Centrala nucleară cu heliu promite să nu explodeze niciodată. Heliul va servi energie nucleară Reactorul cu heliu

Material de pe Wikipedia - enciclopedia liberă

Turbină cu gaz, reactor modular cu heliu (GT-MHR, GT-MHR) - proiect international pentru a crea o centrală nucleară care să îndeplinească cerințele de siguranță ale secolului 21, bazată pe un reactor răcit cu gaz la temperatură înaltă cu un lichid de răcire cu heliu care funcționează într-un ciclu direct de turbină cu gaz. Denumirea engleză „Turbină cu gaz – Reactor modular cu heliu (GT-MHR)”. Crearea a două reactoare de acest tip, împreună cu reactoarele cu neutroni rapidi BN-600 și BN-800, este inclusă în programul ruso-american pentru eliminarea plutoniului de calitate pentru arme, care nu este necesar în scopuri de apărare. Proiectul este finanțat pe bază de paritate de Rosatom (RF) și Departamentul de Energie și NNSA (SUA).

Elementele de combustibil sunt microsfere de oxid de plutoniu, oxid de uraniu sau nitrură cu un diametru de 0,2-0,5 mm într-o înveliș multistrat de carbon pirolitic și carbură de siliciu. În conformitate cu calculele de proiectare, un astfel de element de microcombustibil este capabil să rețină în mod eficient fragmentele de fisiune ambele conditii normale funcționare (1250°C) și în regimuri de urgență (1600°C).

Ambele module ale centralei reactoare sunt amplasate în puțuri verticale din beton armat situate sub nivelul solului.

Principalele caracteristici tehnice

Avantaje

• Eficiență ridicată;
• Simplificarea proiectării centralelor nucleare datorită proiectării modulare a reactorului;
• Utilizarea combustibilului sub formă de microparticule cu acoperire ceramică multistrat face posibilă reținerea eficientă a produselor de fisiune la rate mari de ardere (până la 640 MW zi/kg) și la temperaturi (până la 1600 °C);
• Utilizarea unui miez inelar cu intensitate energetică scăzută permite eliminarea căldurii reziduale din reactor prin metode naturale de circulație a aerului;
• Redundanță multiplă a sistemelor de control și protecție;
• Utilizarea heliului ca agent de răcire, o substanță care este inertă din punct de vedere chimic și nu afectează echilibrul neutronilor;
• Proiectul prevede, de asemenea, posibilitatea reciclării plutoniului de calitate pentru arme. O instalație GT-MGR, formată din patru reactoare, este capabilă să proceseze 34 de tone din această substanță în timpul funcționării. În conformitate cu documentația de proiect, un astfel de combustibil iradiat poate fi îngropat fără reprocesare suplimentară.

Defecte

• Putere redusă. Pentru a înlocui o unitate VVER-1000, sunt necesare patru unități GT-MGR. Acest dezavantaj este cauzat, pe de o parte, de utilizarea unui lichid de răcire cu gaz, care are o capacitate termică mică în comparație cu apa sau sodiul și, pe de altă parte, o intensitate energetică scăzută. miez ca urmare a îndeplinirii cerințelor sporite de siguranță a reactorului. Această caracteristică pune sub semnul întrebării argumentele pentru simplificarea proiectării centralelor nucleare cu GT-MHR;
• Formarea în moderatorul de grafit a unei cantități mari de carbon β-activ cu viață lungă 14 C, ale cărui metode acceptabile de eliminare nu există și rezervele acumulate în timpul funcționării reactoarelor RBMK sunt deja destul de mari. La lovire mediu 14 C tinde să se acumuleze în organismele vii;
• Lipsa unei scheme acceptabile de reprocesare și eliminare a combustibilului uzat. Procesarea substanțelor care conțin siliciu este foarte dificilă pentru tehnologia chimică. Astfel, combustibilul, odată ce intră în reactor, va fi eliminat pentru totdeauna din ciclul combustibilului nuclear.
• În prezent, nu există o tehnologie industrială dovedită pentru producția de bare de combustibil din plutoniu, ceea ce se datorează chimiei sale extrem de complexe. Înființarea unei astfel de producții necesită investiții de capital comparabile sau chiar depășitoare de investiții în prelucrarea uraniului în întreaga istorie a industriei nucleare. Prin urmare, declarația despre utilizarea GT-MGR pentru eliminarea plutoniului de calitate pentru arme pare destul de dubioasă. De asemenea, trebuie luat în considerare faptul că în lume s-au acumulat doar aproximativ 400 de tone de plutoniu, adică poate fi suficient pentru ciclu de viață doar 10 unități de putere (4 reactoare fiecare).
• Utilizarea heliului ca agent de răcire, deoarece în cazul unui accident asociat cu depresurizarea reactorului, întregul lichid de răcire va fi inevitabil înlocuit cu aer mai greu.

Etape principale

• 1995-1997 - proiect conceptual.
• 2000-2002 - proiectare preliminară.
• 2003-2005 - proiect tehnic.
• 2005-2008 - punerea în funcțiune a producției de combustibil pentru modulul prototip.
• 2009-2010 - punerea în funcțiune a modulului prototip GT-MGR.
• 2007-2011 - punerea în funcțiune a producției de combustibil pentru unitatea de putere cu 4 module AS GT-MGR.
• 2012-2015 - punerea în funcțiune a unității de alimentare cu 4 module AS GT-MG

Dezvoltări mai detaliate ale proiectului sunt în curs de desfășurare.

Perspective de proiect

CU punct profesional Din punctul nostru de vedere, proiectul este destul de interesant, însă, din cauza neajunsurilor enumerate, implementarea sa industrială pare îndoielnică și, în plus, utopică. [ ]

Obiectivele proiectului GT-MGR

• Crearea unei instalații care să îndeplinească cerințele tehnologiilor secolului 21 în ceea ce privește siguranța, competitivitatea și minimizarea impactului asupra mediului.
• Punerea în funcțiune a primei unități GT-MGR până în 2023, cu minimizarea cercetării și dezvoltării prin utilizarea experienței acumulate la nivel mondial în tehnologia HTGR.
• Folosind primul și câteva blocuri ulterioare pentru a arde plutoniul în exces de calitate pentru arme.
• Crearea unei baze pentru aplicarea comercială ulterioară a acestei tehnologii pentru producerea de energie electrică și căldură pentru nevoile casnice și industriale, inclusiv producția de hidrogen.

Caracteristici de design

Barele de combustibil sunt microsfere de oxid de plutoniu, oxid de uraniu sau nitrură cu un diametru de 0,2-0,5 mm într-o înveliș multistrat de carbon pirolitic și carbură de siliciu. În conformitate cu calculele de proiectare, un astfel de element de microcombustibil este capabil să rețină eficient fragmentele de fisiune atât în ​​condiții normale de funcționare (1250 0 C), cât și în modurile de urgență (1600 0 C).

Ambele module ale centralei reactoare sunt amplasate în puțuri verticale din beton armat situate sub nivelul solului.

Principalele caracteristici tehnice

Avantaje

• Eficiență ridicată;
• Simplificarea proiectării centralelor nucleare datorită proiectării modulare a reactorului;
• Utilizarea combustibilului sub formă de microparticule cu acoperire ceramică multistrat face posibilă reținerea eficientă a produselor de fisiune la rate mari de ardere (până la 640 MW zi/kg) și la temperaturi (până la 1600 °C);
• Utilizarea unui miez inelar cu intensitate energetică scăzută permite eliminarea căldurii reziduale din reactor prin metode naturale de circulație a aerului;
• Redundanță multiplă a sistemelor de control și protecție;
• Utilizarea heliului ca agent de răcire, o substanță care este inertă din punct de vedere chimic și nu afectează echilibrul neutronilor;
• Proiectul prevede, de asemenea, posibilitatea reciclării plutoniului de calitate pentru arme. O instalație GT-MGR, formată din patru reactoare, este capabilă să proceseze 34 de tone din această substanță în timpul funcționării. În conformitate cu documentația de proiect, un astfel de combustibil iradiat poate fi eliminat fără reprocesare suplimentară.

Defecte

• Putere redusă. Pentru a înlocui o unitate VVER-1000, sunt necesare patru unități GT-MGR. Acest dezavantaj este cauzat, pe de o parte, de utilizarea unui lichid de răcire cu gaz, care are o capacitate termică mică în comparație cu apa sau sodiul și, pe de altă parte, de intensitatea energetică scăzută a miezului ca urmare a îndeplinirii cerințe crescute de siguranță a reactorului. Această caracteristică pune sub semnul întrebării argumentele pentru simplificarea proiectării centralelor nucleare cu GT-MGR;
• Formarea unei cantități mari de carbon β-activ 14 C, ale cărui metode acceptabile de eliminare nu există și rezervele acumulate în timpul funcționării reactoarelor RBMK sunt deja destul de mari. Când este eliberat în mediu, 14 C tinde să se acumuleze în organismele vii;
• Lipsa unei scheme acceptabile de reprocesare și eliminare a combustibilului uzat. Procesarea substanțelor care conțin siliciu este foarte dificilă pentru tehnologia chimică. Astfel, combustibilul, odată ce intră în reactor, va fi eliminat pentru totdeauna din ciclul combustibilului nuclear.
• În prezent, nu există o tehnologie industrială dovedită pentru producția de bare de combustibil din plutoniu, ceea ce se datorează chimiei sale extrem de complexe. Înființarea unei astfel de producții necesită investiții de capital comparabile sau chiar depășitoare de investiții în prelucrarea uraniului în întreaga istorie a industriei nucleare. Prin urmare, declarația despre utilizarea GT-MHR pentru eliminarea plutoniului de calitate pentru arme pare destul de dubioasă. De asemenea, trebuie luat în considerare faptul că în lume s-au acumulat doar aproximativ 400 de tone de plutoniu, adică poate fi suficient pentru ciclul de viață a doar 10 unități de putere (4 reactoare fiecare).
• Utilizarea heliului ca lichid de răcire, deoarece în cazul unui accident asociat cu depresurizarea reactorului, întregul lichid de răcire va fi inevitabil înlocuit cu aer mai greu.

Etape principale

• 1995-1997 - proiect conceptual.
• 2000-2002 - proiectare preliminară.
• 2003-2005 - proiect tehnic.
• 2005-2008 - punerea în funcțiune a producției de combustibil pentru modulul prototip.
• 2009-2010 - punerea în funcțiune a modulului prototip GT-MGR.
• 2007-2011 - punerea în funcțiune a producției de combustibil pentru unitatea de putere cu 4 module AS GT-MGR.
• 2012-2015 - punerea în funcțiune a unității de alimentare cu 4 module AS GT-MG

Dezvoltări mai detaliate ale proiectului sunt în curs de desfășurare.

Rusia și Statele Unite dezvoltă împreună un proiect pentru centrala nucleară a viitorului. Va depăși semnificativ toate sistemele anterioare în ceea ce privește siguranța, eficiența și mulți alți parametri. Energia nucleară nu și-a spus încă ultimul cuvânt.

În ciuda creșterii utilizării panouri solare, energia eoliană și a valurilor și alte alternative, nu vom putea scăpa de energia „clasică” în următoarele decenii. Și aici, poate, cea mai prietenoasă cu mediul este, în mod ciudat, energia nucleară.

Da, eliminarea combustibilului nuclear uzat este o problemă complexă, dar nu este deloc fără speranță. Citiți despre câteva proiecte: reale și deja în derulare și mai fantastice.

Despre pericolul accidentelor la centralele nucleare vom vorbi mai jos. Dar dacă nu sunt acolo, este ca și cum centrala nucleară nu ar exista – emisiile sale sunt zero.

Dar centralele termice otrăvesc atmosfera cu milioane de tone de otrăvuri și gaze cu efect de seră. Și substanțele radioactive, de altfel, care sunt conținute, să zicem, în cărbune și cad în coșul de fum cu evacuarea stației.

Centralele hidroelectrice par a fi curate. Dar nu le puteți pune peste tot, iar rezervoarele, apropo, schimbă ireversibil natura pe multe zeci de kilometri în jur, afectează habitatul a mii de specii și pun o presiune enormă asupra scoarței terestre (care nu este foarte sănătoasă în zone seismice).

Fuziunea nucleară? Da, există opțiuni interesante (nu ITER), dar asta este pentru viitor. Și în următorii ani, cercul pare să se închidă - vom „arde” uraniu. De exemplu, într-o centrală super-nucleară dezvoltată în comun de Rusia și Statele Unite.

Noul design al centralei nucleare elimină multe sisteme anterioare din proiectarea sa. Și deoarece există mai puține noduri, fiabilitatea este mai mare (ilustrare de pe site-ul web gt-mhr.ga.com).

Pe partea americană, principalul participant la proiect este General Atomics, iar pe partea rusă, Biroul de Proiectare Experimentală de Inginerie Mecanică, numit după I. I. Afrikantov (OKBM) din Nijni Novgorod, aflat în subordinea Agenției Federale pentru Energie Atomică a Federației Ruse. .

Minatom a început cooperarea cu americanii la acest proiect încă din 1993. Și până în prezent, a fost elaborat un proiect preliminar al reactorului (și stației), iar dezvoltări mult mai detaliate au fost în plină desfășurare de mult timp.

Și din moment ce experții văd viitorul energiei nucleare într-un nou tip de centrală nucleară, să aruncăm o privire mai atentă asupra modului în care va funcționa.

Acest sistem se numește Turbină cu gaz - reactor modular cu heliu (GT-MHR), iar în rusă - „Turbină cu gaz - reactor modular cu heliu” - GT-MHR.

Există două idei principale aici. Reactorul nuclear cu răcire cu heliu gazos și cu siguranță inerentă (adică cu cât încălzirea este mai mare, cu atât reacția este mai slabă, pur și simplu bazată pe „fizica” reactorului, până când se oprește în mod natural, fără nicio participare a sistemului de control) și – cea mai scurtă conversie posibilă a energiei heliului fierbinte în energie electrică – folosind o turbină cu gaz din așa-numitul ciclu Brayton închis, cu plasarea unui turbogenerator și a unui reactor în capsule închise subterane.

Fără țevi extinse, pompe, turbine sau mase de alte piese de hardware deasupra suprafeței. Proiectarea centralelor nucleare este mult simplificată.

Zeci de sisteme dispar cu valul unei baghete magice. Fără lichide de răcire intermediare care schimbă faza (lichid-vapori), fără schimbătoare de căldură voluminoase, aproape fără căi pentru o eventuală scurgere de ceva radioactiv.

Totul este încapsulat. În plus, chiar și o defecțiune a sistemului de control nu duce la topirea combustibilului. Totul se stinge automat și se răcește lent datorită disipării căldurii în pământul din jurul stației.

Combustibilul pentru stație este oxidul de uraniu și carbura sau oxidul de plutoniu, realizate sub formă de bile cu diametrul de numai 0,2 milimetri și acoperite cu mai multe straturi de diverse ceramice termorezistente. Bilele sunt „turnate” în tije, care formează un ansamblu și așa mai departe.

Parametrii fizici (greutatea structurii, condițiile de reacție) și geometrici ai reactorului sunt astfel (densitate de energie relativ scăzută, de exemplu) încât în ​​orice scenariu, chiar și pierderea completă a lichidului de răcire, aceste bile nu se vor topi.

Și întregul miez este realizat din grafit - nu există deloc structuri metalice aici, iar aliajul rezistent la căldură este folosit doar în carcasa cea mai exterioară - capsula.

Deci, chiar dacă tot personalul uzinei „iese în unanimitate să bea bere”, nimic groaznic nu se va întâmpla cu natura înconjurătoare - temperatura din inima centralei nucleare va sări la maximum 1600 de grade Celsius, dar miezul va nu se topește. Reactorul în sine va începe să se răcească, eliberând căldură în solul din jur.

Diagrama „inimii” stației. În stânga este o turbină cu un generator electric și schimbătoare de căldură, în dreapta este un reactor (ilustrare de pe gt-mhr.ga.com).

Utilizarea heliului ca agent de răcire promite o serie de avantaje. Este inert din punct de vedere chimic și nu provoacă coroziunea componentelor. Nu își schimbă starea de agregare. Nu afectează factorul de multiplicare a neutronilor. În cele din urmă, este convenabil să-l direcționați către o turbină cu gaz.

Este încapsulat împreună cu pompe și schimbătoare de căldură și se rotește exclusiv pe rulmenți electromagnetici axiali și radiali - rulmenții de rulare sunt furnizați ca rulmenți de urgență.

O mențiune specială trebuie făcută despre schimbătoarele de căldură. Heliul care răcește reactorul face mai multe „bucle” în unitatea de turbină, dând energie maximă turbogeneratorului. În plus, există o răcire suplimentară a heliului cu apă, dar în cazul oricărui accident, sistemul se va descurca complet fără el, reactorul nu se va topi.

Rezultatul tuturor acestor inovații este eficiența centralei - până la 50%, față de 32% pentru centralele nucleare existente, plus - o producție mult mai completă de combustibil nuclear (ceea ce înseamnă mai puțin uraniu iradiat și mai puține deșeuri de exploatare per megawatt). -ora de energie primită), simplitatea proiectării, ceea ce înseamnă costuri de construcție mai mici și control mai ușor peste munca.

Și, desigur, siguranță. Americanii scriu că GT-MGR este prima centrală nucleară din lume care va respecta primul nivel de siguranță.

Sunt 4 în total, dintre care zero este cel mai mare. 0 este fantastic. Nimic nu se poate întâmpla vreodată aici și, în general, nu există materiale periculoase. Primul nivel este cel mai înalt posibil. Cu el, centralele nucleare, în teorie, nu necesită sisteme speciale de siguranță, deoarece reactorul în sine are o „imunitate” internă, structural predeterminată, la orice erori ale operatorului și daune tehnice.

Uzina de la Cernobîl avea, potrivit americanilor, al treilea (cel mai prost) nivel de siguranță, ceea ce înseamnă că sistemul este critic pentru erorile umane sau defecțiunile echipamentelor. Acum multe stații de operare au atins nivelul de siguranță „2”.

OKBM scrie că „Strategia rusă de dezvoltare a energiei nucleare prevede construirea principalei centrale nucleare GT-MGR și a unei unități de producție de combustibil pentru aceasta la Uzina chimică din Siberia (Seversk, Regiunea Tomsk) până în 2010 și până în 2012-2015 - crearea și punerea în funcțiune a primei centrale nucleare cu patru module GT-MGR.”

Diagrama circulației heliului (ilustrare de pe gt-mhr.ga.com).

Americanii, la rândul lor, oferă detalii interesante: deoarece GT-MGR poate consuma nu numai uraniu, ci și plutoniu de calitate pentru arme, astfel de centrale nucleare devin un dispozitiv ideal pentru eliminarea sa, care este nu numai sigur, ci și într-un anumit sens, profitabil. De exemplu, Seversk se va asigura (parțial, desigur) cu energie electrică de la focoasele rusești „reduse”.

Iar plutoniul care va fi descărcat din reactor după „lucrare”, în ceea ce privește parametrii săi, este complet nepromițător pentru utilizarea ipotetică în arme nucleare, ceea ce nu este, de asemenea, rău pentru securitatea mondială.

Dar și Statele Unite sunt interesate de proiect - eficiența termică ridicată a combinației reactor cu heliu-buclă închisă turbină cu gaz„Acesta este un beneficiu colosal, atât din punct de vedere economic, cât și din punct de vedere al protecției mediului.

De adăugat că puterea termică a unei astfel de instalații va fi de 600 megawați, iar puterea electrică – 285 megawați.

Durata de viață estimată a GT-MHR este de 60 de ani. Vor avea timp să dezvolte reactoare industriale de sinteză până atunci sau energie alternativă se va răspândi cu adevărat?

Rusia și Statele Unite dezvoltă împreună un proiect pentru o centrală nucleară a viitorului. Potrivit dezvoltatorilor, va depăși semnificativ toate sistemele anterioare în ceea ce privește siguranța, eficiența și mulți alți parametri. În ciuda creșterii în utilizarea panourilor solare, a energiei eoliene și a valurilor și a altor alternative, nu vom scăpa de energia „clasică” în următoarele decenii. Și aici, poate, cea mai ecologică este, în mod ciudat, energia nucleară.

Ecologiștii spun în mod constant că centralele termice otrăvește atmosfera cu milioane de tone de otrăvuri și gaze cu efect de seră. Centralele hidroelectrice, sau mai degrabă rezervoarele însoțitoare, schimbă ireversibil natura pe multe zeci de kilometri în jur, afectează habitatul a mii de specii și exercită o presiune enormă asupra scoarței terestre.

Noul design al centralei nucleare elimină multe sisteme anterioare din proiectarea sa. Pe partea americană, principalul participant la proiect este compania General Atomics, iar pe partea rusă, Biroul de Proiectare Experimental Mechanical Engineering, numit după I.I. Afrikantov din Nijni Novgorod, subordonat Agenției Federale pentru Energie Atomică a Federației Ruse.

Și din moment ce experții văd viitorul energiei nucleare într-un nou tip de centrală nucleară, să aruncăm o privire mai atentă asupra modului în care va funcționa.

Acest sistem se numește Turbină cu gaz - Reactor modular cu heliu (GT-MHR), iar în rusă - „Turbină cu gaz - heliu modular reactor" - GT-MGR. Participă la crearea unei centrale nucleare fundamental noi număr mare Instituții și organizații americane și rusești, precum și companii din Franța și Japonia.

Noutatea proiectului constă în două postulate principale: un reactor nuclear răcit cu heliu gazos și cu siguranță inerentă (adică cu cât încălzirea este mai puternică, cu atât reacția este mai slabă) și cea mai scurtă conversie a energiei heliului fierbinte în energie electrică folosind o turbină cu gaz. a așa-numitului ciclu Brayton închis. Deoarece capsulele de substanță activă sunt îngropate în pământ, nu este nevoie să folosiți echipamente suplimentare (pompe, turbine, țevi de suprafață), ceea ce simplifică construcția stației și reduce costurile de construcție și întreținere a acesteia.

Totul este încapsulat. În plus, chiar și o defecțiune a sistemului de control nu duce la topirea combustibilului. Totul se stinge automat și se răcește lent datorită disipării căldurii în pământul din jurul stației.

Combustibilul pentru stație este oxidul de uraniu și carbura sau oxidul de plutoniu, realizate sub formă de bile cu diametrul de numai 0,2 milimetri și acoperite cu mai multe straturi de diverse ceramice termorezistente. Metalele foarte reactive sunt „turnate” în tije, care formează un ansamblu și așa mai departe. Parametrii fizici (greutatea structurii, condițiile de reacție) și geometrici ai reactorului sunt astfel (densitate de energie relativ scăzută, de exemplu) încât, în orice caz, chiar și pierderea completă a lichidului de răcire, aceste bile nu se vor topi.

Întregul miez este realizat din grafit - nu există deloc structuri metalice aici, iar aliajul rezistent la căldură este folosit doar în carcasa cea mai exterioară - capsula. Deci, chiar dacă dintr-un motiv oarecare tot personalul uzinei nu poate începe întreținerea echipamentului, temperatura din inima centralei nucleare va crește la maximum 1600 de grade Celsius, dar miezul nu se va topi. Reactorul în sine va începe să se răcească, eliberând căldură în solul din jur.

Funcționarea stației, așa cum sa menționat mai sus, se bazează pe o turbină cu gaz - un reactor modular cu heliu. GT-MGR este un reactor cu gaz grafit asamblat în două module: o unitate de reactor de înaltă temperatură și o unitate de conversie a energiei (WCT). Primul conține miezul și sistemul de control și protecție a reactorului (CPS), iar al doilea include: o turbină cu gaz cu un generator, un recuperator și frigidere. Conversia energiei este un ciclu Brayton cu un singur circuit închis.

Ambele module ale centralei reactoare sunt amplasate în puțuri verticale din beton armat situate sub nivelul solului. Principalele avantaje ale utilizării acestui dispozitiv sunt eficiența sa ridicată și imposibilitatea distrugerii miezului în cazul unui accident. Dezavantajul pe care dezvoltatorii îl evidențiază în acest moment este puterea scăzută. Pentru a înlocui o unitate VVER-1000, sunt necesare patru unități GT-MGR. Acest dezavantaj este cauzat, pe de o parte, de utilizarea unui lichid de răcire cu gaz, care are o capacitate termică mică în comparație cu apa sau sodiul și, pe de altă parte, de intensitatea energetică scăzută a miezului ca urmare a îndeplinirii cerințe crescute de siguranță a reactorului. Dar, la prima vedere, această caracteristică nesemnificativă pune la îndoială argumentele pentru simplificarea proiectării centralelor nucleare cu GT-MHR.