专题文章

新一代核反应堆

研究了新型的核反应堆,既安全,也是更加盈利的。产生的废物量应减少。

詹姆斯湖,拉尔夫贝内特和约翰克托克 对于Science N°293
本文保留用于科学用户

在美国,切尔诺贝利事故,乌克兰和三里英里岛屿在平民核电方面产生了对公众舆论的一定误解。因此,自1978年以来,美国尚未开始任何新的中央。然而,在过去十年中,设施安全得到了大大提高。 1990年,美国核监管委员会上市的数量“重要事件”每年均为每年两个和中环;十年后,他少了十次。我们认为,来自核电站的能源生产技术的大规模发展具有与其他能源来源的许多优势。

这是特别是碳氢化合物的情况,其燃烧释放大量二氧化碳,以及氮氧化物和非常污染的硫化物化合物。新一代核反应堆正在研究中,但是,在将其投入运营之前,必须将条件汇集在一起​​,以确保经济可行性,安全性,有效的废物管理和资源,以及核武器的不扩散。所有这些元素都依赖于将选择的反应堆类型。

今天,阿根廷,南非,巴西,加拿大,韩国,美国,法国,日本和英国组织了一代国际论坛 IV. 协调研究。核设施分为四个大团体:第一件电抗器(这一代 i),今日活动中的大型核电站(这一代 II),新的轻水反应器(与重水相反)和等效装置,近年来非常安全(这一代) iii并在即将到来的年度开发的系统。虽然该程序探讨了许多不同的曲目,但是一些示例足以说明它们。新的反应器基本上是三种类型:气体冷却反应器,水和快中子反应器。

气体冷却

已知经营使用燃气氦或二氧化碳的反应器 - 作为制冷剂流体。但是,它们的使用仍然有限。一种新型名为Bullet-Distracle模块化反应堆的新型反应器,具有使其更接近Generation项目所需的卓越标准 IV. (见图1和2)。该设备正在中国,美国和南非正在研究,其中计划在2006年建立一个应该运行的原型。模块化球层反应堆基于球形燃料的元素,含有约15,000铀的球形燃料直径几毫米的氧化物颗粒,锁定在石墨基质中。这些颗粒中的每一个被几个信封覆盖,其中一个包络在碳化硅中,在反应器的操作期间或在温度的意外升高期间限制核裂变的产物。反应器由金属外壳组成,其中大约330,000个燃料球被石墨块中的反射器围绕。反应器的核心还包含100,000个纯石墨子弹(不可燃烧),通过间隔燃料珠子调节其功率并均匀。反应器的核心由非常耐热的耐火材料构建,这使得可以在远大于产生水反应器的温度下操作 II (约300°C)。在大约900℃下出来的传热氦流体直接喷射到产生电力的燃气涡轮机中,其热效率比在反应器中更好的效率为40%,或者四分之一。

球床反应堆的尺寸小和简洁促进了他们的经济利益。一台120兆瓦电力模块可以在电流发电厂的提交系统内运行,这将实现更灵活和经济的工业项目:例如,模块化系统可以是工厂制造的,然后按照施工现场运输。此外,基于该原则的工厂仅包括待控制的约20元元素,而水植物中约200。

最后,这些反应器可以在相当高的温度下安全地操作,以确保从水或其他基础材料中生产少量氢。氢气可以提供一种新的燃料,其域和使用方式类似于烃类,特别是对于清洁车辆的推进(不会发出碳氧化物,而是仅来自水)。产生氢气最直接的方式是使用高温反应器的能量来测量甲烷改性反应(石油工业中使用的蒸汽处理过程)。不幸的是,这种方法会产生大量的二氧化碳。

如今,有几种电化学反应,通过在高温下解离水来产生氢,并且在美国和日本被利用利用“硫酸的热化学解离”的可能性。如果他们的可行性仍有待证实,这些流程开辟了相当大的研究领域,也许是在组合模式下操作反应堆的能力,生产电力和清洁燃料。

球反应器是非常肯定的。由于氦是一种惰性气体,即使在非常高的温度下,它也不会与其他材料反应,并且不承担腐蚀管和其他涡轮机的风险。此外,燃料珠和反应器的核心由耐火材料组成,它们不会降低并仅在仅在最严重的事故(超过1 600°C)期间影响的非常高的温度下熔化,这确保了一个伟大的安全边际。

另外,这些反应堆的“延长流动”功率模式消除了在当前发电厂中可能发生的一类事故。实际上,大约一分钟,将新的燃料球插入反应器的顶部,而另一个燃料球在其基部处被捕猎。因此,所有球慢慢地落入心脏中,例如口香糖在自动售货机中(完整的周期大约需要六个月),并且系统在最佳的燃料中永久性地工作,而没有过量反应性的风险。此外,对低活动区域的子弹的持续迁移为低活动区域确保其每个,平均而言,它们的较低的极端操作条件比固定燃料组件相比。使用后,将球放置在长期仓库中,以及当前的燃料组件。

水冷式反应器

水反应器在控制下已经很好,但设想了重要的改进。因此,在欧洲,公司 Framatome西门子 在设计的设计中合作十年EPR. (欧洲加压反应堆)。这种加压水反应堆设计用于铀235中的富含富含燃料的燃料,或者用氧化铀和钚的混合燃料棒进行命名 艾灸,它将回收由当前发电厂产生的部分钚。另外,反应器包括用于燃料混合物和熔融金属的回收和容纳装置;发生严重事故后,这种“尸体”将限制对环境造成的损害。二次回路中的高水压(约78个大气压)允许高热力的产量为36%。一般建筑和安全系统 EPR. 应除以大量事故的风险,减少维护和延长设施的生命:这些植物将更安全,更便宜(粉碎机西门子 推进每千瓦时0.027欧元的数字。

超越这些创新,发电项目 IV. 旨在进一步降低由于损失冷却液(如三英里岛)的损失而进一步降低事故的风险,并简化了地点的全球架构。就这样鸢尾花 (为了 创新和安全的国际反应堆),由公司在美国开发 西屋电气,包括反应堆内部的所有主要组件 (见图3)。初级回路的液体保持在反应器中,冷却系统不能损失大量制冷剂,即使在其最大的一个管道之一的情况下。此外,反应器容器中包含的子系统将在发生事故期间,通过自然循环被动热转移。控制杆位于罐内,这消除了将它们喷射出反应器的核心的风险。这些单元将非常紧凑,也可以以小模块的形式构造。

今天,研究是在加拿大,法国,日本,韩国和美国进行的,以利用来自二次电路的水的反应堆将增加到374°C以上,并在超过221个大气压的压力下提交。这些值对应于水的“临界点”,超出该值,超出其可以不再能够区分液相的气相(我们谈论流体状态的连续性)。然后,水的行为类似于具有特殊的特定热量(储热容量)的连续流体,以及大于蒸汽的导热率(传热容量)。另外,当温度升高或压力降低时,它不会结束并且不会急剧蒸发。这种称为超临界水的反应器将具有45%的热力学效率,并且可以接近氢的产生的温度范围。

乍一看,似乎超临界水反应器今天从工作水反应器中差不多。不是这样。首先,他们的心脏较小,这允许我们已经提到的节省。然后,次级回路中的蒸汽循环显着简化,因为所用的流体仅具有一个相(不再需要在其通过进入涡轮机之后重新再次重新再次电路的水)。另外,核心的尺寸和制冷剂流体密度低的事实便于在事故发生时禁止液体。此外,低密度制冷剂不会减慢中子,我们可以考虑使用超临界水作为快速中子反应器中的传热流体 (详细介绍).

超临界水的腐蚀性属于其主要缺点。应制定新的材料和方法来控制管道的退化,并确保这些设施的合理生活。

快中子反应堆

在长期内,工程师和物理学家正在考虑建造快中子反应堆。今天,他们在法国,日本,俄罗斯和韩国进行了研究。在美国,这一概念的发展方案于1995年被遗弃,可能会对一代项目进行重新兴趣 IV. 。大多数电流核反应堆使用相当低的能量中子,所谓的热中子。在铀核裂变期间产生的快速(非常能)中子被氢水的碰撞或用作中间剂(例如碳,反应器中的反应器中的反应器中的碳,与石墨中的反应器中的其他轻质核慢慢减慢。

芯与中子之间的碰撞概率越大,因为中子慢,使得热中子反应器可以比快上的中子反应器更紧凑。然而,它们在生产核燃料或回收磨损燃料方面都不效益。通过穿透裂变材料的核心,高能量中子产生核反应,这些核反应导致裂变(产生能量)或铀转化到钚中,即对制造新燃料,要么从裂变反应中破坏钚和长寿命的废物。通过从其他反应器中回收废燃料,快速中子反应器将释放铀含量的更大的能量,同时减少必须在很长的持续时间内储存的放射毒性废物量。快中子反应堆是核能可持续发展的关键要素之一,特别是如果在未来,植物数量有望增加。

今天试验的快速中子反应器通常通过液态金属,大多数情况下冷却钠。金属制冷剂流体的使用具有许多优点。首先,这些是出种的热导体:这使得液态金属反应器远离三英里岛和切尔诺贝利的事故。然后,某些液体金属(但不是全部)比水蒸气腐蚀性要小得多,这显着延伸了反应器的初级回路的寿命和最重要的子系统的寿命。最后,这些系统在非常高的温度下运行,并且在靠近大气压的主要电路中具有良好的屈服,这极大地简化了它们的设计,同时降低了现场事故的风险。

自从在快速中子反应堆上的研究开始以来,这些系统已经在世界各地工作。在法国的Creys-Malville的新人是一个例子。这些经历突出了两个仍然克服的两个巨大困难。首先,钠通过释放强烈的热量反应水,使其成为可能的事故来源(和导致的火灾需要特定的灭火方法)。

钠冷却的反应器设计人员包括中间电路,也包括钠,以便将初级制冷剂隔离在反应器的核心中,在馈送涡轮机的二次回路中循环的水循环。在初级和次级之间引入的该附加电路是第二难度的起源:这些装置的成本增加,而它们的热力学效率降低(特别是如果与现代气体冷却系统或不同的水相比,则它们38到45%之间)。此外,液态金属是不透明的,它们使组件的检查和维护更加困难。今天,这两个困难希望克服这些困难,使用低活性制冷剂,例如惰性气体,铅或铅铋合金,因此应该改善快中子反应器的经济可行性。

核能已在其发展中达成了重要的一步。从长远来看,反应堆的新概念应该大大改善核电站的安全性,生命和经济盈利能力,开启了他们广泛使用的方式。

订阅和ACC.édez à plus de 20 ans d'archives !

12号éros + 4 hors-série
在纸张版本+ numérique

+ ACC.ès illimité à plus de 20 ans d'archives

我是'abonne

订阅和ACC.édez à plus de 20 ans d'archives !

12号éros + 4 hors-série
在纸张版本+ numérique

+ ACC.ès illimité à plus de 20 ans d'archives

我是'abonne

我们的上一篇出版物

回到顶部