文摘

为了让核能充分发挥经济潜力,通用原子公司正在开发能量乘法器模块(EM²),这是一个紧凑的气冷快堆(GFR)。EM²增强其裂变燃料载荷与肥沃的材料来增强一个超长燃料循环基于“convert-and-burn”核心设计转换可育材料原位裂变燃料和燃烧在超过30年的核心没有补充燃料的生活或洗牌。一系列的反应堆物理贸易进行了研究和一个基线核心开发特定的物理设计要求下的寿命小型反应堆组成。EM²核心表现评估操作时间、燃料燃耗,剩余反应性,峰值功率密度、铀利用率,等等,这是确认一个超长燃料循环的核心是可行的转换是否足以产生裂变材料和维护临界,基体材料的数量最小化不软化中子光谱,和反应堆堆芯的大小优化中子损失减小到最低限度。这项研究显示的可行性,从反应堆物理的角度来看,紧凑的肾小球滤过率(GFR)可以满足超长燃料循环的目标,factory-fabrication,和优秀的燃料利用率。

1。介绍

核能提供了许多帮助,在解决国家能源安全需要在一个环境可接受的方式。然而,今天的核能在核废料的管理有自己的挑战来自两个燃料循环的前端和后端,以及巨大的前期金融投资和与其他能源竞争resources-electricity生成成本。目前,最流行的商业反应堆类型是轻水反应堆(轻水反应堆),和预计先进轻水反应堆将在不久的将来基于证明技术(1]。然而,国际原子能机构(IAEA)预测,长期将关注的创新设计提供更多的好处在安全方面,不扩散、废物管理、资源利用率,和经济学,以及提供各种能源产品和灵活性的设计、选址和燃料循环选项(2]。

小型反应堆被定义为反应堆的等效电输出小于300兆瓦。小型模块化反应堆了自1950年代以来,美国(美国)陆军和海军启动研究项目的设计和测试各种小型核反应堆3]。军队很感兴趣发电在偏远地区,其中包括移动式反应堆由拖拉机拖车没有拆迁和反应堆移动式海上一艘驳船上。海军主要集中在开发和部署军舰和潜艇的核能源。在2008年,超过45个中小型反应堆概念和设计开发在国家或国际研究与开发(R & D)项目(4]。

虽然很难小型反应堆一样经济下竞争范式大型商业反应堆,小型反应堆的市场情况会不同于大容量核电站。换句话说,它将取决于对更好的分布式电力供应的需求,更好的匹配能力增量和投资、选址、多样性和灵活性的产品(5,6]。国际原子能机构提出的吸引力可能促进他们的进步创新小型反应堆的功能在某些能源市场如下:(我)工厂制造,降低成本,缩短建设时间,提高质量控制;设计的复杂性,减少人为因素的影响,操作和维护要求;(2)绝对的资本成本较低,相对于大容量植物;增量增加与顺序建设能力;降低金融风险的增量增加的需求;(3)适合小电网,包括自主操作的选项;可行的nonelectric应用,如海水淡化、集中供热、和过程热;(iv)改进安全由于小核心的大小。

此外,小型反应堆有更长的燃料循环可以进一步提高工厂经济和能源安全。长寿命的潜在激励小型反应堆将义务为乏燃料和减少废物管理和更大的或者更容易扩散向国际社会保证7]。许多国家如美国,俄罗斯,日本,印度,和巴西进行设计研究的小型反应堆没有加油,包括水、钠、铅铋和气冷式反应堆8- - - - - -14]。长寿命的液态金属反应堆显示良好的性能操作,因为一个高转化率和中子产生由于硬化中子能谱和超铀燃料,分别为(15- - - - - -17]。也可以设计一个行波型钠冷快堆的容量1000兆瓦的电力,可以持续超过30年用一个初始燃料装载(18]。

通用原子公司推出了一个创新的新气冷快堆(GFR)计划2009年,名为能源乘法器模块(EM²)。反应堆系统的目的是双重的应用:发电和高温热源。反应堆很小,便携式,可以部署在一个建立网格或作为一个独立的电源一个孤立的区域或一个军事基地。核反应堆将运营数十年没有加油。反应堆堆芯设计使用非放射性核废料,也就是说,贫铀(DU),连同低浓缩铀(亮氨酸)。本文描述了物理设计方法和燃料循环的特征²。

2。设计方法和工具

2.1。设计选择

成本因素的设计选择及其连接示意图如图1。高温操作和高质量的热源,气体冷却剂如氦是最可行的。相比其他冷却剂如钠、氦冷却剂是惰性气体,单相,非放射性,对水和化学稳定性,不需要中间循环的热电能量转换(19]。高温操作提高了热效率的工厂,已直接影响发电成本;然而,它需要使用燃料和高温材料的核心结构。

热和快中子光谱气体冷却反应堆是可行的。从物理设计的角度来看,建议燃料燃耗最大化提高燃料循环经济与合理的裂变材料的核心。从这个角度看,快中子光谱被选中,肥沃的燃料可以转化为原位裂变燃料和燃烧。锕系元素都有效地燃烧或改变了在快中子光谱,而裂变核素主要是燃烧在热中子频谱。为了适应高燃耗燃料,燃料设计应考虑高辐照肿胀的燃料,燃料棒的内部压力增加对裂变气体释放,由于高能中子物质损失,等等。

这两个小型和大型反应堆气冷快堆的选择是可行的,而气冷热中子反应堆一般需要大主持人体积的结果在一个低功率密度的核心。从经济学的角度来看,小型反应堆由于前期资本投资低、降低金融风险和经济竞争力可以通过模块化施工方法,移动的很大一部分建筑从站点到工厂工作,缩短现场施工期间,设计简化,等等。为了实现一个超长的小型反应堆燃料循环,高质量的反射镜材料需要减少中子损失和核心配置需要优化燃料利用率最大化。

2.2。转换和燃烧

的剩余反应性²核心是由裂变同位素的平衡和裂变产物中毒。最初,核心是只含有铀燃料,因此,裂变铀产生的大部分反应堆功率迅速燃烧,直到裂变钚堆积起来的。很难在一个中子,肥沃的铀也可以燃烧,如图2。事实上,肥沃的裂变的数量是20%左右的剩余反应性肾小球滤过率(GFR)这是一个不可忽视的贡献的核心20.]。然而,这也表明,中子频谱软化明显影响肥沃的铀裂变的贡献,因为它高裂变截面阈值在1兆电子伏。图3比较了production-to-absorption截面比率主要核素。可以看出,裂变钚的核性质强烈依赖于中子能量。更难中子频谱将导致更高的剩余反应性;这剩余反应性降低,因为在长寿命裂变产物建立操作。

2.3。物理学的工具和模型

物理设计的计算,一个点阵代码MICROX用于生成多组横截面上的燃料和结构材料(21]。MICROX是积分通量输运理论谱系代码解决了中子慢化和热化方程的双区(粒子和主持人)晶格细胞。MICROX由访问数据的核数据(99组之间14.9兆电子伏,0.414 eV)和收集数据(101年能源网分低于2.38 eV)的快速和热能范围,分别为(22,23]。超热中子解决能源范围、光谱与温度相关的横截面计算使用雀鳝数据(24]。

分析了反应堆堆芯由DIF3D和打嗝的静态和损耗的计算,分别为(25,26]。DIF3D是一个超群的稳态中子扩散和传输代码,用于计算特征值(临界)和配电的核心和生成中子通量分布用于损耗计算。打嗝的代码还用于生产宏观横截面的每个核心地区使用微观横截面和核素数密度,由DIF3D使用静态扩散计算。

锕系元素损耗链中使用的计算是基于20核素,包括中子捕获,反应,衰变链。裂变产物的产量已经生成的基于JENDLE3.3快堆系统(27]。这些收益率数据是可用的^232年Th,^233年U,^235年U,^236年U,^238年U,^237年Np,^239年聚氨酯,^240年聚氨酯,^241年聚氨酯,^242年聚氨酯,^241年点,^243年点。例如,直接收益数据为1227年1兆电子伏中子裂变同位素^235年美国为了获得累积裂变产物产量、衰变链已经准备~ 800同位素的直接收益大于10⁻¹⁰。累计裂变产物产量也已生成的61 nonsaturating裂变产物(NSFP)和pseudofission产品(PFP)介绍了裂变产物的损失最小化由于截断燃耗链。PFP ORIGEN2.2得出了计算的属性(28]。

EM²核心目的是气态裂变产物释放以达到一个非常高的燃料燃耗。考虑到反应堆的工作温度高,假设不仅惰性气体(氪和氙)还有其他核素沸点相对较低(< 450°C)被释放在正常操作。在物理设计研究中,假设70%的气态裂变产物都删除。NSFP还包含气态裂变产物;这些材料的有效数密度的计算是通过考虑吸收速率的减少由于裂变气体去除。NSFP气态裂变产物的数量是6% - -8%。如果气态裂变产物的去除率为70%,例如,饱和裂变产物和NSFP库存下降了9.0%和6.5%,分别在周期终结,导致总裂变产物的库存减少7.2% (29日]。

使用遗留代码系统的充分性²核心损耗计算评估在早些时候的研究特别是对峰值的预测剩余反应性和燃料循环长度(29日)通过蒙特卡洛代码MCNPX ENDF / B-VII。0横截面(30.]。一般而言,核心剩余反应性是diffusion-based损耗预测的模型,除了最初的核心状态,最大的区别是0.5%。峰剩余反应性和周期长度的差异小于0.2%δ 和2年。目前遗留代码系统正在更新其截面库和解决方法(31日,32]。

3所示。物理设计要求

他们的一个特定的特性²物理设计是它的目标是一个超长燃料循环和一个非常高的燃料燃耗小规模反应堆核心,燃料利用率大幅度增加相比,商业轻水反应堆。校长要求指导初始核设计研究如下。(我)核反应堆系统有超过20年的设计寿命提高铀利用率高和燃料循环经济。(2)将没有加油和燃料洗牌在核心的生活,因此,将没有新鲜或乏燃料材料的运动从反应堆堆芯/。

范围分析表明异构核心配置更有利于获得更长的燃料循环在使用的燃料。因此,核心材料:将由两个独特的燃料裂变起动器(亮氨酸)和肥沃的转换器(DU)。为了完成主要的设计要求,裂变铀浓缩,位置和大小下的起动器已经优化物理设计要求下面。

3.1。反应器的大小

反应堆堆芯的大小应限于反应堆容器的最大大小,可以通过竞争美国制造商制造和运输通过特殊overspecified路线特别许可证。反应堆容器的大小,让卡车从工厂运输到指定的地点。反应堆容器的大小,包括反应堆核心,反射镜材料、辐射屏蔽,隔热,仪表和控制系统。最大容器大小的准则是250吨组件质量,为组件直径4.8米,分别为组件长度30米。

3.2。反应堆功率

反应堆产生的高温热通过控制燃料裂变反应,调节热产生的速率保持恒定的冷却剂出口温度变化而在冷却剂质量流率。总反应堆功率500 MW热,核心出口温度850°C。权力配置文件应当减少燃料温度峰值夷为平地。燃料组件的峰值功率密度应小于200 W /厘米³在整个生命的核心。

3.3。燃料管理

反应堆操作时间应当最大化提高最大整体燃料燃耗。核心的生活期间,剩余反应性的大小应在反应堆的反应性价值控制系统有足够的保证金,和峰值功率密度应保持低于200 W /厘米³设计极限。最初的裂变铀浓缩平均在整个核心包括起动器和转换器燃料组件应当最小化的目标总体浓缩接近传统轻水反应堆燃料。植物应至少60年和燃料生活在额定功率应大于20年没有加油或重组。

3.4。反应堆控制系统

反应堆堆芯包括反应性控制系统,由多个控制鼓座落于反射区和操作在银行。核反应堆控制系统提供全面的反应堆功率水平和剩余反应性控制。反应堆控制系统应当设计提供足够的负反应性保持临界控制的核心。

3.5。反应堆关闭系统

独立的反应堆堆芯包括关闭系统,充分激活快速关闭反应堆核心假设事故条件下。停车系统的静态和动态反应性价值应当足以终止反应和电力反应堆旅行后瞬态响应反应偏移事故如冷却剂的损失。

4所示。新兴市场²物理性能

基线的核心是通过一系列的参数选择计算关键设计参数:反应堆大小、燃料材料类型、基质材料类型、燃料体积分数、起动器大小和浓缩,反射镜材料和厚度,等等。物理设计计算还包含一些燃料和热流体设计特性,比如燃料材料化学反应,与复合燃料材料的兼容性,冷却能力的燃料。基线的核心模型提供了基础物理设计值²以便后续执行计算的燃料性能,反应堆安全、和经济分析。

4.1。基线核心模型

反应堆的主要组件系统和冷却液流图所示4。反应堆容器是一种内部绝缘直径4.7米,高10.6米的结构由标准SA533-Grade B厚钢板。这艘船的大小可以由许多供应商和制造足够小是用卡车运往施工现场。

EM²基线核心,示意图见图5,周期长度大于30年没有加油,这意味着操作核心的特点简单地依赖于初始燃料装载。基线核心分为三个部分:起动器,肥沃,反射器。起动器是反应堆的“关键”部分生活的开始。它含有亮氨酸发起临界和转换提供多余的中子肥沃的裂变材料在肥沃的部分。的核心包含85个燃料组件排列在一个六角棱镜。七十九程序集包含91个燃料棒,每2.7米长,20.5毫米直径。六个程序集包含关闭杆插入中央空洞。包是1毫米厚βsic复合,这是高度耐温度变化和中子损伤(33,34]。燃料是碳化铀(UC)多孔颗粒的形式。间隙孔允许空间燃料肿胀和挥发性裂变产物的途径。丸是环形的中央孔提供了一种方法对挥发性裂变产物逃到一个裂变产物收集系统。这种排放燃料原则上缓解压力增加和适应燃料肿胀的核心生活。

罐头的反射器由一个内在部分₂C和石墨的外层部分。这些反射镜材料是高中子经济和防止中子泄漏的核心在2%以下。由于电力峰值核心外围,起动燃油毗邻反射降低浓缩,导致径向夷为平地权力配置文件,导致相对均匀辐照率在燃料循环;这排除了洗牌的必要性。六个可旋转的鼓是嵌入在反射器提供反应控制在正常操作。

4.2。核心性能

起动器的平均燃料富集地区为11.4%,导致平均裂变在整个核心内容的6.1%。的如图6,那里的1.023由于最初增加^239年聚氨酯起动地区集结,随后减少由于^235年U枯竭和裂变产物积累。作为^239年聚氨酯还建立了转炉地区~ 15年后慢慢减少。

核心性能总结表1。卸料燃耗平均是145 GWd / t重金属(HM)。燃料燃耗高峰298 GWd / tHM的起动器燃料燃料燃耗最低时48 GWd /三卤甲烷燃料转换器位于核心边缘地区。的平均燃料燃耗起动器和转换器燃料是192年和95年GWd /三卤甲烷,分别。入口温度为500°C和温升的核心是~ 350°C。在这种情况下,燃料温度峰值估计达到1490°C。

燃料库存作为时间的函数是总结表2。裂变材料燃烧和生产图所示7为^235年U和^239年聚氨酯。的设计目标之一²是促进更高的铀利用率比传统能源的核反应堆。在新兴市场的情况下²直流的燃料循环,裂变铀(^235年U)明显燃烧周期结束时(转换端)与平均消费88%的速度,计算了基于初始加载和剩余质量。铀是最内层的起动器有效地转化,导致最大的本地消费的43%。铀的平均消费在整个核心是25%。图8比较与其他核素铀的裂变率,表明肥沃的铀(^238年U)导致总裂变率18%。

EM²核心是为了繁殖裂变钚和烧掉。然而,并不是所有裂变钚燃烧在转换端,必须出院。在转换端,平均裂变内容(的一小部分^235年U,^239年聚氨酯,^241年聚氨酯重金属)总额的9.4%。剩余钚的数量是3.5 t,裂变钚的纯度(裂变钚的一小部分总钚的内容)是87%。这个燃料高值和将在随后的燃料回收周期没有传统的后处理(35]。

4.3。燃料循环特征

的质量流量²基线比较核心的先进轻水反应堆(ALWR)基于燃料管理参数总结在表3(36,37]。的总发电量²归一化到1117兆瓦,这就需要4.2 EM单位²。手术段60年,重金属加载和卸料的数量减少超~ 80% EM²直流的燃料循环相比ALWR直流的燃料循环。

能源生产/天然铀矿如图9各种反应堆类型包括ALWR、燃气轮机模块氦核反应堆(GT-MHR),加拿大氘(反应堆)铀反应堆和液态金属快中子增殖反应堆(LMFBR) [38- - - - - -40]。最大的能源获得从1吨天然铀(U₃O₈796 GWd)估计,如果所有的铀原子裂变释放200伏,每裂变。每吨的热能产生的天然铀10.3 GWd EM²虽然是5.4 GWd ALWR假设核燃料浓缩和燃料燃耗4.8 wt % 60 GWd /三卤甲烷,分别。

高浪费的数量(使用核燃料)生成/能源生产图所示10对新兴市场²和其他反应堆。浪费一代是最大的坎杜型反应堆由于使用天然铀燃料在一个完全热化中子频谱。新兴市场的²,废物产生5.8 kgHM / GWd,虽然15.6 kgHM / GWd ALWR。

4.4。成本估算

表4比较unlevelized EM的电力成本²和ALWR。的燃料成本²基线核心加载估计~ 200米包括铀矿、转换、浓缩、装配结构,和制造成本。这30多年电力燃料产生66太瓦时95%的利用率。ALWR,燃料总成本预计将~ 1600米30年的操作,包括初始加载的核心。相应的总发电将270 TWh 30多年。因此,新兴市场²周期收益率降低燃料循环成本相比ALWR燃料循环即使的单位燃料成本将会更高²(~ 4760/平均kgHM)相比,ALWR燃料(~ 2400/ kgHM) (41]。同样值得注意的是,燃料是新兴市场的前期资本支出²而不是一个操作费用,以防ALWR。

初步估计的发电成本是为新兴市场²和其他发电厂如ALWR、煤炭、天然气发电厂,结果如图11。成本估算的假设和方法符合美国能源部(DOE)第四代国际论坛成本估算指南(42),现金流方法是Du和帕森斯(41]。具体来说,相关的假设用于成本计算的²和其他技术如下:(我)EM²4植物包括反应堆模块,每个热功率为500 MW,净装置效率53%和95%的利用率;(2)ALWR植物由1117兆瓦电平均评级的利用率为92%超过植物的生命;(3)60年来逐步降低的成本th-of-a-kind植物;(iv)主要金融参数核和化石植物包括解雇(一)50%的债务8%的利率,(b)50%的股本12%的速度,(c)一般每年2.5%的通货膨胀;(v)浓缩铀是基于成本95/ kg-U₃O₈喂,6/ kg-U₃O₈转换,165/单位(SWU)浓缩分离。

可以看出²在可比ALWR有很大的成本优势。它将打破即使天然气联合循环电厂6 - 7的天然气价格/ MMBtu。EM²成本优势主要来自于设备尺寸紧凑,更少的组件,明显高于净装置效率,工厂制作,现场施工时间短。EM²一夜之间资本成本是3800/ kWe和5000 - 6600/ kWe ALWR植物。一个单元容量增加~ 1 B与~ 5 BALWR。有能力增加²随着电力需求的增长,单位与他们相关的金融风险²植物大大低于大型ALWR可以实现。

应该注意的是,成本估算的不确定性相对较大的新兴市场²商业电厂相比,因为材料和制造技术仍在为燃料,开发复合结构组件和辅助系统的²而市场价格建立商业电厂。

5。总结和建议

EM²肾小球滤过率(GFR)是一个500 MW热加载与碳化铀燃料,满足超长燃料循环的物理设计要求,高燃耗,反应堆和紧凑的尺寸,也是经济竞争力的大型商业核电站。这些特性提供了新的燃料循环的可能性大大提高燃料利用率和减少废物,相比大规模核电站和其他能源。然而,有许多技术问题,应该通过R & D活动来解决如下。

特别是,它需要解决的不确定性与裂变产物积累在超长剩余反应性较低的燃料循环。

瞬态安全分析需要确认剩余反应性的可控性和地方权力在整个燃料循环达到顶峰。

实验验证所需的临界核心和燃料辐照热流体和机械完整性测试。

承认

这项工作是由通用原子公司内部资金支持。