4:nnen sukupolven ydinvoimala luo turvallisuutta ja muita etuja

On selvää, että niin kauan kuin ydinvoimaan liittyvät riskit ja turvallisuuskysymykset liitetään ydinvoimaan, ydinvoimaloiden lisärakentamista vastustetaan yleisön keskuudessa.

4:nnen sukupolven ydinvoimaloille asetettiin tavoitteeksi turvallisuuden lisääminen. Siinä on nyt onnistuttu, kuten myös muiden asetettujen tavoitteiden suhteen. On lisäksi ratkaistu lyijyjäähdytteisen nopean reaktorin (LFR) lyijystä aiheutuvat korroosio-ongelmat, uudella materiaalinkäsittelyllä. Esittelyn lopuksi professori Craig Smith (Tutkimusprofessori Naval Postgraduate Schoolissa, Monterey, USA, on ydininsinööri, jolla on laaja kokemus ydinenergiateknologiasta, säteilyn havaitsemisesta ja informaatiotieteestä) esittelee lyijyjäähdytteisen nopean reaktorin teknisiä yksityiskohtia.

http://www.engineering.org.cn/EN/10.1016/J.ENG.2016.01.022

”1. Esittely
Lyijyjäähdytteinen nopea reaktori (LFR) on yksi kuudesta Generation IV Technology Roadmapissa valitusta reaktorikonseptista, ja siitä on tullut erittäin houkutteleva viime vuosina, ja sen kehittämistä jatketaan useissa maissa [1,2]. LFR:n houkuttelevuutta perustelevat järjestelmän luontaiset ominaisuudet, jotka pystyvät täysin täyttämään Generation IV International Forumin (GIF) tavoitteet. Järjestelmän lisääntynyt turvallisuus on erityisen tärkeä ominaisuus, sillä turvallisuudesta on tulossa yksi keskeisistä kriteereistä seuraavan sukupolven ydinjärjestelmän valinnassa. Tässä asiakirjassa hahmotellaan lyhyesti erilaisia meneillään olevia lyijyteknologian kehittämiseen liittyviä aloitteita. Lyijyn käyttö jäähdytysnesteenä mahdollistaa täydellisen muutoksen suunnittelussa ja tarjoaa useita innovaatiomahdollisuuksia, jotka kuvataan tässä lyhyesti.

2. Miksi lyijyjäähdytteinen nopea reaktori? Tässä osiossa analysoidaan LFR-järjestelmän tärkeimmät ominaisuudet tekniikan viimeaikaisen kehityksen mukaan.

2.1. Kestävyys
Lyijyjäähdytteinen reaktori varmistaa energialähteen kestävyyden pitkällä aikavälillä. LFR ladataan aluksi käyttämällä sekoitettua uraaniplutoniumoksideja (MOX) tai kehittyneempiä polttoaineita, kuten uraaninitridejä, luotaen olemassa olevaan kevytvesireaktoriteknologiaan (LWR) MOX:n osalta tai kehittämällä uusia ja edistyneitä tuotanto- ja jälleenkäsittelypolttoainesyklejä. Kun polttoaine puretaan reaktorista, se uudelleenkäsitellään, jotta saadaan talteen vain lyhytikäiset fissiotuotteet (jotka hajoavat muutaman sadan vuoden luokkaa) asianmukaisesti hävitettäväksi (esim. geologiseen loppusijoitukseen). Jälleenkäsittelyn jälkeen polttoaine syötetään takaisin reaktoriin lisäämällä hyvin yleistä luonnonuraania tai köyhdytettyä uraania rikastetun uraanin sijaan, kuten tällä hetkellä tehdään LWR:issä. Tällä tavalla maailman uraanivarantojen runsaus kasvaa noin 50-100 kertaa nykyisten teknologioiden vaatimaan määrään verrattuna (joka kuluttaa energian tuottamiseen vain 1–2 % polttoainekuormituksesta). LFR-iässä tarvittavan uraanin pienenemisen vuoksi tämän energialähteen käyttöaika pitenee sadoista tuhansiin vuosiin. Tämä ominaisuus on yhteinen kaikille nopeille reaktorijärjestelmille ja tarjoaa uuden lähestymistavan luonnonvarojen täysimääräiseen käyttöön ja pitkäikäisen radioaktiivisen jätteen tuotannon valtavaan vähentämiseen.

Itse asiassa yksi ydinenergian tärkeimmistä ongelmista piilee yhteiskunnallisella tasolla, eikä sitä ole vielä ratkaistu nykytekniikalla: pitkäikäisen radioaktiivisen jätteen tuotanto, joka vaatii varastoinnin erityisissä loppusijoitustiloissa satoja tuhansia vuosia. Nopea reaktoritekniikka käsittelee ja ratkaisee tämän ongelman. Kuten edellisessä kappaleessa todettiin, toimitusketjusta peräisin oleva jäte koostuu vain fissiofragmenteista, joiden hajoamisaika on muutama sata vuotta, mikä tekee tämän radioaktiivisen jätteen loppusijoituksesta taloudellisesti kannattavampaa ja luotettavammin hallittavissa olevaa. Plutonium ja pienet aktinidit kierrätetään reaktorissa, koska se pystyy saavuttamaan polttoaineen ”suljetun syklin”. Taustalla oleva teknologia perustuu siihen, että jonkin ajan kuluttua reaktorissa plutonium ja pienet aktinidit saavuttavat tasapainomäärän; ydinreaktioiden tuotteet poltetaan siten, että tällaisten alkuaineiden uutta tuotantoa ei tapahdu. Pelkästään fissiotuotteiden varastointi loppusijoitustilaan ei ainoastaan pienennä itse loppusijoitustilan kokoa, vaan lisää myös loppuvaraston turvallisuutta, koska poistettavan jälkilämmön määrä vähenee. Merkittävin vaikutus on kuitenkin pienen, luonnollisen radioaktiivisuustason saavuttamiseen vaadittavan lopullisen varastoinnin lyheneminen: vain muutama sata vuotta nykyisen tekniikan vaatiman sadan tuhannen vuoden sijaan.

2.2. Turvallisuus
LFR:lle on ominaista korkea turvallisuusaste, koska se perustuu nestemäisen lyijyn käyttöön lämmönsiirtonesteenä. Toisin kuin muut nesteet, lyijy ei vaadi paineistamista (lyijyn kiehumislämpötila ilmakehän paineessa on 1743 °C); eikä sen käyttö vahingossa tuota vetyä tai muita räjähtäviä kaasuja. Lyijyn käyttö mahdollistaa jälkilämmönpoistojärjestelmien käyttöönoton primääripiirissä sillä perusteella, että niiden toiminta on taattu fysikaalisten peruslakien mukaan eivätkä vaadi ulkoista virtalähdettä. (Tällaisia ​​järjestelmiä kutsutaan yleensä aktiivisesti toimiviksi/passiivisiksi toimiviksi, mutta joissain malleissa on löydetty ratkaisuja, joissa sekä aktivointi että käyttö suoritetaan passiivisesti.) Nämä passiiviset järjestelmät varmistavat toimintansa äärimmäisissäkin olosuhteissa. tapahtumia, joiden lopullisena tavoitteena on estää radionuklidien leviäminen suojarakennuksen ulkopuolelle. Tämän seurauksena äärimmäisen onnettomuuden sattuessa LFR:n ei odoteta vaikuttavan suojarakennuksen ulkopuoliseen ympäristöön, mikä lisää huomattavasti tämän tekniikan sosiaalista hyväksyttävyyttä. Lopuksi, joissakin kehitteillä olevissa aloitteissa suunnitellaan polttoaineen jälleenkäsittelylaitoksen sijoittamista samaan paikkaan reaktorin kanssa. näin ollen, kun polttoaineen ensimmäinen lastaus on valmis, paikka syötetään vain sisään tulevalla luonnonuraanilla ja vain fissiotuotteet lähtevät laitoksesta. Tämä vähentää huomattavasti kuljetuksen aiheuttaman vahingossa tapahtuvan saastumisen todennäköisyyttä ja saa aikaan erittäin korkean turvallisuustason polttoaineen käytön suuntaamisessa. LFR:n väliaikaisen järjestelmän ohjauskomitean (PSSC) tuella GIF:n reaktoriturvallisuustyöryhmä on äskettäin julkaissut turvallisuutta koskevan valkoisen kirjan, jonka voi ladata vapaasti GIF-verkkosivustolta [3].

2.3. Taloudellisuus
Kokemus on osoittanut, että uusien kehittyneiden järjestelmien rakentamisen ja käytön kokonaiskustannuksia on erittäin vaikea arvioida. On myös huomattava, että jopa tunnetun tekniikan, kuten LWR-järjestelmien, rakennuskustannukset ovat alttiina suurille kustannusvaihteluille ja merkittäville nousuille verrattuna alkuperäisiin ennusteisiin. On selvää, että investointien oikein ennustamisen epävarmuus on suurempi uuden teknologian prototyyppien tai demonstraatioiden tapauksessa. LFR:n tietyt ominaisuudet viittaavat kuitenkin merkittävään mahdollisuuteen erinomaiseen taloudelliseen suorituskykyyn. Nämä ominaisuudet liittyvät vahvasti jäähdytysnesteen ominaisuuteen. (1)Jäähdytysnesteen inerttiä kemiallista luonnetta voidaan käyttää suunnittelutasolla reaktorijärjestelmän yksinkertaistamiseksi. Esimerkiksi LFR ei vaadi monimutkaisten ja kalliiden välijärjestelmien asentamista primäärijäähdytysnesteen eristämiseksi lopullisesta toissijaisesta jäähdytysnesteestä, tavallisesti vedestä. Nykyiset suunnitelmat suunnittelevat läpivirtaushöyrygeneraattoreita korkeassa paineessa. Numeeriset simulaatiot osoittavat, että toisiosyklin suorituskyky voi saavuttaa yli 40 %:n arvot. (2) Lyijyn erittäin korkea kiehumislämpötila estää jäähdytysnesteen paikallisen kiehumisen. Tämän seurauksena muiden jäähdytysnesteiden turvallisuushaasteet eivät päde ja järjestelmä on luonnostaan suojattu itse jäähdytysnesteen ominaisuuksilla. (3) Ensisijainen jäähdytysneste voidaan pitää lähellä ilmakehän painetta. Tämä tosiasia eliminoi tarpeen ottaa käyttöön kallis ja joskus erittäin monimutkainen järjestelmä oikean paineen toimintatason ylläpitämiseksi, kuten LWR-tekniikassa. On myös tärkeää huomata, että työolosuhteet ilmanpaineessa yhdessä altaan suunnittelun kanssa johtavat käytännössä jäähdytysnesteen menetysonnettomuuksien (LOCA) eliminointiin, mikä taas yksinkertaistaa huomattavasti turvallisuusmääräyksiä ja johtaa siten merkittäviin myönteisiin taloudellisiin vaikutuksiin.

Vaikka LFR-järjestelmän saavutettavissa olevasta taloudellisesta tasosta on vaikea tehdä johtopäätöksiä, yllä olevat lausunnot osoittavat vahvasti, että tällaisen tekniikan käytössä on jo joitain etuja ja että nämä edut johtuvat valitun jäähdytysnesteen perusominaisuuksista.

2.4. Leviämisen vastustuskyky ja fyysinen suojaus
Kuten edellä mainittiin, LFR-polttoainekierto on suunniteltu siten, ettei se tuota plutoniumia tai pieniä aktinideja. Sen sijaan LFR voi kierrättää olemassa olevan käytetyn polttoaineen erottamalla fissiotuotteet. Kuten myös on mainittu, jotkin LFR-konseptit sijoittavat polttoaineen jälleenkäsittelylaitokset reaktorialueen sisällä siten, että vain luonnonuraania kuljetetaan paikalle ja vain suhteellisen lyhytikäiset fissiotuotteet lähtevät paikalta varastointia tai loppusijoitusta varten. LFR-ydin voidaan suunnitella pitkäksi tai erittäin pitkäksi ytimeksi, mikä tarjoaa selkeitä etuja vastaavasti tankkauksen välisen ajan pidentyessä. Tämä pidentynyt aika vähentää huomattavasti käytetyn polttoaineen toimintaan liittyvää leviämisriskiä. Lopuksi todettakoon, että käytetyn polttoaineen etäkäsittelyn tarve edistää fyysistä suojaa, kuten muidenkin reaktorirakenteiden tapauksessa. Vastauksena tämän jakson otsikkoon ”Miksi lyijynopea reaktori?”, yllä olevat lausunnot antavat lyhyen yleiskatsauksen tärkeimmistä syistä tämän täysin uuden teknologian kehityksen taustalla, joka mahdollisesti pystyy muuttamaan nykyistä ydinenergiaskenaariota.

5. Johtopäätökset
Generation IV -toiminnan alusta lähtien oli selvää, että LFR:llä oli erittäin vahva potentiaali täyttää kaikki GIF-tavoitteet. Aiemman kokemuksen ja nestemäisten lyijy- ja LBE-jäähdytysnesteiden korroosio-ongelmien vuoksi suurin osa IV-sukupolven ponnisteluista suuntautui nopeisiin reaktoreihin, joissa käytetään natriumjäähdytystä. Viime aikoina on kuitenkin edistytty sellaisten tarvikkeiden ja materiaalien suhteen, jotka kestävät virtaavaa nestemäistä lyijykorroosiota. Tämä seikka yhdessä lyijyjäähdytysnesteen tarjoamien ilmeisten turvallisuusetujen kanssa on herättänyt uutta kiinnostusta tutkijoissa ja kehittäjissä, mikä näkyy useiden aloitteiden nopeassa kehityksessä ympäri maailmaa. LFR:n tekniset ansiot ja sen yhteensopivuus IV-sukupolven tavoitteiden kanssa ovat olennaisia edellytyksiä riittävän rahoituksen löytämiselle ydinenergian nostamiseksi uudelle tasolle lähitulevaisuudessa.”

https://youtu.be/8gLyM3ac57I