Statisztika. Statisztika. Statisztika. Folyékony fém hűtésű reaktorok, sóolvadékos reaktor. Üzemelő blokkok. Korszerű nukleáris energiatermelés

Statisztika Típus

Folyékony fém hűtésű reaktorok, sóolvadékos reaktor

• Üzemelő blokkok

Korszerű nukleáris energiatermelés • Építés alatt

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Nukleáris Technikai Intézet

Össz MW(e)

BWR

81

75 958

FBR

2

580

GCR

15

8045

LWGR

15

10 219

PHWR

49

24 592

PWR

275

255 110

Összesen:

437

374 504

Típus

Yamaji Bogdán

Blokkok száma

Blokkok száma

Össz MW(e)

BWR

4

3925

FBR

2

1259

HTGR

1

200

PHWR

4

2520

PWR

61

61 232

Összesen:

72

69 136

PRIS database. Last update on 2014-10-18 (http://www.iaea.org/PRIS/home.aspx) KoNET - LFR, MSR

Yamaji Bogdán BME NTI

1

KoNET - LFR, MSR

Statisztika


2

Statisztika

• Üzemelő blokkok – BELOYARSK-3: BN-600 600 MWe (gross) – CEFR: BN-20 25MWe (gross)

1980/04/08 2011/07/21

• Építés alatt – BELOYARSK-4: BN-800 – PFBR: Prototype FBR

Prototype Fast Breeder Reactor (PFBR) Kalpakkam, India, építés kezdete:2004 okt. üzem tervezett kezdete: 2015. március

864 MWe (gross) 2006/07/16 500 MWe (gross) 2004/10/23

• Leállítva

China Experimental Fast Reactor (CEFR), hálózatra csatlakozás:2011. július 21.

– PHENIX: PH-250 142 MWe (gross) 1973/12/13 2010/02/01 – SUPER-PHENIX: Na-1200 1242 MWe (gr) 1986/01/14 1998/12/31

KoNET - LFR, MSR


3

BN-800: építés kezdete: 2006. július

KoNET - LFR, MSR


4

Gen IV koncepció jellemzők - SFR

Hűtőközeg: Na közbenső hűtőkör Tki: ~ 550 °C P: 150 – 1500 MWe fémurán vagy MOX ÜA

Előnyök: • hulladék mennyiségének minimalizálása • Jó uránhasznosítás KoNET - LFR, MSR


5


KoNET - LFR, MSR

Gen IV koncepció jellemzők - LFR

6

Miért folyékony fém?

Közeg: Pb vagy Pb-Bi

• Generation IV célok

Tki: ~ 550 – 800 °C

– transzmutáció, aktinida égetés – ÜA ciklus zárása – Magas hőmérséklet, folyamathő hasznosítás

P: 500 – 1200 MWe fém urán vagy MOX ÜA

• • • • •

Kampányhossz: 15 – 30 év

távfűtés tengervíz sótlanítás Olajfinomítás H termelés stb

• Kell: gyorsneutron-spektrum és magas kilépő hőmérséklet

Előnyök:

Közeg

• Proliferációálló • Passzív biztonság

Víz

KoNET - LFR, MSR


7

KoNET - LFR, MSR

Folyékony fémek Yamaji Bogdán BME NTI

Gáz

8

Hűtőközeg jellemzők

Ólom és LBE összehasonlítás LBE

víz (123 bar; 280 °C)

nátrium (1 bar; 427°C)

ólom (1 bar; 427 °C)

ólom-bizmut eutektikum (LBE) (1 bar; 427 °C)

ρ [kg/m3]

760

847

10480

10150

cp [J/(kg·K)]

5143

1300

150

150

sűrűség nyomás

• Lényegesen alacsonyabb olvadáspont, közel azonos forráspont

nagy hidrosztatikus

víz, Na: 10 m ≈ 1 bar ólom, LBE: 1 m ≈ 1 bar

λ [W/(m·K)] µ [Pa·s]

0.59

70

16

13

0,954 · 10-4

2,65 · 10-4

17,7 · 10-4

13,4 · 10-4

olvadáspont [°C] forráspont [°C]

folyékony fémek vezetőképesség

ρ [kg/m3]

magas

Elektormágneses berendezések, műszerek

98

328

125

(Na magas nyomáson közel átlátszó)

327

883

1750

1670

ólom és LBE nem átlátszó lehet belenézni a zónába

nem

ólom-bizmut eutektikum (LBE) (1 bar; 427 °C)

10 480

10 150

cp [J/(kg·K)]

150

150

λ [W/(m·K)]

16

13

µ [Pa·s]

0


17,7 ·

10-4

13,4 · 10-4

olvadáspon t [°C]

328

125

forráspont [°C]

1750

1670

• Probléma: a bizmutból nagy mennyiségben keletkezik radioaktív polónium 600 MWe : kb 1 kg/év

Azonos teljesítmény esetén LBE esetén mintegy 10 000-szer több Po keletkezik, mint Pb esetén • Bi: Kevés, nehezen elérhető, drága! • Energetikai reaktorok esetén az LBE alkalmazása nem javasolt


KoNET - LFR, MSR

9


KoNET - LFR, MSR

Ólom és nátrium

Ólom és nátrium

Sűrűség: Pb kb 10-szer nagyobb sűrűségű, mint Na LFR esetén masszív konstrukcióra van szükség pl. a földrengésállóság miatt (-), az ólom igen jó árnyékoló gamma sugárzás ellen (+) nátrium (1 bar; 427°C) ρ [kg/m3]

847

ólom (1 bar; 427 °C) 10 480

Pb mintegy 6-szor nagyobb viszkozitású, mint a Na LFR hűtőközeg sebesség korlátja 3 m/s az erős erózió miatt (-)

1300

λ [W/(m·K)]

70

µ [Pa·s]

2,65 ·

10-4

150 16 17,7 · 10-4

olvadáspont [°C]

98

328

forráspont [°C]

883

1750



ρ [kg/m3]

847

10 480

cp [J/(kg·K)]

1300

150

λ [W/(m·K)]

70

16

2,65 · 10-4

17,7 · 10-4

olvadáspont [°C]

98

328

forráspont [°C]

883

1750

SFR esetén ez a korlát 10 m/s (+) µ [Pa·s]

Olvadáspont: Pb lényegesen magasabb hőmérsékleten szilárdul cp [J/(kg·K)]

LFR esetén ez biztonsági és karbantartási hátrányt jelent (-) Forráspont: Pb forráspontja lényegesen magasabb, mint Na LFR esetén forrás krízis nagyon kis valószínűségű (+), kis kockázatot jelent a pozitív üregegyüttható*

SFR nagy biztonsági hátránya a nagy pozitív üregegyüttható (akár 8-10$ össz) (-)


Hővezetés Pb hővezetése négyszer rosszabb, ez jelentősebb hőmérséklet-inhomogenitásokat jelent, alacsonyabb teljesítmény-sűrűség engedhető meg Reakciók, kompatibilitás más anyagokkal LFR esetén nem kell exoterm reakciókkal számolni (+) SFR intenzív exoterm reakció (égés, robbanás) vízzel és levegővel (-) Korrózió LFR karbantartási problémát jelent, hogy Pb korrodálja a rozsdamentes acélt (-). A meleg pontokról elszállítja a szennyeződést és a hidegebb pontokon alakul ki lerakódás. Fe, Cr, Ni eltérően oldódik Pb-ban, ez megváltoztatja a rozsdamentes acél tulajdonságait.

SFR esetén az alacsony forráspont jelentős biztonsági hátrányt jelent, mert az alacsony forráspont a kilépő hőmérséklettel van kapcsolatban (-)

Ez a hőmérsékletre is korlátot jelent: korrózió mértéke több mm/év 500°C felett

*: ezzel együtt gázbuborék kerülhet a zónába a fedőgázból történő beszippantással vagy GF csőtöréskor! KoNET - LFR, MSR

10

SFR Na nem korrozív (+) 11

KoNET - LFR, MSR


12

Ólom és nátrium



ρ [kg/m3]

847

10 480

cp [J/(kg·K)]

1300

150

λ [W/(m·K)]

70

16

µ [Pa·s] olvadáspont [°C] forráspont [°C]

2,65 ·

10-4

17,7 ·

98 883

10-4

328

Ólom és nátrium

Pb üregegyütthatója kisebb

További biztonsági kérdések:

Pb moderációs hatása alacsonyabb. Forrás esetén kevésbé keményedik a spektrum.

Pb-víz kontaktus gőzrobbanáshoz vezethet.

Nagyobb szórási hatáskeresztmetszet. Üreg keletkezése nagyobb neutron kiszökést eredményez. Ez nem érvényes lokálisan, a zóna közepén kialakuló üregre. Pb abszorpciós hatáskeresztmetszete kisebb. Adott P/D esetén üreg miatti reaktivitás változás kisebb, tehát nagyobb P/D megengedhető. Erre az alacsonyabb hőkapacitás miatt is szükség van.



ρ [kg/m3]

847

10 480

cp [J/(kg·K)]

1300

150

λ [W/(m·K)]

70

16

µ [Pa·s]

1750

KoNET - LFR, MSR


13

2,65 ·

10-4

Zónaolvadék reakcióba lép a Na-mal, Na gőz robbanást okozhat. Törmeléket magával viszi az Pb hűtőközeg -> elzáródás Mindkét hűtőközeg esetén kell számolni az újra kritikussá válással súlyos baleset esetén. Az LFR esetén ez kisebb jelentőségű, mert az aktinidák jól oldódnak az Pb-ban.

17,7 · 10-4

olvadáspont [°C]

98

328

forráspont [°C]

883

1750

KoNET - LFR, MSR


14

BN-600

SFR – történelem Belojarszk-3

SZU/Oroszország: mintegy 140 reaktorév tapasztalat

Üzembe helyezve 1980-ban, jelenleg is üzemel Kereskedelmi üzem 1982 óta, villamos energia és távhő (Zarechny) Átlagos telj. kihasználási tényező 74 %

Franciaország: mintegy 40 reaktorév tapasztalat.

KoNET - LFR, MSR


15

KoNET - LFR, MSR


16

BN-600

BN-600 Fő jellemzők

3 hurkos konstrukció Medence típusú reaktor (primer szivattyúk

Hőteljesítmény

1470 MWth

(FKSZ-ek) és a primer hőcserélők a reaktortartályban)

Nettó villamos teljesítmény

600 MWe

Egyciklusú gőzfejlesztő, mely 8 szegmensből áll. Mindegyik szegmens külön-külön izolálható Na és víz oldalon is 3 zónakialakítás (üzemelés közbeni átalakítások)

Átrakás: • kétszer egy évben (kampányhossz: 160 nap) • Zóna hőmérséklet: 220-250°C • Primer FKSZ-ek csökkentett fordulatszámmal üzemelnek (280 rpm) KoNET - LFR, MSR


Na forgalom

25 000 t/h

Zóna belépő/kilépő hőmérséklet

377°C / 500°C

GF belépő/kilépő hőmérséklet a gőzoldalon

241°C / 507°C

gőznyomás

137 bar

ÜA

UO2

Maximális lineáris teljesítménysűrűség

47 kW/m

Maximális burkolat hőmérséklet

700°C

Liquid Metal Cooled Reactors: Experience in Design and Operation, IAEA-TECDOC-1569 17

KoNET - LFR, MSR

BN-600


18

BN-600 Üzemeltetés közben tapasztalt problémák: •

huszonhét esetben Na szivárgás ebből öt az aktív (primer) Na hurkon tizennégy Na égéssel járt

•

Legsúlyosabb üzemzavar valószínűsíthetően INES 1 (telephelyen belüli hatás) Na szivárgás egy 48 mm átmérőjű kisegítő vezetéken 1993-ban Oka: egy T-csatakozás ciklikus terhelés miatti fáradásából adódó repedések. A Tcsatlakozásban alacsony és magas hőmérsékletű Na keveredett 1993 óta nem volt Na-szivárgás, 1991 óta nem volt olyan eset, ahol GF-ben víz és Na reakcióba lépett volna

•

Burkolat inhermetikusság miatti esetek, az üzemanyag duzzadásával járó esetek Feszültség korrózió miatt Duzzadásálló, hidegen megmunkált ausztenites acéllal javították

•

SZBV rúd vezetőcsövek rugalmasságvesztése A vezetőcsövek élettartamát reaktorfizikai módosításokkal érték el

KoNET - LFR, MSR


19

KoNET - LFR, MSR


20

Phenix

Phenix

Üzembe helyezve 1973-ban Kereskedelmi üzem 1982-től Leállítva 2009 márciusában A hálózatról lekapcsolt reaktoron 2009 nyarán kísérleteket végeztek Átlagos telj. kihasználási tényező: 51 % 4,5 zónányi üzemanyagot reprocesszáltak Demonstrációs célok: •Vizsgálat és javítások lehetősége •Tenyésztés lehetősége •ÜA ciklus zárásának lehetősége •Transzmutációs és üzemanyagkísérletek

KoNET - LFR, MSR


21

KoNET - LFR, MSR

Phenix


22

Phenix Fő jellemzők

háromkörös Medence kialakítás, primer FKSZ-ek és a primer hőcserélő a reaktortartályban

Reaktortartály méretek: •

Magasság: 12 m

•

Belső átmérő: 11,8 m

Zóna méretek: •

Aktív magasság: 850 mm

•

Belső átmérő: 960 mm

Hőteljesítmény

563 MW th


250 MW e

Na mennyiség a zónában

800 t

Zóna kilépő hőmérséklet

560°C

Zóna forgalom

3 t/s


246°C / 512°C

Gőznyomás

168 bar

ÜA

PuO2-UO2

Átlagos lineáris teljesítmény-sűrűség

27 kW/m

Szivárgásvizsgálat H érzékelő rendszerrel Maximális Na üregegyüttható +2,9$ (össz)

KoNET - LFR, MSR


23

KoNET - LFR, MSR


24

Phenix

KoNET - LFR, MSR


Phenix

25

KoNET - LFR, MSR

Phenix


26

Phenix •Transzmutációs és üzemanyag-kísérletek

ÜA kapszulával besugárzáshoz

KoNET - LFR, MSR


27

KoNET - LFR, MSR


28

Phenix

Superphenix

Nagy komponensek üzemeltetési tapasztalata primer szivattyúk megbízhatók IHX szivárgások GF: öt esetben Na-víz rerakció Építés kezdete 1976 Kereskedelmi üzem 1986-tól

Anyagviselkedési tapasztalatok egyes acélötvözetek nem tűrték jól a Na kontaktust

KoNET - LFR, MSR


Leállítva 1998-ban SP: 2990 MWth; 1242 MWe , alaperőművi kapacitás

29


KoNET - LFR, MSR

30

Superphenix

Superphenix

Fő jellemzők – SP

Háromkörös

Hőteljesítmény

2990 MW th

Medence kialakítás, primer FKSZ-ek és a primer hőcserélő a reaktortartályban


1242 MW e

Na a zónában

3200 t

Zóna kilépő hőmérséklet

542 °C

Zóna forgalom

15,7 t/s


237°C / 490°C

Gőznyomás

177 bar

ÜA

PuO2-UO2


620 °C

Átlagos lineáris teljesítménysűrűség

30 kW/m

Reaktortartály méretek: •

Magasság: 17,3 m

•

Belső átmérő: 21 m

Zóna méretek: •

Aktív magasság: 1000 mm

•

Belső átmérő: 2600 mm

Maximális Na üregegyüttható +5.9$ KoNET - LFR, MSR


31

KoNET - LFR, MSR


32

Superphenix

ÜA

ÜA

Superphenix A reaktor nátriummal való feltöltése 2 hónapot vett igénybe, a tartály nitrogénnel 150°C-ra történő felhevítése után

tenyésztő kazetták

neutronforrás

Az első hosszabb leállás 1987. május és 1989. január között volt egy Na táptartályban jelentkező szivárgás miatt (20 l/h). A tartály nem volt javítható, kicserélték. Az eset után a teljes rendszert ellenőrizték. Második hosszabb leállás 1990. július és 1992. július között. Ennek oka az volt, hogy levegő jutott az argon rendszerbe, ami megengedhetetlen oxidációt okozott a primer Na-ban. A primer Na közeget megtisztították, a tisztítás nyolc hónapot vett igénybe. További tizenhat hónapig tartott a reaktor átvizsgálása és a biztonsági elemzések elvégzése.

SZBV tartalék SZBV

Üzemzavarok összesen:

árnyékolás/ reflektor

• 2

INES 2 üzemzavar

• 6

INES 1 üzemzavar

• 72 INES 0 esemény (nem biztonsági jellegű) KoNET - LFR, MSR


33

KoNET - LFR, MSR


34

LFR – Történeti háttér

Ezek alapvetően katonai programok, így az üzemeltetési tapasztalattal kapcsolatos információk korlátozottak. KoNET - LFR, MSR


35

KoNET - LFR, MSR


36

LFR koncepciók

USA és EURATOM koncepciók Kisméretű szállítható rendszerek távoli üzembehelyezésre (SSTAR) USA

Orosz:

Közepes méretű rendszerek (ELSY) Európa

Legnagyobb tapasztalat ólom-bizmut eutektikummal Kevés hozzáférhető információ

SSTAR: Small Secure Transportable Autonomous Reactor

Két fő koncepció: SVBR 75/100, BREST 800/1200

zóna élettartam 30 év Az aktív zóna egy fűtőelemköteg 0,98 m hosszú, 1,22 m átmérőjű


KoNET - LFR, MSR

37

20 MW e

Hatásfok

44 %

Primer hűrőközeg

Pb

Primer cirkuláció

természetes

Zóna forgalom

2,1 t/s


420°C / 567°C

Szekunder hűtőközeg

Szuperkritikus CO2

Szekunder közeg maximális nyomás

200 bar

ÜA

Nitrid


650 °C

38

Európai koncepció - ELSY

ELSY: European Lead-cooled System

Tervezési korlátok:

600 MWe nettó teljesítmény

Korlátozott zóna kilépő hőmérséklet: 480°C az SFR ~550°C-ához képest, korróziós és eróziós problémák miatt

Nem igazolt, hogy működőképes koncepció (modellezési és kísérleti hiányosságok)

Korlátozott primer közeg sebesség: 3 m/s az SFR ~10 m/s-ához képest, eróziós problémák miatt

ELSY

KoNET - LFR, MSR

45 MW th



KoNET - LFR, MSR


SSTAR Hőteljesítmény



600 MW e

hatásfok

42 %

Primer hűtőközeg

Pb

Primer cirkuláció

Kényszerített

Zóna forgalom

2,1 t/s


400°C / 480°C

Szekunder közeg

víz / gőz

Gőz hőmérséklet

450 °C

Gőznyomás

180 bar

ÜA

MOX és nitrid


~ 550 °C

Anyag-kompatibilitási problémák a szivattyú járókeréknél Rosszabb hőátadás az alacsonyabb sebesség miatt

Szeizmikus problémák: Nagy mennyiségű ólom a reaktortartályban

39

KoNET - LFR, MSR


hatalmas tömeg

40



Cél: kompakt belső hőcserélő/GF. Szivattyú-GF integráció. Meleg és hideg kollektor

Eltávolítható szivattyú, GF, Szívócsonk és reaktor belsőelemek. GF a leszálló akna felső részében, így alacsonyabb a reaktortartály. Az FKSZ-GF kompakt térfogata kisebb, áramlási ellenállása kisebb.

GF

FKSZ

A tartályt állandó hőmérsékleten tartják (pl. teljesítmény-követésnél).

Zóna

KoNET - LFR, MSR


41

Kalpakkam, PFBR


42

Kalpakkam, PFBR

500 MW, Na hűtésű, MOX üzemanyag

KoNET - LFR, MSR


KoNET - LFR, MSR

500 MW Na hűtésű MOX üzemanyag

43

KoNET - LFR, MSR


44

Kalpakkam, PFBR

Kalpakkam, PFBR

primer Na hűtőkör (Primary Sodium Circuit - PSC), szekudner Na hűtőkör (Secondary Sodium Circuits - SSC), üzemzavari hűtés (Safety Grade Heat Removal Circuits - SGDHRC) tercier (víz) kör (Steam-Water Circuit - SWC), közbenső hőcserélő (Internal Heat Exchanger – IHX). KoNET - LFR, MSR


45

KoNET - LFR, MSR

Kalpakkam, PFBR

KoNET - LFR, MSR



46

Kalpakkam, PFBR

47

KoNET - LFR, MSR


48

Sóolvadék, mint hőszállító közeg

Sóolvadékok Zárójelben: • Metallurgia

– – – – –

Extrakció Elektrolízis nemes- és ritkafémek kinyerési és tisztítási folyamatai oxidáció elleni védelem fémbevonatok készítése


KoNET - LFR, MSR

49

Na

66% LiF - 34% BeF2

víz

Olvadáspont [°C]

98

458

0

Hőmérséklet* [°C]

500

700

300

Hőkapacitás [kJ/kg°C]

1,3

2,34

5,62

Sűrűség [kg/m3]

841,3

2050

720

Hővezetési tényező [W/m°C]

66,8

1

0,558

Dinamikai viszkozitás [g/ms]

2,21

5,6

0,087

Sóolvadék, mint hőszállító közeg Hélium

Nátrium


KoNET - LFR, MSR

50

Sóolvadékos tornyok – Naptornyok

Sóolvadék

• Solar 2 (USA, Mojave-sivatag) sóolvadékos torony, 10 MWe – 60% NaNO3 - 40% KNO3 – sóolvadék melegági hőmérséklete: 565 °C – hidegági hőmérséklet: 288 °C

Magas nyomás Légköri átlátszó nem átlátszó forráspont: 883ºC Inert hevesen reagál KoNET - LFR, MSR


Légköri átlátszó > 1200ºC enyhén reaktív 51

KoNET - LFR, MSR


52

Sóolvadékos tornyok Salt

Composition

Tmelting

Tmax

Density at 300°C

Sóolvadék, mint reaktoros hűtőközeg Tulajdonságokból adódóan csökkenthető a perendezések mérete (hossza, nagysága, száma) és a költségek (csövek, hőcserélők, szelepek, stb.)

Used in solar power stations

1m átmérőjű csövek száma 1000 MW(t) elszállítására 100ºC hűtőközeghőmérséklet-emelkedés esetén

Hitec

7%NaNO3 40%NaNO2 53%KNO3

142°C

535°C

1.6

THEMIS (2.5MWe)

Drawsalt

46%- 60%NaNO3 54%- 40%KNO3

220°C

600°C

1.9

SOLAR 2 (10MWe)

sóolvadék FP>1200°C

Corrosion (but can be controlled by adding oxides) Note: Fluorides under consideration for AHTRs and MSRs ENEA/La Casaccia doc

Víz (PWR)

Nátrium (LMR)

Hélium

Nyomás (MPa)

15,5

0,69

7,07

0,69

Kilépő hőm. (ºC)

320

540

1000

1000

6

6

75

6

hűtőközeg seb. (m/s)

Sóolvadék

SOURCE C.W. FORSBERG et al, ICAPP’07)

KoNET - LFR, MSR


53


KoNET - LFR, MSR

Sóolvadékos reaktor

03-258

54

Sóolvadékos reaktor Referencia MSR paraméterei

Reaktorparaméter Nettó teljesítmény, MWe Teljesítménysűrűség, MWhőm–3 Nettó átalakítási hatásfok, % Olvadt só – belépő hőmérséklete, °C – kilépő hőmérséklete, ºC Moderátor Energiaciklus Neutronspektrum

KoNET - LFR, MSR


55

KoNET - LFR, MSR

Referencia érték 1000 22 44-50 565 700 (850 hidrogéntermelés esetén) Grafit Multi újrahevítésű, rekuperatív héliumos Brayton-ciklus Termikus


56

Sóolvadékos reaktor történet


Aircraft Nuclear Propulsion program (1946-61) • Aircraft Reactor Experiment (2,5 MWth) • Aircraft Reactor Test („Fireball”, 60 MWth) – NaF-ZrF4-UF4

Fő jellemzők • Jó neutron-hasznosítás: alkalmazható aktinida égetésre (transzmutációra) vagy hasadóanyag-tenyésztésre • Magas hűtőközeg-hőmérséklet – alkalmas lehet hidrogéntermelésre, folyamathő hasznosításra • Sóolvadékok alacsony nyomáson tarthatók • Folyékony üzemanyag: folyamatos, üzem közbeni lehetőség összetétel változtatására, hasadási termékek, mérgek, stb. kivonására • Magas rendelkezésre állás • Th is hasznosítható (Th-U-233 ciklus) • Fluorid sóolvadékok: NaF/ZrF4 • Sóolvadékok nem reagálnak hevesen vízzel • Kompatibilitási problémák/kérdések • Korróziós problémák KoNET - LFR, MSR


Full-Scale ART Model

Full-Scale ART Model 57

„There were two people at the [Manhattan Project] metallurgical laboratory, Harold Urey, the isotope chemist, and Eugene Wigner, the designer of Hanford, both Nobel Prize winners who always argued that we ought to investigate whether chain reactors, engineering devices that produced energy from the chain reaction, ought to be basically mechanical engineering devices or chemical engineering devices. And Wigner and Urey insisted that we

ART Building

KoNET - LFR, MSR


58

„Hagyományos” vs. sóolvadékos Szilárd ÜA, víz hűtés, magas nyomás p: ~130 bar, Tmax: ~330°C

Folyékony ÜA, egyben hűtőközeg, alacsony nyomás, magas hőmérséklet p: ~1 bar, Tmax: akár 700-800°C

Off-gas System Primary Salt Pump

Secondary Salt Pump

NaBF4 _ NaF Coolant Salt o

454 C

ought to be looking at chemical devices – that means devices in which the fuel elements were replaced by liquids.”

o

o

621 C

704 C

Purified Salt

Graphite Moderator Reactor Heat Exchanger o

566 C Chemical Processing Plant

LiF _ BeF2 _ ThF4 _ UF4 Fuel Salt

7

Steam Generator o

538 C Freeze Plug

The Proto-History of the Molten Salt System Alvin M. Weinberg, Former Director, Oak Ridge National Laboratory February 28, 1997

TurboGenerator Critically Safe, Passively Cooled Dump Tanks (Emergency Cooling and Shutdown)

Molten Salt Breeder Reactor • • • KoNET - LFR, MSR


59

KoNET - LFR, MSR

2250 MWth, 1000 MWe 71,7% 7LiF - 16% BeF2 - 3% ThF4 - 0,3% UF4 (mol%) tenyésztési tényező: 1,065


60

„A” sóolvadékos reaktor


Molten Salt Reactor Experiment (1965-1969) • 10 MW (8 MW) • 70,7% 7LiF - 16% BeF213% ThF4 - 0,3% UF4 (mol%) • 93% U-235 • Belépő hőmérséklet: 635 °C • Kilépő hőmérséklet: 663 °C szivattyú

reaktortartály

hőcserélő Yamaji Bogdán BME NTI

KoNET - LFR, MSR

61

KoNET - LFR, MSR



62


Molten Salt Reactor Experiment (1965-1969)

• Molten Salt Breeder Reactor • 2250 MWth, 1000 MWe • 71,7% 7LiF - 16% BeF2 13% ThF4 - 0,3% UF4 (mol%) • tenyésztési tényező: 1,065

Off-gas System Primary Salt Pump

Secondary Salt Pump

NaBF4_ NaF Coolant Salt o

454 C

o

o

621 C

704 C

Purified Salt

Graphite Moderator Reactor Heat Exchanger o

566 C Chemical Processing Plant

LiF _ BeF2 _ ThF4 _ UF4 Fuel Salt

7

Steam Generator o

538 C Freeze Plug TurboGenerator Critically Safe, Passively Cooled Dump Tanks (Emergency Cooling and Shutdown)

KoNET - LFR, MSR


63

KoNET - LFR, MSR


64


Sóolvadékos reaktor Technológiai háttér • Viszonylag sok információ F-alapú sóolvadékokról • Grafit, grafit moderátor alkalmazhatósága • stabil üzemelés az MSRE-nél • gázelvonás megoldása • különböző összetételek alkalmazása (U-235, U-233, Pu) • koncepcióterv 1000 MWe sóolvadékos reaktorra • Hastelloy N ötvözet megfelelősége

KoNET - LFR, MSR


65

A sóolvadékok nukleáris alkalmazása - előnyök • Folyékony üzemanyag – Nem kell üzemanyagot szerelni – „Zónaolvadás” – Folyamatos üzemanyag betöltés és csere – Összetétel változtatása leállás nélkül • Folyékony hűtőközeg – Magas hőmérsékletek jó termikus-elektromos energiaátalakítási hatásfokot adhatnak – Ellentétben a folyékony fémekkel (Na) kontaktus esetén nem lép heves reakcióba vízzel vagy levegővel • Egyes konstrukciókban a gyúlékony anyagok mellőzhetők

KoNET - LFR, MSR


67


KoNET - LFR, MSR

66

A sóolvadékok nukleáris alkalmazása - előnyök rendszer közege

kompaktság

sugárállóság

kémiai stabilitás

gőznyomás

Aktinidaoldó képesség

korrózióállóság

vizes

–

+/–

+/–

–

+/–

+

klorid olvadék

+

+

+/–

+/–

+

–

fluorid olvadék

+

+

+

+

+

+

folyékony fém

+

+

+/–

+/–

+

–

KoNET - LFR, MSR


68


A sóolvadékok nukleáris alkalmazása - hátrányok

(∗)

Kutatási feladatok • Aktinidák, lantanidák oldhatósága fluorid sókban, aktinidák kezelése magas aktinida koncentráció mellett • A sóolvadék kémiai tulajdonságainak hosszú távú alakulása, az üzemeltetés során és a hulladék-elhelyezéskor • Magasabb hőmérsékleten kérdéses a friss és a részlegesen kiégetett üzemanyagsó kompatibilitása • Fém lerakódások a hőcserélő primer oldalán (nemesfémek) • Sóolvadék kezelése, elválasztás, reprocesszálási technológiák fejlesztése, valamint a meglévő eljárások egyszerűsítése

• • • •

Erősen korrozív közeg Összetevők és keletkező termékek oldhatósága eltérő viszonylag magas olvadáspont Primerkör (hőcserélő) sugárterhelése, sugárkárosodása • Komplex neutronfizika, nem csak az aktív zónában! – hol van az aktív zóna határa? – későneutron anyamagok kikerülhetnek az aktív zónából • mennyi idő alatt jut vissza • hogyan változtatja az üzemanyag keringése a reaktivitást

• Non-proliferációs kérdések KoNET - LFR, MSR



69

(∗)



70


Kutatási feladatok • Üzemanyagfejlesztés • Hatáskeresztmetszet adatok • Információk értékelése a megfelelő üzemanyagsó kiválasztásához • Korróziós és ridegedési vizsgálatok az anyagok élettartamának meghatározására, a megbízhatóság vizsgálata • Trícium kezelési és ellenőrzési technológia kifejlesztése • Kémiai kezelési módszerek kidolgozása, REDOX ellenőrzés, folyadék-folyadék extrakció és sótisztítás • Grafit szigetelése, a stabilitás vizsgálata és javítása • Részletes koncepciótervek kidolgozása, tervspecifikációk fejlesztése KoNET - LFR, MSR

KoNET - LFR, MSR

Anyagtudományi kutatási feladatok • Egyszerű kémiai folyamatmodell kidolgozása a kezdeti üzemanyagtöltettől a végső hulladékformáig • Hasadási termékek viselkedésének jellemzése, elválasztási folyamatok meghatározása • Az üzemanyag sóolvadéknak tudnia kell az alábbiakat: – megfelelő neutronfizikai jellemzők (az oldószer nhatáskeresztmetszete kicsi legyen) – sugárzással szembeni stabilitás – megfelelő termikus és transzport jellemzők (alacsony olvadáspont, stabilitás, alacsony gőznyomás, megfelelő hőátadás és viszkozitás) – kémiai megfelelés 71

KoNET - LFR, MSR


72



Anyagtudományi kutatási feladatok • Transzmutáció (aktinida égetés) esetén növelni kell a TRU koncentrációt, ehhez magasabb oldhatóság szükséges • NaF-ZrF4 helyett BeF4 • Th alkalmazásánál szintén vizsgálni kell a megfelelő közegösszetételt • Üzem közbeni felügyelet és szabályozáshoz méréstechnikák kifejlesztése szükséges • Megfelelő fémek kiválasztása (reaktortartály, szerkezeti anyagok), kompatibilitás figyelembe vételével. Kedvező tapasztalatok: – nikkel bázisúak: INOR-8, Hastelloy B és N, Inconel – nióbium-titán ötvözetek KoNET - LFR, MSR


Anyagtudományi kutatási feladatok • INOR-8 – – – –

erős, stabil, korrózióálló, jól hegeszthető, alakítható teljesen kompatibilis a grafittal kompatibilis a Na-mentes sókkal 815 °C-ig kompatibilis a Na-sókkal 700 °C alatt

• Hastelloy N – fluoridsókhoz kifejlesztett módosított ötvözet – 800 °C alatt – korrózióálló, de ennek végleges bizonyítása hosszú idejű tesztelést igényel

• Ni-bázisú ötvözetek – sugárzás mellett He-ridegedés 73

KoNET - LFR, MSR



Anyagtudományi kutatási feladatok • Grafit – moderátor – 4-10 évente cserélni kell, hosszabb élettartam eléréséhez kutatás szükséges

• Szekunder hűtőközeg sóolvadék – kedvezőbb üzemi körülmények (nincs sugárzás, nincs aktinida és hasadási termék, alacsonyabb hőmérséklet) – NaBF4-NaF kompozíció – szekunderköri elemek korrózióállóságát is meg kell oldani

KoNET - LFR, MSR



75

74

(∗)

Energiaátalakítási ciklus fejlesztése • Továbbfejlesztett He-gázturbinás ciklus nagyobb átalakítási hatásfokot eredményez • Lehetőség a trícium befogására • Szekunder sóolvadék és hélium nem reagál Komponensfejlesztés • Megfelelő élettartamú szivattyúk fejlesztése • Védelem a szivattyú motorokhoz, tömítések • Hőcserélő kifejlesztése • Teszthurkok üzemletetése széles hőmérséklet-tartományban

KoNET - LFR, MSR


76


(∗)

Sóolvadékos reaktor koncepciók

Biztonság • A jelenlegi atomerőművekével azonos biztonsági elemzési rendszer kidolgozása szükséges • Ennek megfelelő elemzésekkel igazolni kell a nukleáris biztonsági megfelelést

Üzemanyagciklus

• Háromkörös – szekunder: 92% NaBF4 - 8% NaF (mol%) – tercier: víz/vízgőz


77


78

• Homogén, egyterű koncepció • Névleges paraméterek: Gas line

Lead Shielding

Fuel salt level

• Sóolvadék összetétele (primer): (58NaF-15LiF-27BeF2)+1,1AnF3 • 4 belépőcsonk, alsó csatlakozás, terelőlemezes alsó keverőtér, reflektor, perforált lemez, gyűjtőkúp, 4 kilépőcsonk • Háromkörös

KoNET - LFR, MSR

Sóolvadékos reaktor koncepciók - MOSART

• Homogén, egyterű koncepció • Névleges paraméterek: 2400 MWth, 1000 MWe 10 000 kg/s Belépési hőmérséklet: 600 °C Kilépési hőmérséklet: 715 °C

2500 MWth, 1000 MWe 10 700 kg/s Belépési hőmérséklet: 620 °C Kilépési hőmérséklet: 720 °C

LiF - 34% BeF2 (mol %) • 4 belépőcsonk, alsó keverőtér, perforált lemez, 4 kilépőcsonk a gyűjtőkúpból

Sóolvadékos reaktor koncepciók - MOSART – – – –

– – – –

• Sóolvadék összetétele (primer): 66%

• Laboratóriumi körülmények között sikerült maximalizálni a konverziós tényezőt, de ez nagy sótérfogatokat és hulladékmennyiséget jelentett • Egységnyi konverziós tényezőjű rendszer alapos kidolgozása szükséges • Folyamat egyszerűsítése szükséges • Hulladékkezelés, hulladékformák kialakítása • Proliferáció-állóság bizonyítása KoNET - LFR, MSR

• Homogén, egyterű koncepció • Névleges paraméterek:

Reflector

Shielding

Fuel salt outlet Reflector cooling

Reflector Support ring Vessel

Distribution plate Fuel salt inlet window Shielding

Fuel salt inlet

1000mm

Fuel salt drain line

0

– – – –

Pump

Reactor

2400 MWth, 1000 MWe 10 000 kg/s Belépési hőmérséklet: 600 °C Kilépési hőmérséklet: 715 °C

• Sóolvadék összetétele (primer): (58NaF-15LiF-27BeF2)+1,1AnF3 • 4 belépőcsonk, alsó csatlakozás, terelőlemezes alsó keverőtér, reflektor, perforált lemez, gyűjtőkúp, 4 kilépőcsonk • Háromkörös

Heat exchanger Fuel salt drain line

FIG. 1.4.1. MOSART core (option 1)

FIG. 1.4.2. MOSART fuel circuit (option 1)

KoNET - LFR, MSR


79

KoNET - LFR, MSR


80

Sóolvadékos reaktor koncepciók - MSFR • Homogén, egyterű koncepció • Névleges paraméterek: – – – –

3000 MWth ~19 000 kg/s Belépési hőmérséklet: 625 °C Kilépési hőmérséklet: 775 °C

• Sóolvadék összetétele (primer): LiF-22,5% UNF4 • 16 szegmens, alul belépő-, felül kilépőcsonkok • Háromkörös

KoNET - LFR, MSR


81

Statisztika. Statisztika. Statisztika. Folyékony fém hűtésű reaktorok, sóolvadékos reaktor. Üzemelő blokkok. Korszerű nukleáris energiatermelés

Recommend Documents