Metallkylda reaktorer

Transkript

1 Metallkylda reaktorer Framtida nukleära energisystem Carl Hellesen Metaller modererar dåligt För att undvika moderering vid elastiska kollisioner krävs tunga kärnor Smälta metaller ett bra alternativ Natrium / bly Atommassa Na: A = 23 Pb: A = 208 För 23 Na krävs 218 kollisioner för termalisering, jämför med 18 för 1 H som moderator Inga neutroner hinner ner till termiska energier innan de fissionerar eller infångas flux [au] 2.5 x E n [MeV] no coolant lead no sodium

2 Kandidater till kylmedel Kylmdel H 2 O Na Pb Pb/Bi! [g/cm 3 ] T smält [K] T kok [K] c p [kj/kgk] !c p [J/m 3 K] k [W/mK] v max [m/s] Erfarenheter av metallkylda reaktorer 65 års erfarenhet av snabbreaktorer Totalt mer än 400 reaktor-år i drift Millitära reaktorer ej inkluderade T.ex. Pb/Bi i Sovjetiska ubåtar På 1950 talet underskattade man både urantillgångarna i världen När dessa visade sig vara större än man trodde övergick man till termiska vattenmodererade reaktorer (låganrikat bränsle) Reaktor! Land! Första kritikalitet! Kylmedel! Effekt [MW th ]! Clementine! USA! 1946! Hg! "#"$%! EBR-I! USA! 1951! Na/K! &#'! BN-2! Russia! 1956! Hg! &("#&! BR-5/BR-10! Russia! 1958! Na! )*+! DFR! UK! 1959! Na/K!,"! Fermi! USA! 1963! Na! $""! EBR-II! USA! 1963! Na!,$#)! Rapsodie! France! 1967! Na! '"! BOR-60! Russia! 1968! Na! ))! SEFOR! USA! 1969! Na! $"! KNK-II! Germany! 1972! Na! )+! BN-350! Kazakhstan! 1972! Na! -)"! Phenix! France! 1973! Na! ),%! PFR! UK! 1974! Na!,)"! FFTF! USA! 1980! Na! '""! BN-600! Russia! 1980! Na! &'-"! JOYO! Japan! 1982! Na! &'"! FBTR! India! 1985! Na! '"! Super- Phenix! France! 1985! Na! %"""! MONJU! Japan! 1995! Na! -&'!

3 EBR-I Liten härd (höganrikat 235 U) omgiven av breedmantel ( 238 U) Första elproducerande reaktorn (1951) EBR-I demonstrerade breedning för första gången (1952) EBR-I demonstrerade första oavsiktliga härdsmältan (1955) On December 20, 1951, these four light bulbs were energized by EBR-I, in the world s first production of nuclear energy. (ANL) Nuclear News, Feb 2004 EBR-I Liten härd (höganrikat 235 U) omgiven av breedmantel ( 238 U) Första elproducerande reaktorn (1951) EBR-I demonstrerade breedning för första gången (1952) EBR-I demonstrerade första oavsiktliga härdsmältan (1955) The core of EBR-I was about the size of a football. Prooving the Principle (ch 14) Argonne National Laboratory-East

4 Blykylda reaktorer Enda erfarenheterna från Sovjetiska attackubåtar Reaktorerna mycket kompaktare och lättare än motsvarande lättvattenreaktorer eftersom ingen moderering behövs Ubåtarna kunde åka ifrån dåtidens torpeder 7 st alpha klass-ubåtar byggdes mellan 1968 och 1981 Sista skrotades 1990 Reaktoreffekt 155 MWt Totalt 70 reaktor-år i drift Vid service i hamn skulle kylmedlet hållas flytande med superuphettad ånga från externa enheter Gick sönder tidigt 80-tal Ubåtarnas reaktorer gick sen i kontinuerlig drift i ca 10 år till Det underhåll som kunde göras var mycket begränsat Härdgeometrier Eftersom ingen moderering önskas kan man packa bränslestavarna tätare än i LWR Bränslestavarna är typiskt placerade i triangulära gitter (tätare packning) A = 3 4 P π 2 D 2 Diameter (D) Temperaturökningen i kylmedlet ges av P lin T cool = vaρc p Högsta flödeshastigeten är 2 m/s för bly och 8 m/s för natrium För "T = 100 K, P lin = 30 kw/m och H core = 1 m Bly: P/D = 1.6 Na: P/D = 1.2 Flow area per 1/2 pin Pitch (P)

5 Bränsleknippe från Monju, japansk snabbreaktor Naturlig cirkulation Skillnaden i densitet när kylmedlet värms upp skapar en lyftkraft P buoy = gh ρ Coolant out, T out Tryckfall i härden och värmeväxlaren skalar K 1 2 ρv2 = gh ρ Natriumkylda reaktorer har större tryckfall i härden än blykylda p.g.a. tätare gitter Pb: P/D = 1.6 # "P tot = 450 kpa Na: P/D = 1.2 # "P tot = 750 kpa Bly har större densitetsskillnad än natrium. Om T in = 673 K och T ut = 773 K "! Pb = 120 g/cm 3 "! Na = 24 g/cm 3 Core, T fuel Coolant in, T in ΔH

6 Naturlig cirkulation Naturlig cirkulation vid full effekt (ex. från Wallenius) "H = 5 m P lin = 30 kw/m T in = 673 K T ut = 773 K Bly: P buoy = 5.9 kpa (1.3%) Natrium: P buoy = 1.2 kpa (0.16%) Pumpar behövs för både bly och natriumkylda reaktorer Coolant out, T out Core, T fuel ΔH Coolant in, T in Naturlig cirkulation Naturlig cirkulation vid resteffekt P lin = 1.5 kw/m (5%) T in = 673 K Bly: "T cool = 58 K v = 0.17 m/s P buoy = 3.4 kpa (100%) Natrium: "T cool = 117 K v = 0.35 m/s P buoy = 1.4 kpa (100%) Inga större temperaturökningar i varken bly- eller natriumkylda reaktorer Ingen kokning av kylmedlet Både SFR och LFR klarar Loss Of Flow (LOF) med SCRAM Coolant out, T out Core, T fuel Coolant in, T in ΔH

7 Effektöverföring 3 temperaturgradienter efter bränslekutsen Luftgapet Inkapslingen I det laminära flödet vid randen Temperaturgradienter från exempel i Wallenius "T $ P lin [W/m] / % [W/m/K] % är materialberoende Ansätt % eff så att "T = 250 [K] = 30 [kw/m] / % eff Temperaturförändringar i bränsle och kylmedel Fuel pellet Airgap (ΔT gap = 200 K) Cladding (ΔT clad = 20 K) Laminar flow at edge (T clad,outer - T coolant = 30 K) Aktivering av kylmedlet Neutron infång i natrium n + 23 Na # 24 Na 24 Na halveringstid 15 h Betasönderfall Men I 99.9% av sönderfallen följs det av MeV gamma Väldigt farligt under några veckors tid

8 Problem med natrium Kraftigt kemiskt reaktivt Lösningen är en extra kylkrets för att garantera att vatten inte kan komma in i reaktortanken Brinner i kontakt med luft Exploderar i kontakt med vatten Komplicerar konstruktionen Fördyrar Bly reagerar inte med luft eller vatten Enklare konstruktion Problem med natrium Sekundär kylkrets Kraftigt kemiskt reaktivt Lösningen är en extra kylkrets för att garantera att vatten inte kan komma in i reaktortanken Brinner i kontakt med luft Exploderar i kontakt med vatten Komplicerar konstruktionen Fördyrar Bly reagerar inte med luft eller vatten Enklare konstruktion Primär kylkrets

9 Problem med natrium En kylkrets Kraftigt kemiskt reaktivt Brinner i kontakt med luft Exploderar i kontakt med vatten Lösningen är en extra kylkrets för att garantera att vatten inte kan komma in i reaktortanken Komplicerar konstruktionen Fördyrar Bly reagerar inte med luft eller vatten Enklare konstruktion Problem med bly Hög smältpunkt Riskerar att stelna Hände vid några tillfällen för de ryska ubåtarna De fick skrotas Kraftigt korrosivt Förstör pumpar och cladding et.c. Bly bismut ännu mer korrosivt Och väldigt dyrt Massan hos kylmedlet blir mycket stor Jorbävningar?

10 Säkerhet med metallkylda reaktorer Metaller som kylmedel har många fördelar Hög ut-temperatur Ger högre termodynamisk verkningsgrad Stor marginal till kokning Reaktorn har stor termisk tröghet vid olyckor Reaktortanken behöver inte trycksättas Billigare och säkrare Bra förutsättningar för naturlig cirkulation Passiv säkerhet vid Fukushima liknande olyckor Na H 2 O T in T ut T kok > Marginal till kokning > EBR-II testerna Passiv säkerhet demonstrerades i en serie tester I EBR-II (1986) Säkerhetssystemen som skall stänga av reaktorn (styrstavar) kopplades ur Mycket allvarligt scenario Beyond design basis accident Unprotected Loss Of Flow (ULOF) Pumpar stannar Temperaturen ökar Negativa återkopplingar stänger av reaktorn Unprotected Loss Of Heat Sink (ULOHS) Värmeväxlaren tappar funktionen -Kylmedlet värms upp Negativa återkopplingar stänger av reaktorn Passiv säkerhet är möjligt i metallkylda reaktorer Dock hade EBR-II en liten härd med kraftigt negativ kylmedels koefficient Inte direkt överförbart till större reaktorer