Magnox er en serie af atomreaktorer udviklet i Storbritannien , hvor naturligt metallisk uran bruges som atombrændsel , grafit som moderator , og kuldioxid fungerer som kølemiddel [1] . Magnox tilhører typen af gas-grafit-reaktorer (GCR ifølge IAEA-klassifikationen). Navnet "Magnox" er det samme som mærkenavnet på magnesium-aluminiumslegeringen, der bruges i disse reaktorer til fremstilling af brændselscellebeklædninger . Som de fleste førstegenerationsreaktorer er Magnox en reaktor med to formål designet til både plutonium-239- produktion og elproduktion. Som med andre plutoniumproducerende reaktorer er en vigtig egenskab den lave absorption af neutroner af kernematerialerne. Effektiviteten af grafitmoderatoren gør det muligt at operere på naturligt uranbrændstof uden behov for at berige det. Grafit oxideres let i luften, så CO 2 bruges som kølemiddel . Varme overføres fra det primære til det sekundære kredsløb i dampgeneratorer, og den resulterende damp driver en konventionel turbine til at producere elektricitet. Reaktorens design tillader brændstofpåfyldning på farten.
Den dobbelte funktion af Magnox-reaktorerne gjorde det muligt for Storbritannien at opbygge et betydeligt lager af plutonium af reaktorkvalitet ved at oparbejde brugt nukleart brændsel på B205 -anlægget . På trods af modernisering, der sigter mod at øge effektiviteten af elproduktionen, er Magnox-reaktorer, efter at produktionen af plutonium faldt i baggrunden, ikke sammenlignet med trykvandsreaktorer med hensyn til brændstofeffektivitet på grund af deres designfunktioner og drift på uberiget uran.
Kun et lille antal reaktorer af denne type blev bygget i Storbritannien, og endnu færre blev eksporteret til andre lande. Den første reaktor blev bygget i Calder Hall i 1956 og betragtes ofte som "verdens første kommercielle kraftreaktor", mens den sidste i Storbritannien var Wylfa Nuclear Power Station lukket i 2015. Nordkorea fortsat det eneste land ved hjælp af Magnox-reaktorer på Yongbyon Nuclear Research Center . Videreudvikling af gas-grafit reaktorer blev Forbedrede gaskølede reaktorer , som har samme kølemiddel, men med en række ændringer, der øger den økonomiske ydeevne.
Storbritanniens første fuldskala industrielle reaktor var Windscale Pile ved Sellafield -komplekset . Det blev skabt specielt til produktion af plutonium-239 fra naturligt uran. For at opretholde en nuklear reaktion i sådant brændsel kræves termiske neutroner , hvilket kræver en effektiv moderator . I dette tilfælde blev der valgt ekstra ren grafit. Reaktoren var et murværk af et stort antal grafitblokke, som blev gennemboret af kanaler til placering af brændselselementer og kontrolstænger. Uranmetalbrændstoffet blev indesluttet i en aluminiumskal og placeret i reaktorens vandrette kanaler. Mens reaktoren var i drift, blev der tilføjet friske brændselselementer fra dens forside og skubbede de brugte elementer ud, som faldt ned i en særlig pool. Det brugte brændsel blev sendt til oparbejdning for at udvinde plutonium. Energifrigivelsen i reaktoren var relativt lav, og der blev brugt luftkøling med store blæsere, der blæste gennem grafitstakken.
Bombardementet af grafit med neutroner fører til akkumulering af Wigners latente energi i den , og periodisk udglødning er nødvendig for at genoprette dens struktur. Under driften af reaktorerne i Windscale var udglødningsteknologien endnu ikke tilstrækkeligt udviklet, og den 10. oktober 1957 blev brændslet under en sådan procedure overophedet, hvilket førte til dets antændelse [2] [3] . Reaktoren brændte i tre dage, og alvorlig forurening blev kun undgået takket være filtre, som ikke oprindeligt var forudset i projektet, og som blev installeret på et sent stadium af konstruktionen. Interessant nok er filtre tidligere blevet latterliggjort som unødvendigt "sludder" [4] .
Frigivelsen er estimeret til 750 TBq (20.000 Ci ) . På grund af det faktum, at Kyshtym-ulykken ikke var almindeligt kendt uden for USSR, blev Sellafield-ulykken betragtet som den mest alvorlige i verdens nukleare industris historie før ulykken på Three Mile Island-atomkraftværket . Ifølge den internationale skala for nukleare hændelser, som klassificerer hændelser i syv niveauer, hvor nul betyder, at hændelsen er registreringspligtig, men ikke vil have konsekvenser, og ulykker i Tjernobyl og Fukushima er placeret på syvende niveau , hændelsen ved Mayak kemiske anlæg er på sjette niveau, og i Windscale - på femte [5] .
Da den britiske atommyndighed begyndte at rette opmærksomheden mod atomkraft, forblev behovet for mere plutonium akut. . Dette førte til videreudviklingen af de løsninger, der blev udarbejdet på Windscale Pile, hvilket førte til skabelsen af en mere kraftfuld reaktor, der kunne tjene som energikilde til at generere elektricitet.
Med en høj varmeydelse øges risikoen for brand, og luftkølemetoden er ikke egnet. I Magnox-reaktorerne har det ført til brug af kuldioxid CO 2 som kølemiddel. Der er ingen anordninger i reaktorens design til at regulere gasstrømmen gennem individuelle kanaler; i stedet indstilles den nødvendige strømningshastighed én gang under konstruktionen baseret på eksperimenter udført på en mock-up . Kontrol af kernereaktionen blev tilvejebragt af kontrolstænger lavet af borstål placeret i lodrette kanaler.
Ved højere temperaturer giver aluminium ikke tilstrækkelig styrke, og Magnox-legering blev valgt som brændstofbeklædningsmateriale. Desværre stiger reaktiviteten af Magnox, når temperaturen stiger, hvilket resulterer i dens begrænsning til 360°C (680°F). Ved sådanne temperaturer er dampdannelse ikke effektiv nok . Disse temperaturgrænser betyder, at reaktoren skal være meget stor for at levere den valgte effekt. Anvendelsen af gas som varmebærer medfører yderligere vanskeligheder, da dens lave varmekapacitet kræver meget høje strømningshastigheder.
Magnox-reaktorens brændselselementer bestod af renset uran , hermetisk forseglet i en løstsiddende skal fyldt med helium . Skallen var normalt ribbet for at forbedre varmeudvekslingen med CO 2 . Magnox-legeringen reagerer godt med vand, og brugte brændselselementer, efter at de er blevet fjernet fra reaktoren, kan ikke efterlades i brugtbrændselsbassinerne i længere tid. I modsætning til Windscale Pile brugte Magnox-reaktoren lodrette brændstofkanaler. Brændselscellerne var mekanisk fastgjort til hinanden, så de kunne fjernes fra kanalerne fra oven.
Som med Windscale Pile gav designet af Magnox-reaktorerne adgang til brændstofkanalerne, og brændstoffet kunne skiftes, mens reaktoren var i drift. Dette var et centralt designelement, da brugen af naturligt uran resulterer i lave udbrændingsrater og behovet for hyppig optankning. For effektiv elproduktion skal brændselsceller forblive i reaktoren så længe som muligt, mens deres opholdstid i kernen for plutoniumproduktion skal begrænses. Det komplekse tankningssystem viste sig at være mindre pålideligt end selve reaktoranlægget og er muligvis ikke effektivt generelt. [6]
Reaktorkernen er indelukket i en stor trykbeholder, som igen er placeret i en betonbygning, der udfører funktionen som biologisk (stråle)beskyttelse. Da reaktoren ikke brugte vand, og der derfor ikke var fare for eksplosiv fordampning, var betonkonstruktionen meget kompakt, hvilket var med til at reducere byggeomkostningerne. For yderligere at reducere størrelsen af reaktorbygningen placerede designere i tidlige versioner dampgeneratorer uden for bygningen på gaden. På grund af partikler af brændstof og moderator suspenderet i gassen "strålede" hele systemet med gammastråler og neutroner. .
Designet af Magnox-reaktorerne blev konstant forbedret, og de opførte anlæg adskilte sig væsentligt fra hinanden. Så først blev dampgeneratorerne flyttet ind i reaktorbygningen, og senere, i kraftenhederne i Oldbury NPP og Vilfa NPP, blev der brugt forspændt armeret beton i stedet for stålreaktorbeholdere. Arbejdstrykket varierer fra 6,9 til 19,35 bar for stålskrog og 24,8 og 27 bar for armerede betonkonstruktioner. [7]
Intet britisk byggefirma på det tidspunkt var stort nok til at bygge alle kraftværkerne, så forskellige konkurrerende konsortier var involveret i byggeriet, hvilket øgede forskellene mellem stationerne; for eksempel brugte næsten hvert kraftværk sit eget brændselscelledesign [8] .
Til den indledende opstart af reaktoren blev der anbragt en neutronkilde i kernen for at sikre igangsættelsen af en nuklear reaktion. En anden designfunktion var yderligere absorberende stænger for at udligne (til en vis grad) neutronfluxtætheden i kernen. Hvis de ikke bruges, vil flowet i midten være for kraftigt i forhold til periferien, hvilket gør det svært at kontrollere og fører til for høje temperaturer i midten. I hver brændstofkanal blev flere indbyrdes forbundne brændselselementer ophængt for at danne en brændstofsamling. For at sikre muligheden for at fjerne samlingerne er kanalen udstyret med en låsemekanisme. Fjedrene brugt i bevægelsen indeholdt kobolt hvilket, når det udsættes for stråling, skaber en høj gammabaggrund. Derudover var der fastgjort termoelementer til en række elementer, som skulle fjernes, når brændslet blev losset fra reaktoren.
Det dobbelte formål med Magnox-reaktoren resulterede i en række kompromiser, der begrænsede dens økonomiske ydeevne. Mens byggeriet af Magnox-anlæg var i gang, blev der parallelt arbejdet på den avancerede gaskølede reaktor (AGR) med den klare intention at gøre anlægget mere økonomisk. Den vigtigste ændring var at øge temperaturen i reaktoren til omkring 650 °C (1202 °F), hvilket i høj grad øgede effektiviteten af dampturbinerne. Dette var for varmt til magnox, og AGR skulle oprindeligt bruge en ny beryllium-baseret beklædning, som endte med at blive for skør og blev erstattet af rustfrit stål. Stålet absorberede store mængder neutroner, hvilket nødvendiggjorde berigelse af uranbrændstoffet, hvilket øgede brændstofomkostningerne. I sidste ende viste anlæggets økonomi sig at være lidt bedre end Magnox-reaktorernes. .
Designkarakteristika for nogle Magnox-reaktorer (kan afvige fra rigtige) [9] :
Egenskab | Calder Hall 1956 | Oldbury 1967 | Wilf 1971 |
---|---|---|---|
Termisk effekt af reaktoren | 182 MW | 835 MW | 1875 MW |
Enhedens elektriske strøm | 46 MW | 280 MW | 590 MW |
blok effektivitet | 23 % | 34 % | 33 % |
Antal brændstofkanaler i reaktoren | 1696 | 3320 | 6150 |
Kernediameter | 9,45 m | 12,8 m | 17,4 m |
Kernehøjde | 6,4 m | 8,5 m | 9,2 m |
Gennemsnitligt gastryk | 7 bar | 25,6 bar | 26,2 bar |
Gennemsnitlig indgangsgastemperatur | 140°C | 245°C | 247°C |
Gennemsnitlig udgangsgastemperatur | 336°C | 410°C | 414°C |
Samlet gasforsyning _ | 891 kg/s | 4627 kg/s | 10 254 kg/s |
Brændstof brugt | naturligt metal. Uranus | naturligt metal. Uranus | naturligt metal. Uranus |
Masse af uran i reaktoren | 120 t | 293 t | 595 t |
Reaktorbeholderens indre diameter | 11,28 m | 23,5 m | 29,3 m ( kugle ) |
Reaktorbeholderens højde | 21,3 m | 18,3 m | — |
Antal blæsere | fire | fire | fire |
Antal dampgeneratorer | fire | fire | en |
Antal generatorer | 2 | en | 2 |
De første Magnox-reaktorer på atomkraftværket Calder Hall [ 10 ] blev designet primært til at producere plutonium til militære formål [11] . Under nukleare transformationer frigives en stor mængde varme i reaktoren, og dens anvendelse til at generere elektricitet blev betragtet som en slags "gratis" tilsætning.
Calder Hall-reaktorer havde lav effektivitet efter nutidens standarder, kun 18,8% [12] . Næste trin i udviklingen af uran-grafit atomreaktorer i Storbritannien var idriftsættelsen i 1971 af Wilf NPP med en kernebelastning af naturligt uran (595 tons) og med CO 2 kølemiddel ved et tryk på 2,8 MPa. Niveauet for brændstofforbrænding nåede 3,5 MW dag/kg, effektivitet. - 26 % .
I 1957 besluttede den britiske regering at støtte atomkraft, og det var planlagt, at der i 1965 skulle indføres kapaciteter fra 5000 til 6000 MW, hvilket var en fjerdedel af landets elbehov. [11] Selvom Sir John Cockrockft opfordrede regeringen til, at "atomkraft" var dyrere end kulfyrede kraftværker, besluttede Storbritannien, at atomkraftværker ville være nyttige til at reducere presset fra minearbejdernes fagforeninger. I 1960 blev produktionen af elektricitet fra kul anerkendt som 25% billigere, og i en erklæring fra regeringen i Underhuset i 1963 blev det sagt, at produktionen af elektricitet fra atomkraftværker var mere end det dobbelte af prisen for kul generation. Omkostningerne ved plutonium produceret i reaktoren øgede den økonomiske ydeevne af atomkraftværker, [13] selvom ejerne af kraftværker aldrig modtog denne indtægt. .
Efter fjernelse fra reaktoren blev de brugte brændselselementer afkølet i de brugte brændselsbassiner (med undtagelse af Wilf-atomkraftværket, som havde et tørlager i en kuldioxidatmosfære). Da langtidsopbevaring af elementer i bassinerne ikke var mulig på grund af den gradvise ødelæggelse af Magnox-skallerne, kunne oparbejdningen af brændstoffet ikke forsinkes, hvilket også øgede driftsomkostningerne [14] .
På et tidspunkt blev Magnox-reaktorer anset for at være ret sikre på grund af deres enkle design, lave effekttæthed og brugen af et gaskølevæske. Derfor var de ikke udstyret med lufttætte skaller . Dengang var princippet om sikkerhed at tage højde for "maksimal designgrundlagsulykke", og man mente, at hvis anlægget kan modstå sine konsekvenser, så vil det modstå enhver anden ulykke af mindre skala. Tabet af kølevæske (i det mindste i den mængde, der overvejes i projektet) vil ikke føre til væsentlige skader på brændstoffet, da magnox-skallen, forudsat at reaktoren hurtigt lukkes ned, vil tilbageholde det meste af det radioaktive materiale, og restvarme kan fjernes ved naturlig luftcirkulation. Fordi kølevæsken er en gas, er eksplosiv fordampning ikke en trussel som den, der førte til Tjernobyl-katastrofen . Fejl i reaktorens nødbeskyttelsessystem eller naturlig cirkulationsfejl blev ikke taget i betragtning i designet. I 1967 opstod en brændselssmeltning ved atomkraftværket Chapel Cross på grund af gasstrømningsbegrænsning i en af kanalerne, og selvom dette ikke førte til en alvorlig hændelse, var radioaktive emissioner højere end dem, der var inkluderet i designet. .
På de ældste anlæg med de første Magnox-reaktorer var gaskredsløbsrørene og dampgeneratorerne placeret uden for reaktorbygningen. Dette førte til frigivelse af gamma- og neutronstråling [15] . Den maksimale strålingsdosis modtaget af offentligheden i nærheden af Dungeness-atomkraftværket i 2002 var 0,56 mSv , mere end halvdelen af den dosis, som ICRP fastsatte til offentlig eksponering [16] . Doserne fra Oldbury Nuclear Power Plant og Wilfa Nuclear Power Plant , hvis reaktoranlæg er helt indelukket i armeret betonbygninger, viste sig at være væsentligt lavere.
I alt blev der bygget 11 kraftværker i Storbritannien, der kombinerer 26 kraftenheder. Derudover blev en enhed eksporteret til Tokai NPP i Japan [17] , og den anden enhed blev eksporteret til Latina NPP i Italien. Designet af Calder Hall-reaktorerne blev afklassificeret i slutningen af 1950'erne og var offentligt tilgængeligt for medlemmer af IAEA , Nordkorea blev medlem af IAEA i 1974, hvorved man opnåede reaktordiagrammer, hvorfra det udviklede sine egne reaktorer. [atten]
Det første kraftværk med en Magnox-reaktor, Calder Hall NPP, var verdens første atomkraftværk til at generere elektricitet i industriel skala (kraftværket i Obninsk, med meget lavere kapacitet, blev tilsluttet nettet den 1. december 1954) . Den første synkronisering med netværket fandt sted den 27. august 1956, og atomkraftværket blev officielt åbnet af dronning Elizabeth II den 17. oktober 1956 [19] . Driften af reaktoren fortsatte i næsten 47 år indtil dens lukning den 31. marts 2003 [20] .
Den 30. december 2015 meddelte Nuclear Power Plant Decommissioning Authority (NDA), at enhed 1 af Wilfa Nuclear Power Plant , verdens sidste fungerende Magnox-reaktor, var blevet lukket ned. Kraftenheden kørte fem år længere end oprindeligt planlagt. Begge enheder hos Wilfa skulle efter planen lukke allerede i slutningen af 2012, men NDA besluttede at holde enhed 1 i drift i nogen tid for at udnytte det eksisterende lager af brændstof, der ikke længere produceres.
En lille 5 MW eksperimentel reaktor baseret på Magnox-projektet ved det nordkoreanske atomforskningscenter i Yongbyon har fortsat arbejdet siden 2016.
Ordet "Magnox" er også navnet på en legering - hovedsageligt magnesium med en lille mængde aluminium og andre metaller - som skallen af metallisk uranbrændstof er lavet af. Dette materiale har fordelen ved et lavt neutronfangstværsnit, men der er to hovedulemper:
Magnox brændselsceller er ribbede for maksimal varmeoverførsel, hvilket gør dem dyre at fremstille. Selvom brugen af uranmetal frem for oxid gjorde oparbejdning af brændstoffet lettere og derfor billigere, indebar den korte opbevaringstid før oparbejdning visse risici. Komplekse brændstofhåndteringssystemer var påkrævet for at minimere denne fare.
Udtrykket magnox kan også anvendes på:
Dekommissioneringsmyndigheden (NDA) er ansvarlig for nedlukningen af Storbritanniens Magnox-kraftværker med et fastsat budget på £12,6 mia. Drøftelser er i gang om, hvorvidt der skal vedtages en 25 eller 100 års nedlukningsstrategi. Om 80 år vil de radioaktive materialer være henfaldet til det punkt, at det vil give en person mulighed for at udføre arbejdet med at demontere reaktoren. En kortere nedlukningsstrategi ville kræve en fuldstændig robotteknik [21] [22] .
Navn | kraftenheder | Effekt , MW (brutto) |
Byggestart _ |
Start | lukning |
---|---|---|---|---|---|
Berkeley | en | 166 | 1957 | 1962 | 1989 |
2 | 166 | 1957 | 1962 | 1988 | |
Bradwell | en | 146 | 1957 | 1962 | 2002 |
2 | 166 | 1957 | 1962 | 2002 | |
Dungeness | A1 | 230 | 1960 | 1965 | 2006 |
A2 | 230 | 1960 | 1965 | 2006 | |
Calder Hall | en | 60 | 1953 | 1956 | 2003 |
2 | 60 | 1953 | 1957 | 2003 | |
3 | 60 | 1955 | 1958 | 2003 | |
fire | 60 | 1955 | 1959 | 2003 | |
oldbury | en | 230 | 1962 | 1967 | 2012 |
2 | 230 | 1962 | 1968 | 2011 | |
Sizewell | A1 | 245 | 1961 | 1966 | 2006 |
A2 | 245 | 1961 | 1966 | 2006 | |
Trausvinit | en | 235 | 1959 | 1965 | 1991 |
2 | 235 | 1959 | 1965 | 1991 | |
Wilf | en | 530 | 1963 | 1971 | 2015 |
2 | 540 | 1963 | 1971 | 2012 | |
Hunterston A | A1 | 173 | 1957 | 1964 | 1990 |
A2 | 173 | 1957 | 1964 | 1989 | |
Hinkley Point | A1 | 267 | 1957 | 1965 | 2000 |
A2 | 267 | 1957 | 1965 | 2000 | |
Kapelkryds | en | 60 | 1955 | 1959 | 2004 |
2 | 60 | 1955 | 1959 | 2004 | |
3 | 60 | 1955 | 1959 | 2004 | |
fire | 60 | 1955 | 1960 | 2004 |
Navn | Beliggenhed | kraftenheder | Effekt , MW |
Byggestart _ |
Start | lukning |
---|---|---|---|---|---|---|
Latina | Italien | en | 160 | 1958 | 1963 | 1987 |
Tokay | Japan | en | 166 | 1961 | 1966 | 1998 |
Liste over britiske atomkraftværker
britiske atomkraftværker | |||
---|---|---|---|
|
Atomkraftreaktorer | |||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Moderator | |||||||||||||||
let vand |
| ||||||||||||||
Tungt vand kølevæske |
| ||||||||||||||
Grafit til kølevæske |
| ||||||||||||||
Fraværende (på hurtige neutroner ) |
| ||||||||||||||
Andet |
| ||||||||||||||
andre kølemidler | Flydende metal: Bi , K , NaK , Sn , Hg , Pb Organisk: C 12 H 10 , C 18 H 14 , Kulbrinte | ||||||||||||||
|