Whiteshell-reaktor nr. 1 eller WR-1 er en canadisk forskningsreaktor placeret på Whiteshell Laboratories i Manitoba . Den blev bygget for at teste konceptet med CANDU -reaktoren , som erstattede kølevæsken med tungt vand med et olieagtigt stof. Dette havde en række potentielle omkostnings- og effektivitetsfordele.
Reaktoren på 60 MW blev designet og bygget af Canadas General Electric til en pris af C$14,5 millioner [1] . Den nåede kritik den 1. november 1965 og fuld kraft i december 1965. Bestræbelserne på at kommercialisere designet begyndte i 1971, men sluttede i 1973, da tunge vandkølemidler blev standarden. WR-1 blev lukket ned for sidste gang i 1985, brændstof blev losset og har været nedlagt siden 2013, med arbejdet planlagt til at være afsluttet i 2023.
Hovedproblemet ved at bruge let vand som moderator er, at det også absorberer nogle af neutronerne. Balancen af neutroner i den naturlige isotopblanding er så lav, at selv en lille mængde absorberet på denne måde bliver en hindring for at opretholde kritikalitet. I de fleste reaktorkonstruktioner elimineres dette ved en smule at øge mængden af 235U i forhold til 238U , en proces kendt som berigelse . CANDU-designet løser decelerationsproblemet ved at erstatte almindeligt vand med tungt vand. Brinten i tungt vand har en ekstra neutron, så chancen for, at den oprindelige fissionsneutron bliver absorberet under decelerationen, er stærkt reduceret. Derudover er det underlagt andre reaktioner, der yderligere øger antallet af neutroner, der frigives under drift. Neutronernes økonomi er forbedret til det punkt, at selv uberiget naturligt uran vil forblive kritisk, hvilket i høj grad reducerer kompleksiteten og omkostningerne ved at brænde reaktoren og giver mulighed for en række alternative brændselscyklusser, der blandes i mindre reaktive elementer. Ulempen ved denne tilgang er, at 235U fordeles gennem en større brændstofmasse, hvilket gør RPV mere signifikant for et givet effektniveau. Dette kan føre til en stigning i kapitalomkostninger, der skaber kernen i reaktoren.
For at løse dette problem bruger CANDU et unikt reaktorkernelayout. Almindelige reaktordesigns består af en stor metalcylinder, der indeholder brændstof og kølevand, der fyres ved højt tryk for at øge vandets kogepunkt for at fjerne varme mere effektivt. På det tidspunkt, hvor CANDU blev udviklet, manglede der midler i Canada til at bygge så store trykbeholdere, især dem, der var store nok til at køre på naturligt uran. Udfordringen var at forsegle tungt vand under tryk i mindre rør og derefter indsætte dem i en meget større lavtryksbeholder kendt som en kalander. En af de vigtigste fordele ved dette arrangement er, at brændstoffet kan fjernes fra individuelle rør, hvilket gør det muligt at tanke konstruktionen under drift, mens konventionelle design kræver, at hele reaktortrykbeholderen lukkes ned. En lille ulempe er, at rørene også absorberer nogle neutroner, men ikke nok til at opveje den forbedrede neutroneffektivitet i tungtvandsdesignet.
Et væsentligt problem med at bruge vand som kølemiddel er, at vandet har en tendens til at opløse brændstoffet og andre komponenter og til sidst bliver meget radioaktivt. Dette afbødes ved brug af specielle rørlegeringer og forarbejdning af brændstof til en keramisk form. Det store problem er, at vand har et lavt kogepunkt, hvilket begrænser driftstemperaturerne. Et materiale med et højere kogepunkt kan fungere ved højere temperaturer, hvilket forbedrer energiudvindingseffektiviteten og tillader kernen at være mindre.
Dette var den grundlæggende forudsætning for organisk kølet reaktor (OCR) design. I CANDU-layoutet brugte moderator og kølevæske tungt vand, men der var ingen grund til dette andet end hensigtsmæssighed. Fordi hovedparten af moderationen fandt sted i massen af calandria, var det enkelt at erstatte en lille mængde i brændstofrørene med noget andet kølemiddel, i modsætning til konventionelle letvandsdesign, hvor en anden moderator skulle tilføjes. Brugen af olie som varmeoverførselsmedium reducerede korrosionsproblemer, hvilket muliggjorde brugen af mere almindelige metaller, mens strålingen i kølesystemet blev reduceret. Den organiske væske valgt af OS-84 er en blanding af terphenyler, der er katalytisk behandlet med hydrogen, hvilket giver 40 procent mættede carbonhydrider. Terphenyler er petrokemiske derivater, der har været let tilgængelige og allerede er blevet brugt som varmeoverførselsvæsker. Ved at anvende et materiale med et højere kogepunkt kan reaktoren desuden drives ved højere temperaturer. Dette reducerede ikke kun mængden af kropsbærer, der var nødvendig for at fjerne en given mængde energi og reducerede derved den fysiske størrelse af kernen, men øgede også effektiviteten af de turbiner, der blev brugt til at udvinde denne energi til elproduktion. WR-1 fungerede med udløbstemperaturer op til 425°C sammenlignet med omkring 310°C i konventionel CANDU, hvor tungt vand blev brugt som moderator og kølemiddel. Det betød også, at der ikke var behov for at skubbe kølevæsken ud over, hvad der var nødvendigt for at tvinge det gennem kølerørene med den nødvendige hastighed. Dette gjorde det muligt at gøre brændstofrørene tyndere, hvilket reducerede antallet af neutroner tabt i interaktion med røret og øgede neutronbesparelserne yderligere.
Reaktoren havde lodrette brændstofkanaler, i modsætning til den konventionelle CANDU-anordning, hvor rørene er vandrette. Reaktoren brugte ikke konventionelle kontrolstænger, men var afhængig af niveaukontrol af en kraftig tungtvandsmoderator til at justere effektudgangen. Reaktoren kan hurtigt lukkes ned ved en hurtig udløsning af moderatoren.
I 1971 begyndte AECL at designe en 500 MW CANDU-OCR baseret på urancarbid (UC) brændstof. Karbiddrivmidler vil korrodere i vand, men det er ikke et problem i den oliekølede version. Karbidbrændstoffet var meget lettere at fremstille end det mere komplekse keramik, der blev brugt i de fleste reaktordesigns. Dette designarbejde blev aflyst i 1973, men WR-1 testede konceptet alligevel. En anden mulighed var at bruge et rent metallisk brændstof, som ville øge brændstoffets tæthed og give et højere niveau af forbrænding. Metallisk brændsel er bedre til at opvarme varme, så en kraftigere kerne kan bruges i samme rum.
Fordelene ved organiske kølemidler inkluderer deres lave aktivering, da neutronbestråling af kulbrinteforbindelser ikke fører til dannelsen af langlivede radioaktive elementer. Derudover reduceres påfyldningen af tungt vand i en atomreaktor (som er ret dyr) betydeligt, da det organiske kølemiddel har en god modererende evne, hvilket gør det muligt at reducere størrelsen af reaktoren.
Beregninger viser, at belastningen af reaktoren med tungt vand (D 2 O) pr. 1 kW (elektricitet) i den avancerede CANDU organiske kølevæskereaktor kan reduceres med en faktor 5 i forhold til standarddesignet, når tungtvandskølevæsken udskiftes med organisk kølemiddel.
Fordelene ved en forbedret tungtvands-atomreaktor med et organisk kølemiddel omfatter: højere effektivitet; lav belastning af tungt vand (ca. 20% sammenlignet med CANDU PHW); lav induceret aktivitet i det primære kredsløb. For effektiv drift af en reaktor af denne type kræves følgende: nukleart brændsel med høj densitet; filtre til at forhindre kontaminering af kanaler med kølevæske med radiolyseprodukter; sikring af driften af brændstofkanaler under tryk ved en temperatur på ca. 375°C og brændstofbeklædning ved en temperatur på 475°C.
I november 1978 skete der en alvorlig ulykke relateret til kølevæsken. Der blev brugt 2.739 liter kølemiddelolie, hvoraf det meste endte i Winnipeg-floden. Reparationen tog flere uger. I 1980 var der endnu en lækage på 680 liter. [2] [3]
Den 17. maj 1985 blev WR1 lukket ned af økonomiske årsager, selvom det var den yngste af de store AECL forskningsreaktorer. Reaktoren er på et mellemstadie af nedlukning, losset og stort set demonteret. Området vil blive ryddet til en sikker tilstand ved afslutningen af nedlukningen.
| Atomkraftværker i Canada | |||
|---|---|---|---|
| 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 | ||||||||||||||
| |||||||||||||||