Inilatag ng Tsina ang CFR 1000 fast neutron reactor, nagbubukas ng bagong kabanata para sa enerhiyang nuklear

Malaking hakbang sa disenyo ng reaktor na may pandaigdigang epekto

Malaki na ang inilapit ng Tsina sa komersiyal na paggamit ng fast reactor sa paggawa ng kuryente. Inilatag ng China National Nuclear Corporation ang disenyo ng CFR 1000, isang fast neutron power plant na may kapasidad na hanggang 1.2 gigawatts. Habang nakabinbin ang mga pag-apruba sa kaligtasan, target ng CNNC na simulan ang operasyon nito sa unang bahagi ng dekada 2030, at madalas banggitin ang 2034 bilang target sa pagpaplano. Ang kapasidad na ito, na katumbas ng suplay ng kuryente para sa humigit-kumulang isang milyong tahanan, ay gagawa rito na isa sa pinakamalalaking advanced reactor na kasalukuyang ginagawa.

Di-gaya ng mga pressurized water reactor na bumubuo sa gulugod ng mga kasalukuyang nuclear fleet, hindi pinababagal ng CFR 1000 ang mga neutron sa pamamagitan ng moderator gaya ng tubig. Isa itong fast neutron reactor. Kabilang ang disenyo sa pangkat na madalas uriin bilang mga sistemang fourth generation, na naglalayong mas mahusay na paggamit ng fuel, mas kaunting basura at matitibay na katangiang pangkaligtasan. Itinuturing ng CNNC ang CFR 1000 bilang unang komersiyal na hakbang sa isang yugtong plano na nagsimula sa isang maliit na eksperimental na yunit at nagpapatuloy sa dalawang demonstration plant na kasalukuyang itinatayo. Inilahad ng kompanya ang disenyo sa isang symposium tungkol sa advanced nuclear energy sa Fuzhou, Lalawigan ng Fujian, na dinaluhan ng mga awtoridad sa enerhiya.

Malayo sa mga hangganan ng Tsina ang saklaw ng interes dito. Maaaring baguhin ng isang komersiyal na fast reactor na ganito kalaki kung paano nagpaplano ang mga bansa para sa seguridad sa enerhiya at mga layunin sa klima. Maaari rin nitong buhayin ang debate tungkol sa pagre-recycle ng fuel, pamamahala sa plutonium at kalakalan ng mga materyal na nuklear. Mga regulator sa Tsina ang magtatakda ng takbo. Susubaybayan ng mga katapat nila sa ibang bansa ang performance ng disenyo habang isinusulong din nila ang sarili nilang mga programa para sa fast reactor.

Gumagamit ang CFR 1000 ng likidong sodium sa halip na tubig upang maglipat ng init mula sa core patungo sa kagamitang lumilikha ng kuryente. Dahil sa sodium, maaaring umabot sa mas mataas na temperatura ang operasyon sa mababang presyon, na nagpapahusay sa thermal efficiency at nagpapababa sa panganib ng ilang uri ng aksidenteng nakikita sa mga sistemang pinalalamig ng tubig. Nagdudulot din ang pagpiling ito ng mga partikular na hamong pang-inhinyeriya. Tumatayo ang sodium sa reaksiyon sa tubig at hangin, kaya umaasa ang disenyo ng planta sa mga selyadong kapaligiran, pagtukoy ng tagas at maraming heat transfer loop upang ihiwalay ang metal sa singaw at atmospera.

Paano lumilikha ng enerhiya ang fast neutron reactor

Nasa sentro ng bawat reaktor ang chain reaction. Sa isang karaniwang planta, nakalagay ang mga fuel rod sa tubig na may ilang tungkulin. Pinapahinay ng tubig ang mga neutron sa pamamagitan ng moderation, kaya mas malamang na mahati ang uranium 235. Pinalalamig din nito ang fuel at dinadala ang init sa mga steam generator. Inaalis ng fast reactor ang moderator sa proseso. Nananatiling mataas ang enerhiya ng mga neutron at maaari nilang hatiin ang mas malawak na hanay ng mga nucleus, kabilang ang mga isotope ng plutonium na nabubuo sa fuel.

Ilang epekto ang idinudulot ng pagbabagong ito. Mas lubos na magagamit ang fuel bago ito maubos. Sinusuportahan ng kapaligirang mayaman sa neutron ang isang saradong fuel cycle, kung saan lumilikha ang reaktor ng bagong fissile material mula sa saganang uranium 238. Kapag nahiwalay at nai-recycle ang bagong materyal na ito, maaaring gamitin nang maraming ulit ang iisang mga atom sa paggawa ng kuryente. Maaari ring ubusin ng proseso ang ilan sa matagal mabulok na basura mula sa mga karaniwang reaktor, kaya nababawasan ang pangmatagalang pasanin ng basura kung ipatutupad ang buong cycle sa malawakang antas.

Paglikha ng fuel, muling pagproseso at saradong cycle

Tumutukoy ang paglikha ng fuel sa paggawa ng bagong fissile fuel sa loob ng reaktor. Sa karaniwang sistema, sumisipsip ng neutron ang uranium 238 at, sa pamamagitan ng sunod-sunod na pagkabulok, nagiging plutonium 239. Kapag pinalibutan ng mga taga-disenyo ang core ng mga blanket na yari sa fertile material, makalilikha ang planta ng sapat na bagong fuel upang palitan ang nauubos ng core. Tinutukoy ng proporsiyong ito, na tinatawag na breeding ratio, kung gaano karaming bagong materyal ang magagamit para sa susunod na karga ng fuel.

Para maisara ang cycle, kailangang muling iproseso ang fuel. May mga pilot at demonstration-scale na pagsisikap ang Tsina sa muling pagproseso at nagsaliksik na rin ito ng mga proyektong pang-industriya kasama ang mga katuwang. Nagamit na ang mixed oxide fuel, na pinaghalong plutonium at uranium, sa mga fast reactor at ilang karaniwang planta. Itinuro rin ng CNNC ang metal fuel para sa mga susunod na yugto ng programa nito. May mga kapalit na benepisyo at hamon ang bawat opsiyon sa performance, paghawak ng materyal at pagiging kumplikado ng hakbang sa pagre-recycle.

Bakit mahalaga sa disenyo ang likidong sodium

Paboritong coolant ang likidong sodium para sa mga fast reactor dahil hindi nito pinababagal ang mga neutron at mahusay itong magdala ng init. Nananatili itong likido sa malawak na saklaw ng temperatura at kumukulo sa napakataas na temperatura, kaya maaaring patakbuhin ang reaktor sa presyong halos katumbas ng presyon ng atmospera. Nababawasan ng mababang presyon ang puwersang dinaranas ng mga tubo at sisidlan at naaalis ang panganib ng malalaking pagsabog ng singaw na nagdudulot ng ilang posibleng aksidente sa mga plantang pinalalamig ng tubig.

Gagamit ang CFR 1000 ng pool-type na ayos, batay sa mga pampublikong paglalarawan sa mga proyektong Tsino sa larangang ito. Nasa isang malaking sisidlang puno ng sodium ang core, mga pump at heat exchanger. Dumadaloy ang init mula sa pangunahing sodium loop papunta sa ikalawang sodium loop, saka sa sistemang gumagamit ng tubig o supercritical carbon dioxide upang paandarin ang mga turbine. Dinisenyo ang tatlong-yugtong paraang ito upang mailayo sa pangunahing loop na may radioactive material ang anumang tagas ng singaw.

Ligtas na paghawak ng sodium

Mahalagang disiplina ang paghawak ng sodium sa ganitong uri ng planta. Tumatayo ang metal sa reaksiyon sa tubig at oxygen. Tinutugunan ito ng mga taga-disenyo sa pamamagitan ng mga selyadong sistema ng cover gas, na karaniwang argon, mga kulungang walang hangin, mabilis na pagtukoy ng tagas at kagamitang nagpapanatiling napakababa ng oxygen sa sodium upang limitahan ang corrosion. Ginagawa ang mga steam generator gamit ang mga materyal na lumalaban sa reaksiyon at nilalagyan ng mga sistemang pang-monitor na nakakakita sa napakaliit na paglipat ng hydrogen bago pa man masira ang tubo.

Iba ang proteksiyon laban sa sunog dito kaysa sa isang plantang gumagamit ng tubig. Naghahanda ang mga operator para sa mga tapon ng sodium na maaaring magbuga ng usok o magliyab kapag nalantad sa hangin. Karaniwang gawain mula sa mga naunang planta sa Russia, France, Japan at United States ang mga kuwartong walang oxygen, drip tray at espesyal na panlaban sa sunog. Kabilang sa pandaigdigang karanasan ang mga aral mula sa mga insidente, at sinisikap isama ng mga modernong disenyo ang mga ito sa ayos ng planta at mga pamamaraan ng operasyon.

Mga usaping pangkaligtasan para sa mga regulator

Iba ang pisikang ginagamit ng mga fast reactor sa mga karaniwang yunit, kaya nakatuon ang mga regulator sa ilang paulit-ulit na tanong. Isa rito kung paano kikilos ang reaktor kapag kumulo ang coolant o naputol ang daloy nito. Sinisikap ng mga taga-disenyo na matiyak ang matibay na negatibong tugon sa reaktibidad upang bumagal ang chain reaction habang tumataas ang temperatura. Isa pang prayoridad ang pag-aalis ng natitirang init sa loob ng maraming araw nang hindi kumikilos ang operator. May mga passive system ang mga modernong fast reactor na umaasa sa natural convection at mga heat exchanger na nakalubog sa coolant.

Isa pang pokus ang reaksiyon ng sodium at tubig. Kahit magkakahiwalay ang mga loop, maaaring tumalsik ang tubig mula sa tagas sa steam generator papunta sa mainit na sodium. Nagdudulot ito ng init at hydrogen. Binubuo ang mga planta gamit ang mga tubong maliit ang diyametro, mga isolation valve na mabilis magsara at mga tangkeng pang-imbak na kayang mag-alis ng sodium sa generator sa loob ng ilang segundo. Binabawasan ng mga hakbang na ito ang posibilidad na masira ang tubo at nililimitahan ang mga epekto kung masira man ito.

Ayon sa CNNC, natutugunan ng teknolohiya ang mga layunin ng fourth generation sa kaligtasan, basura at ekonomiya. Susuriin ng regulator ng Tsina ang mga pahayag na ito sa pormal na proseso ng pag-apruba. Magagamit sa pagsusuri ng kaligtasan ng mas malaking planta ang karanasan mula sa China Experimental Fast Reactor, isang yunit na 20 megawatts electric malapit sa Beijing, at sa mga demonstration unit ng CFR 600 sa Fujian. Susubaybayan ng mga eksperto sa ibang bansa ang proseso at ihahambing ito sa sarili nilang mga pamantayan.

Roadmap ng Tsina, mula eksperimento hanggang komersiyal na antas

Nagsimula noong dekada 1960 ang mga gawain sa fast reactor sa Tsina. Naabot ng China Experimental Fast Reactor ang unang criticality noong 2010 at nagsagawa ito ng sunod-sunod na pagsubok sa kuryente sa mga sumunod na taon, kabilang ang tuluy-tuloy na operasyon sa buong kapasidad. Nagsisilbi ito sa mga layunin sa pananaliksik at paminsan-minsang kumokonekta sa grid. Ang sumunod na hakbang ay ang CFR 600, isang pares ng demonstration unit sa Xiapu County, Lalawigan ng Fujian. Kabilang sa mga kompanyang Ruso ang mga katuwang sa kagamitan at suplay ng fuel para sa mga yunit na ito.

Inilalarawan ng mga pampublikong dokumento sa pagpaplano ang CFR 1000 bilang komersiyal na yugto. Ayon sa impormasyon ng World Nuclear Association, maaaring magsimula ang konstruksyon bago matapos ang dekadang ito, at posibleng magsimula ang operasyon bandang 2034. Sinabi ng CNNC na nakapagtatag ito ng lokal na supply chain para sa malalaking fast reactor, na sumasaklaw sa mga design code, kagamitan sa pagsusuri ng kaligtasan, paggawa ng kagamitan, paghahanda ng fuel at pamamahala ng proyekto. Hindi pa ibinubunyag ng kompanya ang pinal na lokasyon ng unang CFR 1000.

Ipinahihiwatig ng mga materyal ng programa na gagamit ng metal fuel sa komersiyal na yugto, na may target na burnup na humigit-kumulang 120 hanggang 150 gigawatt-araw bawat tonelada. Mas mataas ito kaysa sa karaniwang antas sa mga thermal plant. Dahil sa mas mataas na burnup, mas madalang maglagay muli ng fuel, nababawasan ang bigat ng nagamit na fuel sa bawat yunit ng kuryenteng nalilikha at mas lubos na nagagamit ang mga reserba ng uranium.

Sinusunod ng roadmap ang tatlong-yugtong estratehiyang madalas banggitin ng mga opisyal ng Tsina. Una, naghahatid ng malaking kapasidad ang mga thermal reactor na gumagamit ng pressurized water. Ikalawa, pinatataas ng mga fast reactor ang kahusayan sa paggamit ng fuel at inihahanda ang pagsasara ng cycle. Ikatlo, magiging bahagi ng pinagkukunan ng enerhiya ang fusion sa mas mahabang panahon. Layunin ng yugto ng fast reactor na mapakinabangan nang husto ang mga reserba ng uranium, mabawasan ang pasanin sa mga imbakan ng basura at magdagdag ng mga opsiyon para sa nababagong paggamit ng init sa industriya at paggawa ng isotope.

Fuel cycle, basura at nonproliferation

Mahalaga sa pangangatwiran para sa fast reactor tungkol sa basura ang muling pagproseso ng nagamit na fuel upang makuha ang mga materyal na magagamit pa. Sa pamamagitan ng paghihiwalay sa plutonium at natitirang uranium, at pagbabalik sa core ng mga actinide na matagal mabulok, maaaring mabawasan ng sistema ang dami at radiotoxicity ng materyal na kailangang ibaon nang malalim. Nakadepende ang ganitong resulta sa mga pasilidad pang-industriya para sa paghihiwalay at sa mga linya ng paggawa ng fuel na kayang humawak ng mga bagong halo at mas matataas na antas ng radyasyon.

Nagpatakbo na ang Tsina ng mga pilot line para sa muling pagproseso at nagsaliksik ng malalaking proyekto kasama ang mga katuwang na internasyonal. Gumagawa na ang bansa ng MOX fuel at nagpapaunlad ng kakayahan sa metal fuel na kakailanganin ng mga core ng fast reactor sa mga susunod na yugto. Saklaw ng mga pananggalang sa ilalim ng Nuclear Non Proliferation Treaty ang bawat hakbang. Itinatala ng mga inspektor ang mga espesyal na materyal na nuklear at tinitiyak na ginagamit ang fuel para sa enerhiya, hindi para sa mga sandata.

Madalas nakasentro sa plutonium ang mga debate tungkol sa nonproliferation. Kayang lumikha ng mga fast reactor ng plutonium 239 na may mataas na kalidad. Hindi nangangahulugan ang katotohanang ito na programa sa sandata ang programa para sa enerhiya, ngunit nangangailangan ito ng masusing pagtatala, pisikal na proteksiyon at matibay na balangkas ng patakaran. Sinuri rin sa ibang bansa ang mga kasunduan ng Tsina sa mga katuwang na Ruso para sa enriched fuel at teknolohiya, dahil sa mas malawak na tensiyong heopolitikal. Magiging bahagi ng anumang planong palawakin ang fleet na ito ang malinaw na pag-uulat at pakikipag-ugnayan sa mga internasyonal na katawan.

Papel ng proyekto sa pandaigdigang karera

Hindi nag-iisa ang Tsina sa muling pagbabalik sa mga fast reactor. Pinatatakbo ng Russia ang BN 800 sa Beloyarsk at gumagawa ito ng mas malaking BN 1200 na may target na katulad ng 1.2 gigawatts. Isinusulong ng India ang isang 500-megawatt fast breeder sa Kalpakkam, gamit ang estratehiyang magdaragdag ng thorium sa bandang huli ng cycle. Nagtayo ang France at Japan ng ilang planta ngunit isinara rin ang mga ito matapos makaranas ng mga teknikal na problema at pagtaas ng gastos. Isinara ng United States ang programang Integral Fast Reactor nito noong dekada 1990 at wala itong fast reactor na gumagawa ng kuryente sa kasalukuyan.

Umuusad ang mga bagong disenyo. Gumagawa ang TerraPower at GE Hitachi ng sodium-cooled reactor sa Wyoming na pinagtatambal ang 345-megawatt na yunit nuklear at imbakan ng enerhiya gamit ang tunaw na asin upang makapaghatid ng nababagong output. Ilang pribadong kompanya sa Europe, Japan at North America ang naglalayong gumamit ng likidong lead, mga turbine na gumagamit ng supercritical carbon dioxide at iba pang inobasyon. Marami sa mga proyektong ito ang naglalayong gumawa ng maliliit at modular na yunit, samantalang nakatuon ang Tsina at Russia sa mga plantang nasa antas ng gigawatt.

Ipinakikita ng mga programang ito ang pagkakaiba ng mga prayoridad. Sinisikap ng ilang grupo na pababain ang gastos at pasimplehin ang konstruksyon sa pamamagitan ng mas maliliit na yunit. Nakikita naman ng iba ang pakinabang ng mga plantang napakalaki ng output, na pumapalit sa malalaking planta ng karbon at tumutugon sa pangangailangan ng mabibigat na industriya. Nakadepende ang resulta sa performance sa kaligtasan, pagkontrol sa gastos at bilis ng bawat bansa sa paglipat mula sa mga unang proyektong kauna-unahan sa uri nito tungo sa paulit-ulit na pagtatayo. Kabilang sa mga prayoridad na larangan nito para sa pangmatagalang pag-unlad ang sodium-, lead- at gas-cooled fast reactor, ayon sa Generation IV International Forum, isang alyansa sa pananaliksik ng mga pamahalaan at laboratoryo.

Ekonomiya at papel nito sa grid ng Tsina

Malaki ang magiging halaga ng isang plantang 1.2 gigawatts, bagaman wala pang inilalabas na halaga ang CNNC. Magpapasya ang gastos sa kapital, mga pasilidad para sa fuel cycle at mga tuntunin sa financing kung kaya ng CFR 1000 na makipagkompetensiya sa mga advanced pressurized water reactor, karbon na may carbon capture at malalaking proyektong renewable na sinasamahan ng imbakan. Ikinakatwiran ng mga tagasuporta na, kapag naisara na ang cycle, maaaring bumaba ang gastos sa fuel at bumuti ang seguridad sa suplay nito dahil malaking bahagi ng enerhiya ay magmumula sa saganang uranium 238.

Nagtatayo ang Tsina ng napakalaking grid na may maraming sentrong pang-industriya sa baybayin at mabilis lumaking mga lungsod sa loob ng bansa. Makapagsusuporta sa mabibigat na industriya at paggawa ng hydrogen ang mga yunit nuklear na may malaking output. Gumagana rin ang fast reactor sa mas mataas na temperatura kaysa sa reaktor na gumagamit ng tubig, kaya maaaring bumuti ang kahusayan sa paglikha ng kuryente at magbukas ng mga opsiyon sa paggamit ng init sa industriya. Magbibigay-daan ang pagsasama nito sa mga kasalukuyang lugar na may pressurized water reactor sa paggamit ng magkakaparehong imprastraktura at tuluy-tuloy na suplay ng nagamit na fuel para i-recycle.

Mahalaga ang lokasyon. Pinadadali ng lokasyong baybayin ang pagpapalabas ng init at pagdadala ng mabibigat na piyesa. May mga hamon naman sa pamamahala ng tubig at pagsasaalang-alang sa lindol ang mga lokasyong malayo sa baybayin. Bahagi rin ng pagsusuri ng mga regulator ang pagpili ng lugar dahil nagdudulot ang planta ng mga bagong usaping pangkaligtasan para sa pagpaplanong pang-emerhensiya at pagtatasa sa kapaligiran na partikular sa paghawak ng sodium.

Proseso ng regulasyon at takdang panahon

Ayon sa CNNC, kumpleto na ang paunang disenyo at pumasok na sa yugto ng pag-apruba ang proyekto. Sa Tsina, kailangang dumaan ang isang malaking reaktor sa sunod-sunod na pagsusuri na sumasaklaw sa kaligtasan batay sa disenyo, pamamahala sa malulubhang aksidente, epekto sa kapaligiran at pagtiyak sa kalidad sa buong supply chain. Para sa isang fast reactor, susuriin ng mga regulator ang pisika ng core, kilos ng coolant sa mga abnormal na kondisyon at tibay ng mga sistemang nag-aalis ng natitirang init.

Ipinahihiwatig ng mga senyales sa iskedyul na magpapasya tungkol sa konstruksyon sa bandang huling bahagi ng dekadang ito, at target ang pagsisimula ng paggawa ng kuryente bandang 2034 kung matutupad ang mga itinakdang yugto. Magbibigay ng datos tungkol sa kilos ng fuel, mga materyal at pamamaraan sa operasyon ang mga pagsubok sa mga yunit ng CFR 600. Maaaring pabilisin ng internasyonal na pakikipagtulungan ang pagkatuto, at nakipagtulungan na ang mga pangkat Tsino sa mga katuwang na Ruso tungkol sa fuel at kagamitan para sa yugto ng demonstrasyon.

Makaaapekto sa pagtanggap ng publiko ang paraan ng pakikipag-ugnayan dito. Makakatulong sa pagharap ng proyekto sa mga alalahanin sa loob at labas ng bansa ang isang malinaw na plano para sa kaligtasan ng sodium, mga daloy ng basura at mga pananggalang. Kung aprubahan ng mga regulator ang pagtatayo, masusing susubaybayan ng mga inhinyero at mamumuhunan ang mga unang taon ng operasyon habang nagpapasya sila kung saan mamumuhunan sa susunod na henerasyon ng teknolohiyang nuklear.

Mahahalagang Punto

• Inilabas ng CNNC ang disenyo ng fast neutron reactor na CFR 1000, na may target na kapasidad na hanggang 1.2 gigawatts at operasyon bandang 2034.
• Gumagamit ang reaktor ng likidong sodium bilang coolant at gumagana ito sa mababang presyon, na may mas mataas na temperatura sa labasan kaysa sa mga yunit na pinalalamig ng tubig.
• Dahil sa pisika ng fast reactor, nagiging posible ang saradong fuel cycle na lumilikha ng bagong fuel mula sa uranium 238 at maaaring magpababa sa dami ng basurang matagal mabulok.
• Kabilang sa mga pangunahing usaping pangkaligtasan ang pag-aalis ng natitirang init, mga reaksiyon ng sodium at tubig sa mga steam generator at matibay na negatibong tugon sa reaktibidad.
• Umuusad ang Tsina mula sa eksperimentong CEFR tungo sa mga demonstration unit ng CFR 600, at pagkatapos ay sa komersiyal na CFR 1000.
• Mananatiling mahalaga ang mga usapin sa fuel cycle at nonproliferation dahil lumilikha ang mga fast reactor ng plutonium na kailangang bantayan.
• Isinusulong din ng Russia, India at mga pribadong kompanya sa United States ang mga proyekto para sa fast reactor, na lumilikha ng bagong larangang mapagkakakompetensiyahan.
• Magpapasya ang financing, pag-apruba ng mga regulator at pagkontrol sa gastos kung lalawak ang paggamit ng teknolohiyang ito sa grid ng Tsina.