Реакторы-размножители на быстрых нейтронах

При соответствующих рабочих условиях нейтроны, испускаемые реакциями деления, могут «выращивать» больше топлива из нерасщепляющихся изотопов. Наиболее распространенной реакцией воспроизводства является реакция плутония-239 из неделящегося урана-238. Термин «быстрый размножитель» относится к типам конфигураций, которые фактически могут производить больше расщепляющегося топлива, чем они используют, например, LMFBR. Этот сценарий возможен, потому что неделящийся уран-238 в 140 раз более распространен, чем делящийся U-235, и может быть эффективно преобразован в Pu-239 нейтронами в результате цепной реакции деления.

Франция осуществила крупнейшее внедрение реакторов-размножителей со своим большим реактором «Супер-Феникс» и реактором среднего масштаба (БН-600) на Каспийском море для производства электроэнергии и опреснения.

Разведение плутония-239

Делящийся плутоний-239 можно получить из неделящегося урана-238 с помощью проиллюстрированной реакции.

Бомбардировка урана-238 нейтронами вызывает два последовательных бета-распада с образованием плутония.Количество производимого плутония зависит от коэффициента воспроизводства.

Коэффициент воспроизводства плутония

При воспроизводстве плутониевого топлива в реакторах-размножителях важной концепцией является коэффициент воспроизводства, т. е. количество произведенного делящегося плутония-239 по сравнению с количеством делящегося топлива (например, U-235), использованного для его производства. В жидкометаллическом реакторе на быстрых нейтронах (LMFBR) целевой коэффициент воспроизводства составляет 1,4, но достигнутые результаты составляют около 1,2. Это основано на 2,4 нейтронах, образующихся при делении U-235, при этом один нейтрон используется для поддержания реакции.

Время, необходимое реактору-размножителю для производства достаточного количества материала для топлива второго реактора, называется временем его удвоения, и нынешние планы проектирования рассчитаны на время удвоения примерно десять лет. Реактор может использовать тепло реакции для производства энергии в течение 10 лет, а по истечении этого времени иметь достаточно топлива для питания другого реактора в течение 10 лет.

Жидкометаллический реактор на быстрых нейтронах

Реактор-размножитель плутония-239 обычно называют реактором-размножителем на быстрых нейтронах, а охлаждение и теплопередача осуществляются жидким металлом. Металлы, которые могут достичь этого, — это натрий и литий, причем натрий является наиболее распространенным и наиболее часто используемым. Строительство реактора на быстрых нейтронах требует более высокого обогащения урана-235, чем легководный реактор, обычно от 15 до 30%. Топливо реактора окружено «одеялом» из неделящегося урана-238. В реакторе-размножителе не используется замедлитель, поскольку быстрые нейтроны более эффективно превращают U-238 в Pu-239. При такой концентрации урана-235 сечения деления на быстрых нейтронах достаточно для поддержания цепной реакции. Использование воды в качестве хладагента замедлит нейтроны, но использование жидкого натрия позволяет избежать этого замедления и обеспечивает очень эффективную теплопередающую среду.

Жидкая натриевая охлаждающая жидкость

В качестве теплоносителя и теплоносителя в реакторе ЖМБР используется жидкий натрий.Это сразу же подняло вопрос безопасности, поскольку металлический натрий является чрезвычайно реактивным химическим веществом и горит при контакте с воздухом или водой (иногда со взрывом при контакте с водой). Это правда, что жидкий натрий должен быть постоянно защищен от контакта с воздухом или водой, храниться в герметичной системе. Однако было обнаружено, что проблемы безопасности не намного больше, чем проблемы с водой и паром высокого давления в легководных реакторах.

Натрий находится в твердом состоянии при комнатной температуре, но переходит в жидкое состояние при 98°C. Он имеет широкую рабочую температуру, так как не кипит до 892°C. Это ограничивает диапазон рабочих температур реактора, поэтому в нем не нужно создавать давление, как в пароводяной системе охлаждения. Он имеет большую удельную теплоемкость, поэтому является эффективным теплоносителем.

На практике те реакторы, в которых использовались жидкометаллические теплоносители, были реакторами на быстрых нейтронах. Жидкометаллический хладагент имеет здесь большое преимущество, потому что вода в качестве хладагента также замедляет или замедляет нейтроны. Такие реакторы на быстрых нейтронах требуют более высокой степени обогащения уранового топлива, чем реакторы с водяным замедлителем.

Использованная литература:
Wiki:Реакторы с жидкометаллическим теплоносителем

Супер-Феникс

Super-Phenix был первым крупномасштабным реактором-размножителем. Он был введен в эксплуатацию во Франции в 1984 году. Прекратил работу как коммерческая электростанция в 1997 году.

Активная зона реактора состоит из тысяч труб из нержавеющей стали, содержащих смесь оксидов урана и плутония, около 15-20% делящегося плутония-239. Вокруг ядра находится область, называемая бланкетом-размножителем, состоящая из трубок, заполненных только оксидом урана. Вся сборка имеет размеры примерно 3×5 метров и поддерживается в корпусе реактора в расплавленном натрии. Энергия ядерного деления нагревает натрий примерно до 500°C и передает эту энергию второму натриевому контуру, который, в свою очередь, нагревает воду для производства пара для производства электроэнергии.

Такой реактор может произвести примерно на 20% больше топлива, чем потребляет по реакции воспроизводства. Примерно за 20 лет будет произведено достаточно избыточного топлива, чтобы заправить еще один такой реактор. Оптимальное воспроизводство позволяет использовать около 75% энергии природного урана по сравнению с 1% в стандартном легководном реакторе.

Вики: Супер-ФениксИндекс