel channels. This required the fuel shells to lock together end to end, or to sit one on top the other to allow them to be pulled out of the channels from the top. Like the Windscale designs, the later Magnox reactors allowed access to the fuel channels and could be refuelled while operating. This was a key criterion for the design because its use of natural uranium leads to low burnup ratios and the requirement for frequent refuelling. For power use, the fuel canisters were left in the reactor as long as possible, while for plutonium production they were removed earlier. The complicated refuelling equipment proved to be less reliable than the reactor systems, and perhaps not advantageous overall. The entire reactor assembly was placed in a large pressure vessel. Due to the size of the pile, only the reactor core itself was placed within the steel pressure assembly, which was then surrounded by a concrete confinement building (or "biological shield"). As there was no water in the core, and thus no possibility of a steam explosion, the building was able to tightly wrap the pressure vessel, which helped reduce construction costs. In order to keep the size of the confinement building down, the early Magnox designs placed the heat exchanger for the CO2 gas outside the dome, connected through piping. Although there were strengths with this approach in that maintenance and access was generally more straightforward, the major weakness was the radiation 'shine' emitted particularly from the unshielded top duct. The Magnox design was an evolution and never truly finalised, and later units differ considerably from earlier ones. As neutron fluxes increased in order to improve power densities problems with neutron embrittlement were encountered, particularly at low temperatures. Later units at Oldbury and Wylfa replaced the steel pressure vessels with prestressed concrete versions which also contained the heat exchangers and steam plant. Working pressure varies from 6.9 to 19.35bar for the steel vessels, and 24.8 and 27bar for the two concrete designs. No British construction company at the time was large enough to build all the power stations, so various competing consortiums were involved, adding to the differences between the stations; for example, nearly every power station used a different design of Magnox fuel element. Most of the Magnox builds suffered time overruns and cost escalation.

Экономика

Первые реакторы Магнокс на Кальдер-Холле были разработаны главным образом для производства плутония для ядерного оружия. В 1957 году британское правительство решило стимулировать производство электроэнергии ядерной энергией и инициировало программу строительства, чтобы к 1965 году достичь мощности 5000–6000 МВт, что составляло четверть потребностей Великобритании в электроэнергии. Хотя сэр Джон Коккрофт рекомендовал правительству, что электроэнергия, вырабатываемая ядерной энергией, будет дороже, чем от угля, правительство решило, что атомные электростанции как альтернатива угольным будут полезны для снижения переговорной силы профсоюзов шахтеров, и поэтому дало согласие на продолжение программы. В 1960 году правительственная «белая книга» сократила программу строительства до 3000 МВт, однако операторам электростанций эта субсидия так и не была выплачена. После извлечения из реактора, отработавшее ядерное топливо хранится в бассейнах выдержки (за исключением Wylfa, где имеются сухие хранилища в атмосфере углекислого газа), где тепло, выделяемое при распаде, передается воде в бассейне, а затем отводится системой циркуляции, охлаждения и фильтрации воды. Тот факт, что топливные элементы можно хранить в воде лишь ограниченное время, прежде чем оболочка Magnox начнет разрушаться, и, следовательно, их необходимо перерабатывать, увеличивал стоимость программы Magnox. Последующие обзоры критиковали продолжение разработки проектов по отдельности вместо стандартизации на наиболее экономичной конструкции, а также упорное развитие реактора, получившего всего два экспортных заказа. Ретроспективная оценка затрат, основанная на низкой ставке дисконтирования капитала в размере 5%, показала, что стоимость электроэнергии, произведенной реакторами Magnox, была почти на 50% выше, чем могла бы быть при использовании угольных электростанций.

Безопасность

В то время реакторы Магнокса считались обладающими значительной степенью внутренней безопасности благодаря своей простой конструкции, низкой плотности мощности и газовому теплоносителю. В связи с этим они не были оснащены вторичными системами локализации аварий. Основным принципом безопасности того времени был принцип "максимально достоверной аварии", и предполагалось, что если станция спроектирована для выдерживания такой аварии, то все другие менее серьезные, но аналогичные события также будут учтены. Аварии с потерей теплоносителя (по крайней мере, те, которые рассматривались при проектировании) не приводили бы к масштабным повреждениям топлива, поскольку оболочка Магнокс удерживала бы основную часть радиоактивных материалов, при условии быстрого останова реактора (SCRAM), поскольку тепло распада могло отводиться естественной циркуляцией воздуха. Поскольку теплоносителем уже является газ, взрывоопасное повышение давления из-за кипения не представляет опасности, как это произошло при катастрофическом паровом взрыве на Чернобыльской АЭС. Отказ системы аварийной остановки реактора быстро остановить реактор или отказ естественной циркуляции не учитывались при проектировании. В 1967 году на станции Чапелкросс произошел расплав топлива из-за ограничения потока газа в одном канале, и, хотя персонал станции справился с этой ситуацией без серьезных последствий, подобное событие не было предусмотрено или запланировано, а выброс радиоактивности превысил ожидаемый при проектировании станции. Несмотря на уверенность в их внутренней безопасности, было решено, что станции Магнокс не будут строиться в густонаселенных районах. Было установлено ограничение на местоположение: в любом 10-градусном секторе население должно быть менее 500 человек в пределах 1,5 мили (2 км), 10 000 человек в пределах 5 миль (8 км) и 100 000 человек в пределах 10 миль (16 км). Кроме того, население вокруг площадки во всех направлениях должно быть менее чем в шесть раз превышать эти значения для 10-градусного сектора. Ограничения на получение разрешений на строительство использовались для предотвращения значительного роста населения в пределах пяти миль. В конструкции старых стальных корпусов реакторов котлы и газопроводы расположены за пределами бетонного биологического экрана. Следовательно, эта конструкция излучает значительное количество прямого гамма- и нейтронного излучения, называемого прямым "набегающим" излучением, от реакторов. Например, наиболее подверженные воздействию члены общественности, проживающие вблизи реактора Магнокс Дандженесс в 2002 году, получили дозу в 0,56 мЗв, что составляет более половины максимальной рекомендуемой Международной комиссией по радиационной защите дозы облучения для населения, только от прямого "набегающего" излучения. Дозы от реакторов Олдбери и Уилфа, которые имеют бетонные корпуса, герметизирующие полный газовый контур, значительно ниже.

The Magnox reactors were considered at the time to have a considerable degree of inherent safety because of their simple design, low power density, and gas coolant. Because of this they were not provided with secondary containment features. A safety design principle at the time was that of the "maximum credible accident", and the assumption was made that if the plant were designed to withstand that, then all other lesser but similar events would be encompassed. Loss of coolant accidents (at least those considered in the design) would not cause large scale fuel failure as the Magnox cladding would retain the bulk of the radioactive material, assuming the reactor was rapidly shutdown (a SCRAM), because the decay heat could be removed by natural circulation of air. As the coolant is already a gas, explosive pressure buildup from boiling is not a risk, as happened in the catastrophic steam explosion at the Chernobyl accident. Failure of the reactor shutdown system to rapidly shut down the reactor, or failure of natural circulation, was not considered in the design. In 1967 Chapelcross experienced a fuel melt due to restricted gas flow in an individual channel and, although this was dealt with by the station crew without major incident, this event had not been designed or planned for, and the radioactivity released was greater than anticipated during the station design. Despite the belief in their inherently safe design, it was decided that the Magnox stations would not be built in heavily populated areas. The positioning constraint decided upon was that any 10 degree sector would have a population less than 500 within 1.5 mile (2 km), 10,000 within 5 mile (8 km) and 100,000 within 10 mile (16 km). In addition population around the site in all directions would be less than six times the 10 degree limits. Planning permission constraints would be used to prevent any large growth of population within five miles. In the older steel pressure vessel design, boilers and gas ducting are outside the concrete biological shield. Consequently, this design emits a significant amount of direct gamma and neutron radiation, termed direct "shine", from the reactors. For example, the most exposed members of the public living near Dungeness Magnox reactor in 2002 received 0.56mSv, over half the International Commission on Radiological Protection recommended maximum radiation dose limit for the public, from direct "shine" alone. The doses from the Oldbury and Wylfa reactors, which have concrete pressure vessels which encapsulate the complete gas circuit, are much lower.

Созданные реакторы

Всего в Соединенном Королевстве, где был разработан этот проект, было построено 11 атомных электростанций, состоящих из 26 энергоблоков. Кроме того, одна была экспортирована в Токай (Япония), а другая – в Латину (Италия). К моменту закрытия станции 31 марта 2003 года первый реактор проработал почти 47 лет. Первые две станции (Кальдер-Холл и Чапелкросс) изначально принадлежали UKAEA и в основном использовались на ранних этапах для производства плутония оружейного качества, с двумя загрузками топлива в год. Начиная с 1964 года они в основном использовались в коммерческих топливных циклах, а в апреле 1995 года правительство Великобритании объявило о полном прекращении производства плутония для военных целей. Более поздние и крупные энергоблоки принадлежали CEGB и работали в коммерческих топливных циклах. Однако на электростанциях Hinkley Point A и еще на двух были внесены изменения, позволяющие извлекать плутоний оружейного качества для военных нужд в случае необходимости.

Дератирование для снижения коррозии

В начале эксплуатации было обнаружено значительное окисление компонентов из низкоуглеродистой стали под воздействием высокотемпературного диоксида углерода, используемого в качестве теплоносителя, что потребовало снижения рабочей температуры и выходной мощности. Например, мощность реактора Латина была снижена в 1969 году на 24%, с 210 МВт до 160 МВт, путем снижения рабочей температуры с .

Последний действующий реактор Магнокс

30 декабря 2015 года Управление по выводу из эксплуатации ядерных установок (NDA) объявило о закрытии блока №1 АЭС Wylfa – последнего в мире работающего реактора типа Magnox. Блок выработал электроэнергию на пять лет дольше, чем первоначально планировалось. Закрытие двух блоков Wylfa было запланировано на конец 2012 года, однако NDA приняло решение остановить блок №2 в апреле 2012 года, чтобы блок №1 мог продолжить работу и полностью использовать имеющиеся запасы топлива, производство которого было прекращено. Небольшой экспериментальный реактор мощностью 5 МВт, основанный на конструкции Magnox, расположенный в Йонбёне (Северная Корея), продолжал работу по состоянию на 2016 год.