Wikipedia

Kaksoisfluidireaktori

yhdinreaktori

Kaksoisfluidireaktori (engl. dual fluid reactor, DFR) on sulasuolareaktorista kehitetty ydinreaktori, jossa jäähdytysaine ja polttoaine kiertävät toisistaan erillisissä piireissään fluidina.[1] Reaktorin jäähdytyksen ensiöpiirissä on kaavailtu käytettäväksi sulaa lyijyä.[1][2][3] Näin kyseessä olisi nestemäisellä metallilla jäähdytetty reaktori. Sula lyijy toimii myös neutroniheijastimena ja vähentää myös reaktorin gammasäteilyä.[4] Mitään neutronihidastimia ei tarvita eikä käytetä, vaan reaktori on niin sanottu nopea hyötöreaktori.[5] Reaktorin korkean lämpötilan vuoksi voimalalta voidaan odottaa korkeaa termistä hyötysuhdetta. Myös vedyn tuotanto hyvällä hyötysuhteella korkean lämpötilan elektrolyysissä olisi mahdollista.[6][7] Koska reaktorin lämpötila pysyy jäähdytysaineen ja polttoaineen kiehumispisteen alapuolella, kumpaakaan näistä ei tarvitse paineistaa, ja näin reaktoria ei tarvitse sijoittaa paineastiaan.[8][9][10][3] Reaktorin passiivisen turvallisuuden oletetaan myös olevan korkealla tasolla, sillä pääasiassa polttoaineen lämpölaajeneminen estää reaktorin ylikuumenemisen. Kaksoisfluidireaktorista on suunnitelmissa kaksi eri versiota. Enemmän sulasuolareaktoria muistuttava DFR/s käyttää polttoainepiirissään aktinoidien suoloja. Vielä suurempaan tehotiheyteen pääsee DFR/m, jonka polttoainepiirissä virtaa sula metalli.[11] Ensimmäinen kaksoisfluidireaktori aiotaan rakentaa Ruandaan. Sen arvellaan valmistuvan vuonna 2026.[12]

Neljännen sukupolven reaktori

muokkaa

Kansainvälinen järjestö GIF[13] on nimennyt neljännen sukupolven ydinreaktoreihin kuusi merkittävää teknologiaa noin sadan ehdokkaan joukosta[14]:

Näistä kuudesta neljännen sukupolven reaktoriteknologiasta kaksoisfluidireaktori yhdistää kolme: LFR[15], VHTR[16] ja MSR[17].

Nopean reaktorin erityinen etu on mahdollisuus hyödyntää polttoaineenaan muiden ydinvoimaloiden käytettyä polttoainetta, jolloin ongelmalliset pitkäikäiset radioaktiiviset isotoopit saadaan hyödynnettyä ja hajotettua nopeutetusti. Samalla ydinpolttoaine saadaan hyödynnettyä satakertaisesti.[18]

Kaksoisfluidireaktori on valittu Puolan ydinenergiaohjelman lupaavaksi tutkimuskohteeksi kaasujäähdytteisen korkean lämpötilan reaktorin ohella.[19][20]

Nopea hyötöreaktori

muokkaa

Hyötöreaktorit, jollainen kaksoisfluidireaktorikin on, kykenevät muuttamaan fissiileiksi ytimiksi fertiilejä ytimiä niin tehokkaasti, että reaktorin käynnistyksen jälkeen reaktori kykenee tuottamaan fertiileistä ytimistä kaiken tarvitsemansa reaktoripolttoaineen.

Reaktorin toiminnan kannalta tärkeimmät ydinreaktiot ovat hyötöreaktio ja fissio eli ytimen halkeaminen.

Plutoniumin fissio

 
 

Yksi plutoniumytimen halkaisu tuottaa kolme nopeaa neutronia. Vaikka joka kerta plutoniumin 239Pu ydin ei halkeakaan, neutronikaappauksessa syntyvä 240Pu ydin on myös fissiili. Suurienergiainen nopea neutroni kykenee halkaisemaan nämä sivutuotteina syntyvät ytimet paljon todennäköisemmin kuin hitaat neutronit.[21][22] Ytimien onnistunut halkaiseminen on oleellista ydinreaktorin neutronitalouden ja ketjureaktion jatkumisen kannalta.

Uraanin hyötöreaktio

 

Hyötöreaktiossa fertiili 238U ydin muuttuu fissiiliksi 239Pu ytimeksi.

Torium polttoaineena

 
Uraanin ja toriumin hyötöreaktioiden vertailua.

Kaksoisfluidireaktori on hyvän neutronitaloutensa ansiosta lupaava ehdokas toriumia polttoaineenaan käyttäväksi hyötöreaktoriksi.[2] Käytettäessä toriumia reaktorin polttoaineena hyötöreaktiossa muodostuu fissiiliä uraanin isotooppia 233U, jonka fissio tuottaa pääosan reaktorin neutronivuosta.

DFR/s

muokkaa

Kaksoisfluidireaktorin ensimmäinen vaihtoehto DFR/s muistuttaa polttoainepiirinsä puolesta sulasuolareaktoria. Reaktorin polttoaineeksi on ajateltu plutoniumtrikloridia, uraanitrikloridia[23][24][25] ja toriumtrikloridia.[26][27][28][2][29][30] Kloorin ja erityisesti 37Cl -isotoopin soveltuvuus nopeisiin hyötöreaktoreihin on tunnettu vuosikymmeniä.[31] Reaktori soveltuu myös köyhän uraanin ja ydinjätteen hävittämiseen.[32][33] Reaktorin lämpötila on korkea, noin 1 000 °C.[6][3][34] Reaktorin lämpötila asettaa vaatimuksia käytettävien suolojen suhteen ja erityisesti sopivan kiehumispisteen kannalta. Korkea lämpötila yhdessä sulan suolan kemiallisen korroosiotaipumuksen kanssa edellyttää paljon reaktorin polttoainepiirin putkistolta.[35][36] Volframin seoksista ja piikarbidista oletetaan saatavan riittävän kestävät materiaalit reaktorin putkistoon.[37][38][39][40]

DFR/m

muokkaa

Kaksoisfluidireaktorin toinen vaihtoehto DFR/m perustuu sulan metallin käyttöön polttoainepiirissä.[11] Fissioituvista metalleista ei tehdä yhdisteitä muiden alkuaineiden kanssa vaan toimintapisteessään reaktorin lämpötila on niin korkea että polttoaineena käytettävät metallit virtaavat sulana.[11] DFR/m odotetaan olevan tehotiheydeltään ja taloudellisuudeltaan vielä parempi kuin DFR/s.[41] Koska polttoaine ei sisällä klorideja, reaktorin rakennusaineena voidaan piikarbidin sijasta käyttää zirkoniumkarbidia ja titaanikarbidia.[42] Reaktorin lämpötila on noin 100° korkeampi kuin DFR/s-versiossa.[43]

Lähteet

muokkaa

Viitteet

muokkaa
  1. ↑ a b IFK, 2013. s. 2. Lainaus: "The Dual Fluid Reactor, DFR, is a novel nuclear reactor concept based on the Generation IV Molten-Salt Reactor (MSR) concept and the liquid-metal cooled reactors (SFR, LFR) with the major improvement that the molten-salt fuel is not used as coolant but the heat is removed in a separate liquid-lead loop."
  2. ↑ a b c Huke et al., 2015. s. 1. Abstract. Lainaus: "For the reference design, pure Lead as coolant is the best choice. It yields a very hard neutron spectrum, fostering a very good neutron economy and therefore making the DFR a preferred thorium breeder but also a very effective waste incinerator and transmuter."
  3. ↑ a b c Hux & Hussein, 2014. s. 4. Lainaus: "The operating temperature of the DFR is 1000 degrees Celsius. At this temperature the efficiency of heat transfer is quite high. We can achieve this because we are using molten lead as a coolant, which melts at 327 degrees Celsius and boils at 1750 degrees. In addition, we can operate at this high temperature at atmospheric pressure; another simplifying factor of our design."
  4. ↑ Huke et al., 2015. s. 4. Lainaus: "An additional outer volume filled with Lead serves as a neutron reflector reducing the loss of neutrons and contributing to the reactivity regulation."
  5. ↑ Patentti WO 2013/041085 A2. Sivulla 18. (PDF-sivulla 19). Lainaus: "Die Neutronenausbeute bei Spaltung des 233U im Thorium-Uran-Brennstoffkreislauf ist beträchtlich niedriger als die bei der Spaltung des 239Pu beim Uran-Plutonium-Kreislauf. Es ist möglich, der DFR als Th-U-Brüter mit schnellen Neutronen zu betreiben mit einer Konversionsrate, die knapp über Eins liegt. Die Transmutation der selbstproduzierten langlebigen Spaltprodukte könnte möglich sein. Dafür muss die PPU das 233Pa abscheiden und zwischenlagern, bis es zu 233U zerfallen ist. Die PPU kann den Übergang von einem U-Pu- zu einem Th-U-Kreislauf kontinuierlich ausgestalten."
  6. ↑ a b IFK, 2013. s. 9. Lainaus: "The operating temperature of 1000 °C provides for the highly efficient production of hydrogen from water through combined electrolysis and thermal decomposition."
  7. ↑ IFK, 2013. s. 9. Lainaus: "At the high temperature of the DFR, hydrogen can be produced from water by high-temperature catalytic thermolysis at high efficiency."
  8. ↑ IFK, 2013. s. 4. Lainaus: "The high boiling point of lead (1749 °C) enables operating temperatures in the very high temperature range, suitable for process chemistry."
  9. ↑ IFK, 2013. s. 26. Lainaus: "For the metals in the used fuel mixture chlorine salts have sufficiently low boiling points yet still higher than 1000 °C as required in the DFR core."
  10. ↑ IFK, 2013. s. 12. Lainaus: "With the DFR operating under normal pressure special safeguards such as an excess pressure containment can be pared down without compromising safety."
  11. ↑ a b c Huke, Armin; et al. The Dual Fluid Reactor Poster, 2015. Lainaus:
    "There are 2 variants of the DFR currently being developed:
    • DFR/m with molten metal fuel
    • DFR/s with molten salt fuel"
  12. ↑ Edwin Ashimwe: Rwanda to host first demo Dual Fluid nuclear reactor The New Times. 12.9.2023. Viitattu 13.9.2023. (englanniksi)
  13. ↑ Generation IV International Forum gen-4.org. Viitattu 9.5.2017. (englanniksi)
  14. ↑ Partanen & Korhonen, 2016. s. 275–276.
  15. ↑ Partanen & Korhonen, 2016. s. 277. Lainaus: "Lyijy- tai lyijy-vismuttiseoksella jäähdytettävät reaktorit ovat joustavia nopeita reaktoreita, jotka voivat käyttää polttoaineenaan köyhdytettyä uraania tai toriumia. Niiden koko voi vaihdella 20 MW "ydinparistosta" modulaarisiin 300–400 MW:n reaktoreihin ja 1400 MW:n isoihin reaktoreihin."
  16. ↑ Partanen & Korhonen, 2016. s. 278–279. Lainaus: "Erittäin korkean lämpötilan reaktorin pääasiallinen tarkoitus on sähkön ja vedyn joustava yhteistuotanto termolyysillä. Se soveltuu hyvin myös eri teollisuusalojen prosessilämmön tuottamiseen. Tavoitelämpötila reaktorilla on 700–950 °C ja tulevaisuudessa yli 1000 °C."
  17. ↑ Partanen & Korhonen, 2016. s. 279. Lainaus: "Polttoaineydin ei esimerkiksi voi sulaa (mikä on pelätty ja kallis onnettomuus ydinreaktoreissa), sillä se on jo sulaneessa muodossa."
  18. ↑ Energiaa ydinjätteestä – "Tulevaisuuden ydinvoima voi olla paljon monimuotoisempaa kuin nykyään" (Studio) Kauppalehti. 26.2.2018. Viitattu 8.3.2018. Lainaus: "Niin sanotuissa nopeissa reaktoreissa on mahdollista hyötää eli lisätä ydinpolttoaineen kestoa niin, että käytännössä samasta uraanista saadaan irti sata-kaksisataa kertaa enemmän energiaa. Toisaalta nopeissa reaktoreissa voidaan "polttaa" pois pitkäaikaiset nuklidit. Jäljelle jäävän jätteen radioaktiivisuus vähenee harmittomaksi murto-osassa siitä ajasta, mitä nykyisten voimaloiden jätteet. Näin ollen loppusijoituksenkin vaatima aika on lyhyempi."
  19. ↑ Ph.D. studentships in new reactor technologies National Center for Nuclear Research. 18.5.2018. Puola. Viitattu 12.8.2018. (englanniksi) Lainaus: "National Center for Nuclear Research invites candidates for a 5-year doctoral studies in reactor physics within the framework of the project “New reactor concepts and safety analyses for the Polish Nuclear Energy Program” POWR.03.02.00-00.I005/17-02. The project will be devoted to the research in the new high temperature reactor technologies: HTGR – High Temperature Gas Cooled Reactor and DFR - Dual Fluid Reactor, which were indicated in the report of the Polish Ministry of Energy Committee for Deployment of High Temperature Reactors. The studies will cover all the aspects of these Generation IV reactors such as the design, the neutronics and reactor physics, the heat processes as well as the safety analyses."
  20. ↑ Polen will den Dual Fluid Reaktor (DFR) bauen Ruhrkultour. 1.8.2017. Viitattu 12.8.2018. (saksaksi)
  21. ↑ https://www.google.com/patents/US3664923
  22. ↑ https://lib.dr.iastate.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=3312&context=rtd&usg=AOvVaw3XZE91DAQYLoMcP6IfzJky
  23. ↑ IFK, 2013. s. 5. Lainaus: "Fast reactors have a net neutron excess which can be used for breeding or for the deactivation of long-lived fission products. This is further amplified by the employment of chlorine salts (preferable 37Cl) which are much less neutron moderating and corrosive than fluorine salts."
  24. ↑ He, 2016. s. 113. Lainaus: "The Dual Fluid Reactor (DFR) is using an undiluted uranium and plutonium tri-chlorides with purified 37Cl as the fuel and pure lead as the coolant."
  25. ↑ Patentti WO 2013/041085 A2. Sivulla 15. (PDF-sivulla 16). Lainaus: "Der Flüssingsalzbrennstoff is eine Mischung aus brütbarem und spaltbarem Aktinid-Salz. Dies kann die Kombination 238U/239Pu oder 232Th/233U sein.Für den Uran/Plutonium-Zyklus benötigt der Reaktor eine anfängliche Menge von Plutonium (alternativ kann auch hochangereichertes 235U verwendet werden, falls kein Pu verfügbar ist). Der Plutoniumanteil hängt wegen des unterschiendlichen Neutronenverlustes an der Oberfläche von der Größe des Reaktorkerns ab. Das Maximum ist ein Plutonium-Anteil von 35%, der für den kleinsten nutzbaren Aufbau erforderlich ist, während größere Ausführungen mit einem kleineren Plutoniumanteil auskommen. Der Rest besteht aus 238U-Salz. Als Salz würde man hier Trichloride bevorzugen, d.h. UCl3 und PuCl3, weil sie über einen geeigneten Temperaturbereich flüssig sind. Zur Vermeidung von Neutronenverlusten durch Einfang am häufigsten Isotop 35Cl, welches dann das langlebige Radioisotop 36Cl erzeugen würde, sollte hier hochreines 37Cl verwendet werden."
  26. ↑ A. Huke et al.: The Dual Fluid Reactor – a New Concept for a Highly Effective Fast Reactor (Abstract) pbnc2014.org. 26.8.2014. Viitattu 12.3.2017. (englanniksi) Lainaus: "The fuel liquid, an undiluted actinide trichloride (consisting of isotope-purified 37Cl) in the reference design, circulates at an operating temperature of 1300 K and can be processed on-line in a small internal processing unit utilizing fractionated distillation or electro refining."
  27. ↑ Wicks & Block, 1963. s. 116. Lainaus:
    "Thorium Trichloride, ThCl3
    ΔH°298=(-242,000) calories per mole
    S298=(43.2) e.u.
    M.P.=(1,100°) K.
    ΔHM=(9,000) calories per mole
    B.P.=(1,890°) K.
    ΔHV=(46,000) calories per mole"
  28. ↑ He, 2016. s. 35. Lainaus: "In particular, instead of the traditional UOX or MOX fuel (e.g. UOx, PuOx or ThOx), the fuel used in MSR is usually in the form of the fluoride or chloride (UClx, PuClx or ThClx)"
  29. ↑ Patentti WO 2013/041085 A2. Sivulla 18. (PDF-sivulla 19). Lainaus: "Alternativ kann die PPU Thorium oder inerte Materialen beimischen, um den Neutronenüberschuss auszugleichen."
  30. ↑ Yemel'yanov & Yevstyukhin, 2013. s. 369. Lainaus: "Thorium trichloride was obtained by the reduction of thorium tetrachloride by aluminium at 430 °C. This compound is a strong reducing agent and decomposes water giving off hydrogen. Above 630 °C thorium trichloride dissociates into the dichloride and tetrachloride."
  31. ↑ Fluid Fuel Reactors, 1958. s. 569. Lainaus: "The search for a liquid for use at high temperatures and low pressures in a fluid-fueled reactor led to the choice of either fluorides or chlorides because of the requirements of radiation stability and solubility of appreciable quantities of uranium and thorium. The chlorides (based on the Cl37 isotope) are most suitable for fast reactor use, but the low thermal-neutron absorption cross section of fluorine makes the fluorides a uniquely desirable choice for a high-temperature fluid-fueled reactor in the thermal or epithermal neutron region."
  32. ↑ Patentti WO 2013/041085 A2. Sivulla 18. (PDF-sivulla 19). Lainaus: "Dem spaltbaren Material im Brennstoffsalz können auch Transurane von abgebrannten Brennelementen beigemischt werden. Wie im Falle der Transmutation von Spaltprodukten würde die PPU Chloridsalze aus den Pellets der abgebrannten Brennelemente verarbeiten, indem sie die chemischen Elemente nach ihren Siedepunkten trennt. Anschließend mischt die PPU das Brennstoffsalz aus den gewünschten Aktiniden so, dass die Kritikalitätsbedingungen im Reaktorkern erfüllt sind. Auf diese Weise kann Natururan, abgereichertes Uran, sogenannter nuklearer Abfall und Thorium als Quelle des Brennstoffs eingesetzt werden."
  33. ↑ Thorium Energy World. Lainaus: "The DFR can completely consume versatile nuclear fuels, i.e. Thorium, natural or even depleted Uranium and spent nuclear fuel."
  34. ↑ Huke et al., 2015. s. 4. Lainaus: "The Lead coolant moves from the bottom to the top which defines the Lead temperatures at those points to 750 °C and 1000 °C, respectively. Consequently, the temperature inside the fuel (tube center, not at the walls) is 1150 °C at the bottom and 1400 °C at the top which defines the highest absolute temperature in the reactor core."
  35. ↑ IFK, 2013. s. 26. Lainaus: "Most material problems exist for thermal reactors, but since the DFR is a fast reactor, the choice of materials opens widely. In principal the material problems were already solved by the MSRE development. In the past more durable and resistant materials were applied in industry. Those materials are rarer and rather expensive. Indeed they are affordable for the DFR because of the high powered small core and the abandonment of fuel elements the required amounts are low."
  36. ↑ Huke et al., 2015. s. 8. Lainaus: "Thus, the fuel salt should be undiluted which renders eutectic compositions dispensable. This results in elevated melting points of about 800 °C and demands high operating temperatures above 1000 °C. Therefore, the materials of the nuclear part must withstand high-temperature corrosion, a high neutron flux, and must have a very good high-temperature stability and creep strength."
  37. ↑ Huke et al., 2015. s. 8. Lainaus: "These extremely resistant materials are known for many ten years but could not be treated in the past. This includes in particular alloys from the extended group of refractory metals, molybdenum- and tungsten-based alloys, as well as high-performance industrial ceramics."
  38. ↑ Huke et al., 2015. s. 8. Lainaus: "Silicon carbide (SiC) is known for its low neutron capture cross-section and is therefore in the focus of today’s nuclear material research. Especially CVD-like SiC, is very resistant against Lead corrosion at more than 1000 °C"
  39. ↑ Silicon Carbide Tubes & Products (Sintered Silicon Carbide (SiC) Properties) SentroTech. Viitattu 11.5.2017. (englanniksi) Piikarbidituotteiden maksimikäyttölämpötilaksi on mainittu 1600 °C.
  40. ↑ Bethune, Lee: Protection Tubes (PDF) (kaupallinen tuoteluettelo) McGoff-Bethune. 19.2.2001. Norcross, Georgia: McGoff-Bethune, Inc.. Viitattu 26.8.2018. (englanniksi) Piikarbidista valmistettujen tuotteiden maksimikäyttölämpötilaksi on mainittu 3000 °F (1649 °C).
  41. ↑ Huke, Armin; et al. The Dual Fluid Reactor Poster, 2015. Lainaus: "DFR/m further increases the power density and further hardens the neutron spectrum. Due to much better heat conduction of the metallic fuel, several improvements of the reactor construction could be additionally made considerably enhancing the economy."
  42. ↑ Lewitz, 2018. s. 41. Suoraan taulukon alimmalta riviltä: "Structural Material. ZrC-20mass%TiC, 6100 kg/m3"
  43. ↑ Lewitz, 2018. s. 43. Taulukossa mainitaan DFR/m polttoaineen lämpötilat 1350 K ja 1650 K sekä jäähdytyspiirin lämpötilat 1070 K ja 1370 K. Viereisessä sarakkeessa DFR/s lämpötilat ovat noin 100 astetta matalammat.

Aiheesta muualla

muokkaa
  • Dual Fluid Reactor Institute for Solid-State Nuclear Physics kaksoisfluidireaktorin kotisivu
  • Huke, Armin; Ruprecht, Götz; Weißbach, Daniel; Gottlieb, Stephan; Hussein, Ahmed; Czerski, Konrad: The Dual Fluid Reactor – A novel concept for a fast nuclear reactor of high efficiency. Annals of Nuclear Energy, June 2015, 80. vsk, s. 225–235. Elsevier. doi:10.1016/j.anucene.2015.02.016 ISSN 0306-4549 Artikkelin verkkoversio. Viitattu 6.3.2017. (englanniksi)
Ydintekniikka
Ydinfysiikka
Ydinvoima
Ydinreaktori
Ydinaseet
Ydinonnettomuus
Ydinvoima Suomessa
Noudettu kohteesta ”https://fi.wikipedia.org/w/index.php?title=Kaksoisfluidireaktori&oldid=22542881”