Lättvattenreaktor

En enkel lättvattenreaktor

Lättvattenreaktorn ( LWR ) är en typ av termisk neutronreaktor som använder normalt vatten , i motsats till tungt vatten , som både kylmedel och neutronmoderator ; dessutom används en fast form av klyvbara element som bränsle. Termiska neutronreaktorer är den vanligaste typen av kärnreaktorer , och lättvattenreaktorer är den vanligaste typen av termiska neutronreaktorer.

Det finns tre varianter av lättvattenreaktorer: tryckvattenreaktorn (PWR), kokvattenreaktorn (BWR) och (de flesta konstruktioner av) den superkritiska vattenreaktorn (SCWR).

Historia

Tidiga koncept och experiment

Efter upptäckterna av klyvning , moderation och den teoretiska möjligheten av en kärnkedjereaktion , visade tidiga experimentella resultat snabbt att naturligt uran endast kunde genomgå en ihållande kedjereaktion med grafit eller tungt vatten som moderator. Medan världens första reaktorer ( CP-1 , X10 etc.) framgångsrikt nådde kritik , började anrikning av uran utvecklas från teoretiskt koncept till praktiska tillämpningar för att uppnå målet med Manhattan-projektet , att bygga en kärnvapensprängämne .

I maj 1944 nådde de första gram anrikat uran som någonsin producerats kritik i lågeffektreaktorn ( LOPO) i Los Alamos , som användes för att uppskatta den kritiska massan av U235 för att producera atombomben. LOPO kan inte betraktas som den första lättvattenreaktorn eftersom dess bränsle inte var en fast uranförening klädd med korrosionsbeständigt material, utan bestod av uranylsulfatsalt löst i vatten. Det är dock den första vattenhaltiga homogena reaktorn och den första reaktorn som använder anrikat uran som bränsle och vanligt vatten som moderator.

Vid slutet av kriget , efter en idé av Alvin Weinberg , arrangerades naturliga uranbränsleelement i ett galler i vanligt vatten på toppen av X10-reaktorn för att utvärdera neutronmultiplikationsfaktorn. Syftet med detta experiment var att bestämma genomförbarheten av en kärnreaktor som använder lätt vatten som moderator och kylmedel, och klädd fast uran som bränsle. Resultaten visade att man med ett lätt anrikat uran kunde nå kritik. Detta experiment var det första praktiska steget mot lättvattenreaktorn.

Efter andra världskriget och med tillgången på anrikat uran blev nya reaktorkoncept genomförbara. År 1946 Eugene Wigner och Alvin Weinberg konceptet med en reaktor som använder anrikat uran som bränsle och lätt vatten som moderator och kylvätska. Detta koncept föreslogs för en reaktor vars syfte var att testa beteendet hos material under neutronflöde . Denna reaktor, Material Testing Reactor (MTR) , byggdes i Idaho vid INL och nådde kritik den 31 mars 1952. För utformningen av denna reaktor var experiment nödvändiga, så en mock-up av MTR byggdes på ORNL , för att bedöma primärkretsens hydrauliska prestanda och sedan testa dess neutroniska egenskaper. Denna MTR-mock-up, senare kallad Low Intensity Test Reactor (LITR), nådde kritik den 4 februari 1950 och var världens första lättvattenreaktor.

Tryckvattenreaktorer

Omedelbart efter slutet av andra världskriget startade USA :s flotta ett program under ledning av kapten (senare amiral) Hyman Rickover , med målet om kärnkraftsframdrivning för fartyg. Det utvecklade de första tryckvattenreaktorerna i början av 1950-talet och ledde till en framgångsrik utplacering av den första kärnvapenubåten, USS Nautilus ( SSN-571) .

Sovjetunionen utvecklade självständigt en version av PWR i slutet av 1950-talet , under namnet VVER . Även om den funktionellt liknar den amerikanska ansträngningen, har den också vissa designskillnader från västerländska PWR.

Kokvattenreaktor

Forskaren Samuel Untermyer II ledde arbetet med att utveckla BWR vid USA:s nationella reaktorteststation (nu Idaho National Laboratory ) i en serie tester som kallas BORAX-experimenten .

PIUS reaktor

PIUS, som står för Process Inherent Ultimate Safety , var en svensk design designad av ASEA-ATOM. Det är ett koncept för ett lättvattenreaktorsystem. Tillsammans med SECURE-reaktorn förlitade den sig på passiva åtgärder, som inte krävde operatörsåtgärder eller extern energiförsörjning, för att ge säker drift. Inga enheter byggdes någonsin.

ÖPPEN100

År 2020 tillkännagav Energy Impact Center publiceringen av en teknisk design med öppen källkod för en tryckvattenreaktor som kan producera 300 MWth/100 MWe energi kallad OPEN100 .

Översikt

Koebergs kärnkraftverk, bestående av två tryckvattenreaktorer drivna med uran

Familjen kärnreaktorer som kallas lättvattenreaktorer (LWR), kylda och modererade med vanligt vatten, tenderar att vara enklare och billigare att bygga än andra typer av kärnreaktorer [ ^{citat behövs ]} ; på grund av dessa faktorer utgör de den stora majoriteten av civila kärnreaktorer och marina framdrivningsreaktorer i drift över hela världen från och med 2009. LWR kan delas in i tre kategorier – tryckvattenreaktorer (PWR), kokvattenreaktorer (BWR), och superkritiska vattenreaktorer ( SCWR) . SCWR förblir hypotetisk från och med 2009 ; det är en generation IV- design som fortfarande är en lättvattenreaktor, men den modereras endast delvis av lättvatten och uppvisar vissa egenskaper hos en snabb neutronreaktor .

Ledarna inom nationell erfarenhet av PWR, som erbjuder reaktorer för export, är USA (som erbjuder den passivt säkra AP1000 , en Westinghouse- design, såväl som flera mindre, modulära, passivt säkra PWR, såsom Babcock & Wilcox MPower , och NuScale MASLWR), Ryska federationen (erbjuder både VVER-1000 och VVER-1200 för export), Republiken Frankrike (erbjuder AREVA EPR för export ) och Japan (erbjuder Mitsubishi Advanced Pressurized Water Reactor för export) ; dessutom är både Folkrepubliken Kina och Republiken Korea noterade att båda snabbt stiger upp i den främsta rangen av PWR-byggande nationer också, med kineserna som är engagerade i ett massivt program för kärnkraftsexpansion, och koreanerna designar och konstruerar för närvarande sin andra generation av inhemsk design. Ledarna inom nationell erfarenhet av BWR, som erbjuder reaktorer för export, är USA och Japan, med alliansen General Electric (i USA) och Hitachi (i Japan), som erbjuder både Advanced Boiling Water Reactor (ABWR) och Economic Simplified Boiling Water Reactor (ESBWR) för konstruktion och export; Dessutom erbjuder Toshiba en ABWR- variant för konstruktion i Japan. Västtyskland var också en gång en stor aktör med BWR. De andra typerna av kärnreaktorer som används för kraftproduktion är den tungvattenmodererade reaktorn , byggd av Kanada ( CANDU ) och Republiken Indien (AHWR), den avancerade gaskylda reaktorn (AGCR), byggd av Storbritannien, vätskan metallkyld reaktor (LMFBR), byggd av Ryska federationen, Republiken Frankrike och Japan, och den grafitmodererade, vattenkylda reaktorn (RBMK eller LWGR), som uteslutande finns inom Ryska federationen och före detta sovjetstater.

Även om kapaciteten för elproduktion är jämförbar mellan alla dessa typer av reaktorer, på grund av de ovannämnda egenskaperna och den omfattande erfarenheten av driften av LWR, gynnas den i de allra flesta nya kärnkraftverk. Dessutom utgör lättvattenreaktorer den stora majoriteten av reaktorer som driver marina kärnkraftsdrivna fartyg . Fyra av de fem stormakterna med nukleär marin framdrivningskapacitet använder enbart lättvattenreaktorer: den brittiska kungliga flottan , den kinesiska folkets befrielsearméflotta , den franska marinen nationella och den amerikanska flottan . Endast den ryska federationens flotta har använt en relativt handfull flytande metallkylda reaktorer i produktionsfartyg, närmare bestämt ubåten av Alfa-klassen , som använde bly-vismut-eutektik som reaktormoderator och kylmedel, men den stora majoriteten av ryska kärnkraftsdrivna båtar och fartyg använder uteslutande lättvattenreaktorer. Anledningen till nästan exklusiv LWR-användning ombord på nukleära marinfartyg är nivån av inneboende säkerhet som är inbyggd i dessa typer av reaktorer. Eftersom lättvatten används som både kylmedel och neutronmoderator i dessa reaktorer, om en av dessa reaktorer lider skada på grund av militära insatser, vilket leder till en kompromiss med reaktorhärdens integritet, kommer den resulterande frisättningen av lättvattenmoderatorn att verka att stoppa kärnreaktionen och stänga av reaktorn. Denna förmåga är känd som en negativ reaktivitetskoefficient .

För närvarande erbjudna LWR inkluderar följande

LWR statistik

Data från Internationella atomenergiorganet 2009:

Reaktorer i drift.	359
Reaktorer under uppbyggnad.	27
Antal länder med LWR.	27
Genereringskapacitet ( gigawatt ).	328,4

Reaktordesign

Lättvattenreaktorn producerar värme genom kontrollerad kärnklyvning . Kärnreaktorhärden är den del av en kärnreaktor där kärnreaktionerna äger rum . Den består huvudsakligen av kärnbränsle och kontrollelement . De blyertstunna kärnbränslestavarna, var och en cirka 12 fot (3,7 m) långa, är grupperade av hundratals i buntar som kallas bränslepatroner. Inuti varje bränslestav är pellets av uran , eller vanligare uranoxid, staplade ände i ände. Kontrollelementen, som kallas kontrollstavar, är fyllda med pellets av ämnen som hafnium eller kadmium som lätt fångar neutroner. När styrstavarna sänks ner i kärnan absorberar de neutroner som därmed inte kan delta i kedjereaktionen . Omvänt, när kontrollstavarna lyfts ur vägen, träffar fler neutroner de klyvbara uran-235- eller plutonium-239- kärnorna i närliggande bränslestavar, och kedjereaktionen intensifieras. Allt detta är inneslutet i ett vattenfyllt ståltryckkärl , kallat reaktorkärlet .

I kokvattenreaktorn omvandlar värmen som genereras av fission vattnet till ånga, som direkt driver de kraftgenererande turbinerna. Men i tryckvattenreaktorn överförs värmen som genereras av fission till en sekundär slinga via en värmeväxlare. Ånga produceras i den sekundära slingan och den sekundära slingan driver de kraftgenererande turbinerna. I båda fallen, efter att ha strömmat genom turbinerna, förvandlas ångan tillbaka till vatten i kondensorn.

Animerat diagram av en kokande vattenreaktor
Animerat diagram av en tryckvattenreaktor

Vattnet som krävs för att kyla kondensorn tas från en närliggande flod eller hav. Det pumpas sedan tillbaka i floden eller havet, i uppvärmt tillstånd. Värmen kan också avledas via ett kyltorn till atmosfären. USA använder LWR-reaktorer för elkraftproduktion, i jämförelse med tungvattenreaktorerna som används i Kanada.

Kontrollera

Ett tryckvattenreaktorhuvud , med kontrollstavarna synliga på toppen

Kontrollstavar kombineras vanligtvis till styrstavsenheter - vanligtvis 20 stavar för en kommersiell tryckvattenreaktorenhet - och sätts in i styrrör i ett bränsleelement. En kontrollstav tas bort från eller sätts in i den centrala kärnan av en kärnreaktor för att kontrollera antalet neutroner som kommer att splittra ytterligare uranatomer. Detta påverkar i sin tur reaktorns termiska effekt, mängden ånga som genereras och därmed den producerade elektriciteten. Kontrollstavarna avlägsnas delvis från kärnan för att tillåta en kedjereaktion att inträffa. Antalet insatta styrstavar och avståndet med vilket de sätts in kan varieras för att styra reaktorns reaktivitet.

Vanligtvis finns det också andra sätt att kontrollera reaktiviteten. I PWR-konstruktionen tillsätts en löslig neutronabsorbator, vanligtvis borsyra , till reaktorns kylvätska, vilket möjliggör fullständig extraktion av styrstavarna under stationär kraftdrift, vilket säkerställer en jämn kraft- och flödesfördelning över hela härden. Operatörer av BWR-konstruktionen använder kylvätskeflödet genom härden för att kontrollera reaktiviteten genom att variera hastigheten på reaktorcirkulationspumparna. En ökning av kylvätskeflödet genom kärnan förbättrar avlägsnandet av ångbubblor, vilket ökar densiteten hos kylvätskan/moderatorn med resultatet av ökad effekt.

Kylvätska

Lättvattenreaktorn använder också vanligt vatten för att hålla reaktorn kyld. Kylkällan, lätt vatten, cirkuleras förbi reaktorhärden för att absorbera värmen som den genererar. Värmen förs bort från reaktorn och används sedan för att generera ånga. De flesta reaktorsystem använder ett kylsystem som är fysiskt skilt från vattnet som kommer att kokas för att producera trycksatt ånga för turbinerna, som tryckvattenreaktorn. Men i vissa reaktorer kokas vattnet till ångturbinerna direkt av reaktorhärden, till exempel kokvattenreaktorn.

Många andra reaktorer är också lättvattenkylda, särskilt RBMK och vissa militära plutoniumproduktionsreaktorer . Dessa betraktas inte som LWR, eftersom de modereras av grafit , och som ett resultat är deras kärnkraftsegenskaper mycket olika. Även om kylvätskeflödet i kommersiella PWR är konstant, är det inte i kärnreaktorer som används på amerikanska flottans fartyg.

Bränsle

En kärnbränslepellet _

Kärnbränslepellets som är redo för färdigställande av bränslepatroner

Användningen av vanligt vatten gör det nödvändigt att göra en viss mängd anrikning av uranbränslet innan reaktorns nödvändiga kritikalitet kan upprätthållas. Lättvattenreaktorn använder uran 235 som bränsle, anrikat till cirka 3 procent. Även om detta är dess viktigaste bränsle, uran 238- atomerna också till klyvningsprocessen genom att omvandlas till plutonium 239 ; varav ungefär hälften förbrukas i reaktorn. Lättvattenreaktorer tankas i allmänhet var 12:e till 18:e månad, då byts cirka 25 procent av bränslet ut.

Den anrikade UF ₆ omvandlas till urandioxidpulver som sedan bearbetas till pelletsform. Pelletsen eldas sedan i en sintringsugn med hög temperatur för att skapa hårda, keramiska pellets av anrikat uran . De cylindriska pelletsen genomgår sedan en malningsprocess för att uppnå en enhetlig pelletstorlek. Uranoxiden torkas innan den förs in i rören för att försöka eliminera fukt i det keramiska bränslet som kan leda till korrosion och väteförsprödning. Pelletsen staplas, enligt varje kärnkärnas designspecifikationer, i rör av korrosionsbeständig metallegering. Rören är förseglade för att innehålla bränslepellets: dessa rör kallas bränslestavar.

De färdiga bränslestavarna grupperas i speciella bränslepatroner som sedan används för att bygga upp kärnbränslekärnan i en kraftreaktor. Metallen som används för rören beror på reaktorns utformning - rostfritt stål användes tidigare, men de flesta reaktorer använder nu en zirkoniumlegering . För de vanligaste typerna av reaktorer sätts rören ihop till buntar med rören placerade på exakta avstånd från varandra. Dessa buntar får sedan ett unikt identifikationsnummer, vilket gör att de kan spåras från tillverkning till användning och till kassering.

Tryckvattenreaktorbränsle består av cylindriska stavar i buntar. En uranoxidkeram formas till pellets och sätts in i rör av zirkoniumlegeringar som buntas ihop. Zirkoniumlegeringsrören är cirka 1 cm i diameter, och bränslekapslingen fylls med heliumgas för att förbättra värmeledningen från bränslet till kapslingen. Det finns cirka 179-264 bränslestavar per bränsleknippe och cirka 121 till 193 bränsleknippen laddas i en reaktorhärd . Generellt består bränsleknippena av bränslestavar buntade 14x14 till 17x17. PWR-bränsleknippen är cirka 4 meter långa. Zirkoniumlegeringsrören är trycksatta med helium för att försöka minimera interaktion mellan pelletsbeklädnad, vilket kan leda till bränslestavfel under långa perioder.

I kokvattenreaktorer liknar bränslet PWR-bränsle förutom att buntarna är "konserverade"; det vill säga det finns ett tunt rör som omger varje bunt. Detta görs i första hand för att förhindra att lokala densitetsvariationer påverkar kärnkraftens neutronik och termisk hydraulik på global skala. I moderna BWR-bränsleknippen finns det antingen 91, 92 eller 96 bränslestavar per enhet beroende på tillverkare. Ett intervall mellan 368 enheter för den minsta och 800 enheter för den största amerikanska BWR utgör reaktorhärden. Varje BWR-bränslestav återfylls med helium till ett tryck på cirka tre atmosfärer (300 kPa).

Moderator

En neutronmoderator är ett medium som minskar hastigheten hos snabba neutroner och därigenom förvandlar dem till termiska neutroner som kan upprätthålla en kärnkedjereaktion som involverar uran-235. En bra neutronmoderator är ett material fullt av atomer med lätta kärnor som inte lätt absorberar neutroner. Neutronerna träffar kärnorna och studsar iväg. Efter tillräckliga stötar kommer neutronens hastighet att vara jämförbar med kärnornas termiska hastigheter; denna neutron kallas då en termisk neutron.

Lättvattenreaktorn använder vanligt vatten , även kallat lättvatten, som sin neutronmoderator. Det lätta vattnet absorberar för många neutroner för att kunna användas med oanrikat naturligt uran, och därför urananrikning eller nukleär upparbetning nödvändig för att driva sådana reaktorer, vilket ökar de totala kostnaderna. Detta skiljer den från en tungvattenreaktor , som använder tungt vatten som neutronmoderator. Medan vanligt vatten har några tunga vattenmolekyler i sig, räcker det inte för att vara viktigt i de flesta tillämpningar. I tryckvattenreaktorer används kylvattnet som moderator genom att låta neutronerna genomgå flera kollisioner med lätta väteatomer i vattnet, vilket tappar fart i processen. Denna moderering av neutroner kommer att ske oftare när vattnet är tätare, eftersom fler kollisioner kommer att inträffa.

Användningen av vatten som moderator är en viktig säkerhetsfunktion för PWR, eftersom varje temperaturökning gör att vattnet expanderar och blir mindre tät; därigenom minskar den omfattning i vilken neutroner bromsas ned och därmed minskar reaktiviteten i reaktorn. Därför, om reaktiviteten ökar utöver det normala, kommer den minskade modereringen av neutroner att göra att kedjereaktionen saktar ner, vilket ger mindre värme. Denna egenskap, känd som den negativa temperaturkoefficienten för reaktivitet, gör PWR mycket stabila. I händelse av en olycka med förlust av kylvätska förloras även moderatorn och den aktiva fissionsreaktionen stoppas. Värme produceras fortfarande efter att kedjereaktionen upphört från de radioaktiva biprodukterna från fission, vid cirka 5 % av märkeffekten. Denna "sönderfallsvärme" kommer att fortsätta i 1 till 3 år efter avstängning, varpå reaktorn slutligen når "full kall avstängning". Förfallsvärme, även om den är farlig och stark nog att smälta kärnan, är inte alls lika intensiv som en aktiv fissionsreaktion. Under perioden efter avstängning kräver reaktorn att kylvatten pumpas, annars kommer reaktorn att överhettas. Om temperaturen överstiger 2200 °C bryts kylvatten ner till väte och syre, vilket kan bilda en (kemiskt) explosiv blandning. Sönderfallsvärme är en viktig riskfaktor i LWR-säkerhetsrekord.

Se även

externa länkar

Lättvattenreaktorns hållbarhetsprogram (LWRS).