Die lange Geschichte schneller Neutronenreaktoren und das Versprechen eines geschlossenen Brennstoffkreislaufs

Die Entdeckung der Kernspaltung in den 1930er Jahren brachte die erste Gefahr der nuklearen Zerstörung durch Atomwaffen in den 1940er Jahren mit sich, gefolgt vom Versprechen sauberer und reichlicher Energie in den 1950er Jahren dank des Aufkommens von Kernkraftwerken. Sie mussten andere Wärmekraftwerke durch ein Kraftwerk ersetzen, das keine Abgase erzeugt, keine Asche emittiert und nur regelmäßig mit Uran und anderen Kernbrennstoffen betankt werden muss, die fast überall zu finden sind.


Geräte, die erstmals 1938 die Möglichkeit einer experimentellen Atomspaltung bewiesen

In den 1950er und 1960er Jahren tauchten mit zunehmender Geschwindigkeit neue Kernreaktoren auf, die Bedenken hinsichtlich eines möglichen Mangels an Uranbrennstoff aufkommen ließen, was zu einer Zunahme der Zahl der Studien auf dem Gebiet der sogenannten Kernreaktoren führte "Schnelle Neutronenreaktoren", die in ihrer Modifikation von Brutreaktoren Uranbrennstoff viel effizienter nutzen können. Sie verwenden Neutronen, um Uran-238 in Plutonium-239 umzuwandeln ("zu multiplizieren"), das dann mit Uranbrennstoff gemischt werden kann und MOX-Brennstoff für langsame Neutronenreaktoren erzeugt, wodurch es in einem einzigen Zyklus möglich ist, nicht 1% zu verwenden, aber bis zu 60% der Uranenergie.

Der Boom bei der Uranentdeckung in den 1970er Jahren stoppte die Forschung in diesem Bereich. Beispielsweise hat Frankreich konsequent an seinen Projekten Rapsodie, Phénix und SuperPhénix gearbeitet und die ASTRID-Technologiedemonstration der 4. Generation erst nach vielen Jahren aufgegeben Bring es zum Ende.

Dies ist jedoch nicht das Ende schneller Reaktoren. In diesem Artikel werden wir uns mit technischen Wundern und den verschiedenen Arten von schnellen Reaktoren befassen, die Länder wie Russland, China und Indien verwenden oder entwickeln.

Was ist "schnell" in schnellen Reaktoren

Schnelle Reaktoren werden durch die Geschwindigkeit von Neutronen bei der Kernspaltung hergestellt. Wenn in Leichtwasserreaktoren gewöhnliches Wasser verwendet wird, um Neutronen zu verlangsamen, ist dies in schnellen Brutreaktoren (BRR) nicht der Fall. Die von Uran-235 und anderen Isotopen während einer Kettenreaktion emittierten Neutronen bewegen sich mit erheblichen Geschwindigkeiten. Interessanterweise bestimmt die Geschwindigkeit des Neutrons die Wahrscheinlichkeit, dass es mit einem bestimmten Kern interagiert.


Herstellung von transuranischen Aktiniden in thermischen Neutronenreaktoren

Zur Kategorisierung von Nukliden wird eine Eigenschaft wie der Neutronenquerschnitt verwendet . Wenn ein Kern ein Neutron absorbiert und es entweder speichert oder zerfällt, sagt man, dass es in den Neutronenquerschnitt gefallen ist. Spaltbare Nuklide haben einen Spaltneutronenquerschnitt. Andere Nuklide streuen einfach Neutronen - sie haben einen streuenden Neutronenquerschnitt. Nuklide mit großen absorbierenden Neutronenquerschnitten werden als "Neutronengift" bezeichnet, da sie einfach Neutronen absorbieren, ohne zu zerfallen, und tatsächlich die Kernreaktion von Neutronen berauben.

Ein Nuklid vom Uran-238-Typ ist für das Nicht-Null-Prozent-Verhältnis jeder dieser Kategorien von Neutronenquerschnitten interessant, was teilweise erklärt, warum es als Brennstoff für Leichtwasserreaktoren so schlecht geeignet ist. Dies ist im Fall von Uran-235 völlig anders - es hat einen großen Spaltneutronenquerschnitt, jedoch nur bei Neutronengeschwindigkeiten, die viel niedriger sind als die von Neutronen, die während einer Kernreaktion freigesetzt werden. Dies bedeutet, dass Neutronen in Leichtwasserreaktoren verlangsamt werden müssen (auf „Temperatur“ -Geschwindigkeiten), um den Zerfallsprozess aufrechtzuerhalten.

Und hier, zwischen den Brennstäben, gibt es Wasser, und hier und da fliegen überall Neutronen, nachdem der Zerfallsprozess mit Hilfe einer startenden Neutronenquelle gestartet wurde. Diese schnellen Neutronen kollidieren leicht mit Wasserstoffatomen in einem Wassermolekül, verlieren kinetische Energie und verlangsamen sich. Infolgedessen fliegen sie in einen anderen (oder denselben) Brennstab und spalten erfolgreich ein anderes Uran-235-Nuklid.

Auch diese hemmende Eigenschaft von Wasser wirkt als Sicherheitsmaßnahme. Wenn die Temperatur im Kern steigt, kocht das Wasser und verwandelt sich in ein Gas, wodurch weniger Wassermoleküle im Einheitsvolumen vorhanden sind, die Neutronenverzögerung stoppt und die Geschwindigkeit der Kernkettenreaktion abnimmt. Dieser negative Dampfreaktivitätskoeffizient ist in modernen Reaktoren allgegenwärtig, mit Ausnahme des berüchtigten RBMK- Modells und der kanadischen Schwerwasserreaktoren CANDU .

Wir bauen Plutonium für Unterhaltung und Ertrag an

Praktisch reiner Plutoniumring

Wie bereits erwähnt, weist Uran-238 ziemlich merkwürdige Eigenschaften von Neutronenquerschnitten auf. Es absorbiert und streut Neutronen und erzeugt manchmal eine Spaltung des Kerns, und die erste Aktion tritt viel häufiger auf. Nachdem ein Neutron gefangen wurde, wird das Uran-238-Nuklid in Plutonium-239 umgewandelt (umgewandelt) (und einige Plutonium-239-Nuklide werden in Plutonium-240 umgewandelt). Dieser Prozess findet auch in einem Leichtwasserreaktor statt, aber dort läuft er absichtlich ab - Plutonium wird auf diese Weise in BRR hergestellt.

In BRR gibt es keinen Neutronenmoderator, da schnelle Neutronen benötigt werden, die so viel Uran-238 wie möglich in Plutonium-239 umwandeln. In BDS ist der angereicherte Kern von Uran-235 von einer Hülle bedeckt, die hauptsächlich aus Uran-238 besteht, das sich langsam in Plutonium-239 und Plutonium-240 verwandelt, die dann als MOX-Kraftstoff verwendet werden. Es stellt sich heraus, dass das BRR-Betriebsschema relativ einfach ist und entweder einen Kühlkreislauf oder einen Pool verwendet. Als Kühler wird üblicherweise flüssiges Kältemittel auf Metall- oder Natriumbasis verwendet, da sie Neutronen schwach einfangen, aber Wärme perfekt übertragen.

Französische BRR wurden sowohl zur Stromerzeugung nach Art herkömmlicher Wärmekraftwerke als auch zur Erzeugung von Plutonium verwendet, das zur Erzeugung von MOX-Brennstoff erforderlich ist, der dann in Leichtwasserreaktoren verwendet werden kann. Der Hauptgrund für die Organisation dieses Prozesses war der Wunsch nach Energieunabhängigkeit, da Frankreich keine nennenswerten Uranreserven besitzt. Und ein solcher Prozess würde es ermöglichen, bis zu 60-mal mehr Energie aus importiertem Uran zu gewinnen, was bedeutet, dass jedes Kilogramm 60-mal länger hält.


Experimenteller Züchterreaktor II (EBR II)

Andere Versuche, schnelle Neutronenreaktoren herzustellen, umfassen den schnell integrierten Reaktor in den USA und den japanischen Monju (gefolgt vom natriumgekühlten schnellen Neutronenreaktor von Zoyo). Ein angenehmer Nebeneffekt der Reproduktion von Uranbrennstoff besteht darin, die Menge an abgebranntem Brennstoff am Ende des offenen Brennstoffkreislaufs einzusparen, da das ursprünglich vorhandene Uran-238 in einem Leichtwasserreaktor zu Plutonium-239 verbrannt wird. Der abgebrannte Brennstoff kann wieder durch den schnellen Neutronenreaktor geleitet werden, wo die „Abfälle“ von Isotopen, die vom Leichtwasserreaktor nicht verwendet werden können, verbrannt werden und zusätzlicher Brennstoff für den Leichtwasserreaktor erzeugt wird.

Leider sind RBDs teurer als Leichtwasser-RBDs, und Probleme mit der Natriumkühlung (hauptsächlich die Notwendigkeit, den Kontakt mit Wasser zu verhindern) haben dazu geführt, dass es seit dem Rückgang der Uranpreise in den 1970er Jahren in der Regel wirtschaftlicher ist, neuen Brennstoff aus Uranerz herzustellen, und Lagern oder entsorgen Sie verbrauchten Brennstoff nach einem offenen Brennstoffkreislauf in einem Leichtwasserreaktor.

Trotz der Tatsache, dass der Leichtwasserreaktor auch den Brennstoff ein wenig vervielfacht und Uran-238 in Plutonium umwandelt, enthält sein abgebrannter Brennstoff immer noch etwa 96% des ursprünglichen Urans, etwa 3% der Isotope der „Abfälle“ und etwa 1% der Plutoniumisotope.

Brennen, Baby, brennen

Obwohl die meisten Reaktoren mit schnellen Neutronen zur Vermehrung von Brennstoff für Leichtwasserreaktoren verwendet werden, ist ein anderer Typ für die lokale Verwendung des gesamten Brennstoffs ausgelegt. Ein solcher Reaktor wird als schneller Neutronenreaktor (RBN) bezeichnet, und die Konfiguration seines Kerns unterscheidet sich von der Konfiguration des BRR, weist jedoch keine grundlegenden Unterschiede auf. Theoretisch kann jedes RBN verwendet werden, um Kraftstoff zu reproduzieren und zu verbrennen.


Schematische Darstellung eines natriumgekühlten schnellen Neutronenreaktors

Um das Schema von RBD auf RBN zu ändern, müssen Sie die Uran-238-Beschichtung entfernen und Neutronenreflektoren aus Edelstahl (oder ähnlichem) installieren. Im resultierenden Reaktor verbleiben die freigesetzten Neutronen im Kern und können mit Nukliden interagieren, wodurch der Spaltprozess fortgesetzt wird.

Infolgedessen können RBNs Nuklide im Kraftstoff abbauen und umwandeln, bis keine signifikante Menge an Aktiniden mehr darin enthalten ist (einschließlich Uran und Plutonium). Dieser Prozess kann mit einer pyrometallurgischen Brennstoffregeneration kombiniert werden, die die Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente in einem Leichtwasserreaktor zur Verwendung in der RBF ermöglicht, wodurch der Kernbrennstoffkreislauf im Wesentlichen geschlossen wird.

Französischer Widerstand

Nicht nur die Wirtschaft hat dazu beigetragen, die Entwicklung von RBN im Westen zu stoppen. Das RBN zog die Aufmerksamkeit von Terroristen und Politikern auf sich. Ein Beispiel für die Arbeit des ersteren ist der Raketenangriff auf das Kernkraftwerk Superphoenix, der am 18. Januar 1982 vom Umweltterroristen Chaim Nissim durchgeführt wurde. Er feuerte auf Atomkraftwerke des sowjetischen Panzerabwehrgranatenwerfers RPG-7 und glaubte, dass das RBN "mit all seinen schnellen Neutronen explodieren könnte". Das Kernkraftwerk war ein Gemeinschaftsprojekt von Frankreich, Italien und Deutschland, und es war ursprünglich geplant, die Kernkraftwerke dieses Projekts sowohl in Frankreich als auch in Deutschland zu bauen.


Superphoenix-Reaktorgebäude

Superfenix war von Anfang an starkem politischem Widerstand antinukleärer Gruppen ausgesetzt, und der Prototyp des Reaktors wurde 1998 geschlossen, als die französische Regierung von grünen Ministern geführt wurde. Der einzige angekündigte Grund für die Schließung war, dass sich das Projekt aufgrund seiner "überhöhten Kosten" als nicht nachhaltig herausstellte, da seit 1976 9,1 Milliarden Euro dafür ausgegeben wurden, dh etwa 430 Millionen Euro pro Jahr. Und dies trotz der Tatsache, dass 1996 die Probleme mit der Natriumschleife gelöst wurden und der Reaktor wirklich Geld verdiente, indem er den größten Teil seiner Existenz mit Strom versorgte.

Aktuelle Entwicklungen

Die Situation in den USA, Frankreich und anderen westlichen Ländern unterscheidet sich stark von der in der UdSSR, in China und in Indien. Seit 1973 versorgte die BN-350 am Ufer des Kaspischen Meeres (heute ist dies das Territorium Kasachstans) die nahe gelegene Stadt Aktau mit 135 MW Strom und entsalztem Wasser. Es wurde erst 1994 geschlossen, da der Verwaltungsgesellschaft die Mittel für den Kauf von Kraftstoff ausgegangen waren. Nach 26 Betriebsjahren wurde es 1999 vollständig geschlossen.

Die BN-600- Serie wurde durch den BN-600- Reaktor fortgesetzt, der im KKW Belojarsk in der Region Swerdlowsk in der Nähe der russischen Stadt Zarechny gebaut wurde. Es nutzt einen natriumgekühlten Pool und ist seit 1980 in Betrieb und versorgt das lokale Netz mit 600 MW. Trotz einiger kleinerer Probleme, die hauptsächlich mit Natriumleckagen zusammenhängen, war seine Arbeitserfahrung problemlos, obwohl er der zweite Prototyp in dieser Serie war [von dem Moment an, als der Phoenix-Reaktor 2009 in Frankreich bis Mitte 2014 abgeschaltet wurde (Start) BN-800) BN-600 war der einzige aktive schnelle Neutronenenergiereaktor der Welt / ca. übersetzt.].


BN-800 in Beloyarsk

Der am selben Ort in Beloyarsk gebaute BN-800- Reaktor ist der letzte Prototyp der BN-Serie und bietet 85% Serviceeinsparungen im Vergleich zum Leichtwasserreaktor VVER-1200 . Der entworfene BN-1200 wird der erste RBN in Massenproduktion sein. Die chinesischen Versuchsreaktoren CEFR FNR und CFR-600 basieren auf der russischen BN-Reaktortechnologie. Russland arbeitet auch an BRN mit Bleikühlung BREST .

Indien entdeckte eine Fülle von Thorium-232, was zur Schaffung eines ehrgeizigen Programms zur Entwicklung von Thorium-basierten Parallelen zu Uranreaktoren führte. Das Thoriumprogramm besteht aus drei Phasen. Zunächst produzieren sie Plutonium aus Uran mit Leichtwasserreaktoren. Das RBN erzeugt dann Uran-233 aus Thorium-232, wobei Plutonium verbrannt wird. Schließlich müssen fortschrittliche Schwerwasserreaktoren das resultierende Thorium als Brennstoff und Uran-233 und Plutonium als Hilfskraftstoff verwenden.

Andere RBNs der IV-Generation werden ebenfalls entwickelt - beispielsweise ein gasgekühlter schneller Reaktor (HBR) mit Helium.

Kraftstoffkreislauf schließen

Wie bereits erwähnt, können RBNs alle heute abgebrannten Brennelemente (die häufig als "Atommüll" bezeichnet werden) nutzen. Zusammen mit der Regeneration von pyrometallurgischem Brennstoff können Kernspaltungsreaktoren so nahezu ohne Abfall arbeiten, wobei der gesamte Uranbrennstoff, sekundäre Aktiniden usw. verwendet werden. Dieser Prozess ist das Hauptziel des russischen Atomprogramms und wird auch in den Atomprogrammen Chinas, Japans und Südkoreas berücksichtigt.

Parallel zu Projekten in den USA (hauptsächlich im Argonne National Laboratory und dessen Projekt für einen integrierten schnellen Reaktor mit pyrometallurgischer Brennstoffregeneration) arbeitet das Korean Atomic Energy Research Institute in Südkorea aktiv daran, den Brennstoffkreislauf zu schließen. Ziel ist es, den abgebrannten Brennstoff von allem zu trennen, was noch als Brennstoff geeignet ist - also von dem, was radioaktiv bleibt. Leider arbeitet Russland aus politischen Gründen bei diesen Projekten praktisch nicht mit anderen Ländern zusammen, mit Ausnahme von China, und Südkorea kooperiert mit niemand anderem als Japan und China.

Trotzdem werden weiterhin Anstrengungen unternommen, um RBNs der IV-Generation zu schaffen und sie zum bevorzugten Reaktor für neue Kernkraftwerke zu machen. Dies wird nicht nur die vollständige Nutzung von wiederaufbereitetem Kernbrennstoff ermöglichen und den Brennstoffkreislauf schließen, sondern auch die Energiemenge erhöhen, die wir aus Uran gewinnen können (und möglicherweise Thorium) viele Male. Dies wird es uns ermöglichen, selbst die pessimistischsten Schätzungen der Bedingungen, die wir für vorhandenes Uran aushalten können, von Hunderten von Jahren auf komfortable Tausend zu erhöhen und keine Abfälle in Form von Uranbrennstoff zurückzulassen.