A Magnox egy Nagy - Britanniában kifejlesztett atomreaktor sorozat , amelyben nukleáris fűtőanyagként természetes fémuránt , moderátorként grafitot , hűtőközegként pedig szén -dioxidot használnak [1] . A Magnox a gáz-grafit reaktorok típusába tartozik (a NAÜ besorolása szerint GCR). A "Magnox" név megegyezik az ezekben a reaktorokban üzemanyagcella- burkolatok készítésére használt magnézium-alumínium ötvözet márkanevével . A legtöbb első generációs reaktorhoz hasonlóan a Magnox is egy kettős célú reaktor , amelyet plutónium-239 előállítására és energiatermelésre terveztek. Más plutóniumtermelő reaktorokhoz hasonlóan fontos jellemzője a neutronok alacsony abszorpciója a mag anyagaiban. A grafit moderátor hatékonysága lehetővé teszi a természetes urán üzemanyaggal való működést anélkül, hogy azt dúsítani kellene. A grafit könnyen oxidálódik a levegőben, ezért a CO 2 -t hűtőközegként használják . A hőt gőzfejlesztőkben adják át a primer körből a szekunder körbe, és a keletkező gőz egy hagyományos turbinát hajt meg elektromos áram előállítására. A reaktor kialakítása lehetővé teszi az üzemanyag-utántöltést menet közben is.
A Magnox reaktorok kettős funkciója lehetővé tette az Egyesült Királyság számára, hogy jelentős reaktorminőségű plutónium készletet gyűjtsön a B205 -ös erőműben lévő kiégett nukleáris üzemanyag újrafeldolgozásával . A villamosenergia-termelés hatékonyságának növelését célzó korszerűsítés ellenére, miután a plutóniumtermelés háttérbe szorult, a Magnox reaktorokat nem hasonlították össze a nyomás alatti vizes reaktorokkal az üzemanyag-hatékonyság tekintetében tervezési jellemzőik és dúsítatlan uránon történő működésük miatt.
Csak kevés ilyen típusú reaktort építettek az Egyesült Királyságban, és még kevesebbet exportáltak más országokba. Az első reaktort 1956- ban építették a Calder Hallban , és gyakran a "világ első kereskedelmi reaktorának" tartják, míg az utolsó az Egyesült Királyságban a Wylfa atomerőmű volt , amelyet 2015-ben zártak be . továbbra is Észak-Korea az egyetlen ország . Magnox reaktorok használatával a Yongbyon Nukleáris Kutatóközpontban . A gáz-grafit reaktorok továbbfejlesztése a továbbfejlesztett gázhűtéses reaktorok lett , amelyek ugyanazzal a hűtőközeggel rendelkeznek, de számos változtatással, amelyek növelik a gazdasági teljesítményt.
Az Egyesült Királyság első teljes körű ipari reaktora a Sellafield komplexum Windscale Pile volt . Kifejezetten a plutónium-239 természetes uránból történő előállítására készült. Az ilyen tüzelőanyagban a nukleáris reakció fenntartásához termikus neutronokra van szükség , amihez hatékony moderátorra van szükség . Ebben az esetben az extra tiszta grafitot választottuk. A reaktor nagyszámú grafitblokk falazata volt, amelyet fűtőelemek és vezérlőrudak elhelyezésére szolgáló csatornák szúrtak át. A fém urán üzemanyagot alumíniumhéjba zárták és a reaktor vízszintes csatornáiba helyezték. A reaktor működése közben az elejéről friss fűtőelemeket adtak hozzá, és kinyomták a kiégett elemeket, amelyek egy speciális medencébe estek. A kiégett fűtőelemet újrafeldolgozásra küldték a plutónium kinyerésére. Az energiafelszabadulás a reaktorban viszonylag alacsony volt, és léghűtést alkalmaztak nagy ventilátorokkal, amelyek átfújták a grafitköteget.
A grafit neutronokkal történő bombázása a Wigner-féle látens energia felhalmozódásához vezet benne , és szerkezetének helyreállításához időszakos lágyítás szükséges. A Windscale-ben lévő reaktorok működése során az izzítási technológia még nem volt kellőképpen kidolgozva, és 1957. október 10-én egy ilyen eljárás során a tüzelőanyag túlhevült, ami annak meggyulladásához vezetett [2] [3] . A reaktor három napig égett, és a súlyos szennyeződést csak a projektben eredetileg nem tervezett, az építkezés késői szakaszában beszerelt szűrőknek köszönhetően sikerült elkerülni. Érdekes módon a szűrőket korábban felesleges "hülyeségnek" csúfolták [4] .
A kibocsátást 750 TBq -ra (20 000 Ci ) becsülik. . Tekintettel arra, hogy a Kyshtym-i baleset a Szovjetunión kívül nem volt széles körben ismert, a Sellafield-baleset a világ nukleáris iparának történetében a legsúlyosabbnak számított a Three Mile Island atomerőműben történt baleset előtt . A nukleáris balesetek nemzetközi skálája szerint, amely hét szintbe sorolja az eseményeket, ahol a nulla azt jelenti, hogy az esemény regisztrációköteles, de következményekkel nem jár, a csernobili és a fukusimai balesetek pedig a hetedik szinten helyezkednek el . A Mayak vegyi üzem a hatodik, a Windscale-ben pedig az ötödik szinten található [5] .
Ahogy az Egyesült Királyság nukleáris hatósága elkezdte az atomenergiára fordítani figyelmét, a további plutónium iránti igény továbbra is akut maradt. . Ez a Windscale Pile-nél kidolgozott megoldások továbbfejlesztéséhez vezetett, ami egy nagyobb teljesítményű, villamosenergia-termelési energiaforrásként szolgálni képes reaktor létrehozásához vezetett.
Nagy hőteljesítmény esetén megnő a tűzveszély és a léghűtéses módszer nem megfelelő. A Magnox reaktorokban ez szén-dioxid CO 2 hűtőközegként való használatához vezetett. A reaktor kialakításában nincsenek olyan eszközök, amelyek az egyes csatornákon keresztüli gázáramlást szabályoznák, helyette a szükséges áramlási sebességet a kivitelezés során egyszer, maketten végzett kísérletek alapján állítják be. . A magreakció szabályozását függőleges csatornákban elhelyezett bóracélból készült szabályozórudak biztosították.
Magasabb hőmérsékleten az alumínium nem biztosít kellő szilárdságot, és az üzemanyag burkolóanyagaként Magnox ötvözetet választottak. Sajnos a Magnox reakcióképessége a hőmérséklet emelkedésével növekszik, ami 360°C-ra (680°F) korlátozza. Ilyen hőmérsékleten a gőztermelés nem elég hatékony . Ezek a hőmérsékleti határok azt jelentik, hogy a reaktornak nagyon nagynak kell lennie a kiválasztott teljesítmény biztosításához. A gáz hőhordozóként történő felhasználása további nehézségeket okoz, mivel alacsony hőkapacitása nagyon nagy áramlási sebességet igényel.
A Magnox reaktor fűtőelemei tisztított uránból álltakhéliummal töltött laza héjban . A héj általában bordázott volt, hogy javítsa a CO 2 hőcserét . A Magnox ötvözet jól reagál a vízzel, és a kiégett fűtőelemek a reaktorból való eltávolításuk után nem maradhatnak sokáig a kiégett fűtőelem-medencékben. A Windscale Pile-től eltérően a Magnox reaktor függőleges üzemanyagcsatornákat használt. Az üzemanyagcellákat mechanikusan rögzítették egymáshoz, hogy felülről lehessen őket eltávolítani a csatornákból.
A Windscale Pile-hez hasonlóan a Magnox reaktorok kialakítása hozzáférést biztosított a tüzelőanyag-csatornákhoz, és az üzemanyagot a reaktor működése közben lehetett cserélni. Ez kulcsfontosságú tervezési jellemző volt, mivel a természetes urán használata alacsony égési arányt és gyakori tankolást eredményez. A hatékony energiatermelés érdekében az üzemanyagcelláknak a lehető legtovább a reaktorban kell maradniuk, míg a plutónium előállításához a zónában való tartózkodási idejüket korlátozni kell. A komplex üzemanyag-utántöltő rendszer kevésbé bizonyult megbízhatónak, mint maga a reaktortelep, és nem biztos, hogy összességében hatékony. [6]
A reaktor zóna egy nagy nyomástartó edénybe van zárva, amely viszont egy betonépületben található, amely biológiai (sugár)védelmi funkciót lát el. Mivel a reaktor nem használt vizet, így nem állt fenn a robbanásveszélyes párologtatás, a betonszerkezet nagyon tömör volt, ami hozzájárult az építési költségek csökkentéséhez. A reaktorépület méretének további csökkentése érdekében a tervezők a korai változatokban gőzfejlesztőket helyeztek el az épületen kívül, az utcán. A gázban szuszpendált tüzelőanyag-részecskék és moderátor miatt az egész rendszer gamma-sugaraktól és neutronoktól "ragyogott". .
A Magnox reaktorok kialakítását folyamatosan fejlesztették, a megépített erőművek jelentősen eltértek egymástól. Így eleinte a gőzfejlesztőket a reaktorépületbe helyezték át, majd az Oldbury Atomerőmű és a Vilfa Atomerőmű erőművi blokkjaiban acél reaktortartályok helyett feszített vasbetont alkalmaztak. Az üzemi nyomás 6,9 és 19,35 bar között mozog acéltesteknél és 24,8 és 27 bar között vasbeton szerkezeteknél. [7]
Akkoriban egyetlen brit építőipari cég sem volt elég nagy ahhoz, hogy az összes erőművet megépítse, ezért különböző versengő konzorciumok vettek részt az építkezésben, tovább növelve az állomások közötti különbségeket; például szinte minden erőmű saját tüzelőanyagcellás-konstrukciót használt [8] .
A reaktor kezdeti beindításához neutronforrást helyeztek el a zónában, hogy biztosítsák a nukleáris reakció megindulását. Egy másik tervezési jellemző a további elnyelő rudak voltak, amelyek (bizonyos mértékben) kiegyenlítették a magban lévő neutronfluxus sűrűségét. Ha nem használják őket, akkor a középső áramlás túl erős lesz a perifériához képest, ami megnehezíti a szabályozást és túl magas hőmérséklethez vezet a központban. Mindegyik tüzelőanyag-csatornában több, egymással összekapcsolt fűtőelemet felfüggesztettek, hogy üzemanyag-kazettát képezzenek. A szerelvények eltávolításának lehetőségének biztosítása érdekében a csatorna reteszelő mechanizmussal van felszerelve. A mozgatáshoz használt rugók kobaltot tartalmaztak , amely sugárzás hatására magas gamma-háttér keletkezik. Ezen túlmenően számos elemhez hőelemeket erősítettek, amelyeket el kellett távolítani, amikor az üzemanyagot kiürítették a reaktorból.
A Magnox reaktor kettős célja számos kompromisszumot eredményezett, amelyek korlátozták a gazdasági teljesítményét. Amíg a Magnox erőművek építése folyamatban volt, párhuzamosan dolgoztak az Advanced Gas Cooled Reactor (AGR) fejlesztésén is azzal a szándékkal, hogy az üzemet gazdaságosabbá tegyék. A fő változás a reaktor hőmérsékletének 650 °C (1202 °F) körülire emelése volt, ami nagymértékben növelte a gőzturbinák hatásfokát. Ez túl meleg volt a magnox számára, és az AGR-nek eredetileg új berillium alapú burkolatot kellett volna használnia, ami végül túl törékeny lett, és rozsdamentes acélra cserélték. Az acél nagy mennyiségű neutront nyelt el, ami szükségessé tette az urán üzemanyag dúsítását, ami megnövelte az üzemanyagköltségeket. Végül az erőmű gazdaságossága valamivel jobbnak bizonyult, mint a Magnox reaktoroké. .
Néhány Magnox reaktor tervezési jellemzői (eltérhetnek a valódiaktól) [9] :
| Jellegzetes | Calder Hall 1956 | Oldbury 1967 | Wilf 1971 |
|---|---|---|---|
| A reaktor hőteljesítménye | 182 MW | 835 MW | 1875 MW |
| Egység elektromos teljesítmény | 46 MW | 280 MW | 590 MW |
| blokk hatékonysága | 23% | 34% | 33% |
| Az üzemanyagcsatornák száma a reaktorban | 1696 | 3320 | 6150 |
| Mag átmérője | 9,45 m | 12,8 m | 17,4 m |
| Magmagasság | 6,4 m | 8,5 m | 9,2 m |
| Átlagos gáznyomás | 7 bar | 25,6 bar | 26,2 bar |
| Átlagos bemeneti gáz hőmérséklet | 140 °C | 245 °C | 247 °C |
| Átlagos kilépő gáz hőmérséklet | 336 °C | 410 °C | 414 °C |
| Teljes gázellátás _ | 891 kg/s | 4627 kg/s | 10 254 kg/s |
| Felhasznált üzemanyag | természetes fém. Uránusz | természetes fém. Uránusz | természetes fém. Uránusz |
| Urán tömege a reaktorban | 120 t | 293 t | 595 t |
| A reaktortartály belső átmérője | 11,28 m | 23,5 m | 29,3 m ( gömb ) |
| Reaktortartály magassága | 21,3 m | 18,3 m | — |
| A fúvók száma | négy | négy | négy |
| A gőzfejlesztők száma | négy | négy | egy |
| Generátorok száma | 2 | egy | 2 |
A Calder Hall atomerőmű első Magnox reaktorait [ 10 ] elsősorban plutónium katonai célú előállítására tervezték [11] . A nukleáris átalakítások során nagy mennyiségű hő szabadul fel a reaktorban, melynek villamosenergia-termelésre való felhasználása egyfajta „ingyenes” hozzáadásnak számított.
A Calder Hall reaktorok hatásfoka a mai szabványok szerint alacsony, mindössze 18,8% [12] . Az urán-grafit atomreaktorok fejlesztésének következő lépése Nagy-Britanniában a Wilf Atomerőmű 1971-es üzembe helyezése volt természetes urán (595 tonna) magterheléssel és 2,8 MPa nyomású CO 2 hűtőközeggel. A tüzelőanyag elégetési szintje elérte a 3,5 MW nap/kg hatásfokot. - 26% .
1957-ben a brit kormány az atomenergia támogatása mellett döntött, és a tervek szerint 1965-re 5000-6000 MW teljesítményt vezetnek be, ami az ország villamosenergia-szükségletének negyede. [11] Noha Sir John Cockrockft sürgette a kormányt, hogy az "nukleáris" villamos energia drágább, mint a széntüzelésű erőművek, az Egyesült Királyság úgy döntött, hogy az atomerőművek hasznosak lehetnek a bányászszakszervezetek nyomásának csökkentésében. 1960-ban a szénből történő villamosenergia-termelést 25%-kal olcsóbbnak ismerték el, és az alsóház kormányának 1963-as nyilatkozatában az állt, hogy az atomerőművekből előállított villamos energia több mint kétszerese a szén költségének. generáció. A reaktorban előállított plutónium költsége növelte az atomerőművek gazdasági teljesítményét, [13] bár az erőművek tulajdonosai soha nem kapták meg ezt a bevételt. .
A reaktorból való eltávolítás után a kiégett fűtőelemeket a kiégett fűtőelem-medencékben hűtötték le (kivéve a Wilf atomerőművet, amely szén-dioxid atmoszférában száraz tárolóval rendelkezett). Mivel az elemek hosszú távú tárolása a medencékben a Magnox héjak fokozatos tönkremenetele miatt nem volt lehetséges, az üzemanyag újrafeldolgozása nem késhetett, ami az üzemeltetési költségeket is növelte [14] .
Egy időben a Magnox reaktorokat meglehetősen biztonságosnak tekintették egyszerű felépítésük, alacsony teljesítménysűrűségük és gázhűtőközeg használatuk miatt. Ezért nem voltak felszerelve légmentesen záródó kagylókkal . Akkoriban a biztonság elve a „maximális tervezési alapbaleset” figyelembe vétele volt, és úgy gondolták, hogy ha az üzem elviseli a következményeit, akkor minden más, kisebb léptékű balesetet is kibír. A hűtőfolyadék elvesztése (legalábbis a projektben figyelembe vett térfogatban) nem okoz jelentős károsodást a tüzelőanyagban, mivel a magnox héj, amennyiben a reaktort gyorsan leállítják, megtartja a radioaktív anyagok nagy részét, és a maradék hő természetes légáramlással távolítható el. Mivel a hűtőfolyadék gáz, a robbanásveszélyes párologtatás nem jelent olyan veszélyt, mint amilyen a csernobili katasztrófához vezetett . A tervezésnél nem vették figyelembe a reaktor vészvédelmi rendszerének meghibásodását vagy természetes keringési zavarát. 1967-ben a Chapel Cross atomerőműben az egyik csatornában gázáramlás-korlátozás miatt tüzelőanyag-olvadás történt, és bár ez nem vezetett komoly eseményhez, a radioaktív kibocsátás magasabb volt, mint a tervben foglaltak. .
A legrégebbi üzemeknél, ahol az első Magnox reaktorok működtek, a gázköri csővezetékek és a gőzfejlesztők a reaktorépületen kívül helyezkedtek el. Ez gamma- és neutronsugárzás felszabadulásához vezetett [15] . A Dungeness atomerőmű közelében 2002-ben a lakosság által kapott maximális sugárdózis 0,56 mSv volt , ami több mint a fele az ICRP által a lakossági sugárterhelésre megállapított dózisnak [16] . Az Oldbury Atomerőműből és a Wilfa Atomerőműből származó dózisok , amelyek reaktorai teljesen vasbeton épületekbe vannak zárva, lényegesen alacsonyabbnak bizonyultak.
Összesen 11 erőmű épült az Egyesült Királyságban, amelyek 26 erőművet egyesítenek. Ezenkívül az egyik blokkot a japán Tokai Atomerőműbe [17] , a másikat pedig az olaszországi Latina Atomerőműbe exportálták . A Calder Hall reaktorok tervezését az 1950-es évek végén feloldották, és nyilvánosan hozzáférhetővé vált a NAÜ tagjai számára , Észak-Korea pedig 1974-ben lett a NAÜ tagja, így kapott reaktordiagramokat, amelyekből saját reaktorokat fejlesztett ki. [tizennyolc]
Az első Magnox reaktorral felszerelt erőmű, a Calder Hall Atomerőmű volt a világ első atomerőműve, amely ipari méretekben termelt villamos energiát (a jóval kisebb kapacitású obninszki erőművet 1954. december 1-jén kapcsolták be a hálózatba) . Az első szinkronizálás a hálózattal 1956. augusztus 27-én történt, az atomerőművet pedig II. Erzsébet királynő nyitotta meg hivatalosan 1956. október 17-én [19] . A reaktor 2003. március 31-i bezárásáig csaknem 47 évig működött [20] .
2015. december 30-án az Atomerőmű-leszerelési Hatóság (NDA) bejelentette, hogy a Wilfa Atomerőmű 1. blokkját , a világ utolsó működő Magnox reaktorát leállították. Az erőmű öt évvel tovább üzemelt az eredetileg tervezettnél. A Wilfa mindkét blokkját a tervek szerint már 2012 végén bezárták volna, de az NFÜ úgy döntött, hogy az 1. blokkot egy ideig üzemben tartja, hogy teljes mértékben kihasználja a már nem termelt üzemanyagkészletet.
A jongbjoni észak-koreai nukleáris kutatóközpont Magnox projektjén alapuló kisméretű, 5 MW-os kísérleti reaktor 2016 óta működik tovább.
A „Magnox” szó egy olyan ötvözet neve is – főleg magnézium kis mennyiségű alumíniummal és más fémekkel –, amelyből a fémes urán üzemanyag héja készül. Ennek az anyagnak az az előnye, hogy alacsony a neutronbefogási keresztmetszete, de két fő hátránya van:
A Magnox üzemanyagcellák bordázottak a maximális hőátadás érdekében, így költséges a gyártásuk. Bár az uránfém használata az oxid helyett egyszerűbbé és így olcsóbbá tette az üzemanyag újrafeldolgozását, az újrafeldolgozás előtti rövid tárolási idő bizonyos kockázatokat hordozott magában. Ennek a veszélynek a minimalizálása érdekében összetett üzemanyag-kezelő rendszerekre volt szükség.
A magnox kifejezés a következőkre is alkalmazható:
A Leszerelési Hatóság (NDA) felelős az Egyesült Királyság Magnox erőművek leszereléséért, amelynek költségvetése 12,6 milliárd GBP. Megbeszélések folynak arról, hogy 25 vagy 100 éves leszerelési stratégiát kell-e elfogadni. 80 év múlva a radioaktív anyagok olyan mértékben lebomlanak, hogy lehetővé teszik a reaktor szétszerelésének elvégzését. Egy rövidebb leszerelési stratégia teljesen robotizált technikát igényel [21] [22] .
| Név | erőegységek | Teljesítmény , MW (bruttó) |
Az építkezés kezdete |
Rajt | bezárás |
|---|---|---|---|---|---|
| Berkeley | egy | 166 | 1957 | 1962 | 1989 |
| 2 | 166 | 1957 | 1962 | 1988 | |
| Bradwell | egy | 146 | 1957 | 1962 | 2002 |
| 2 | 166 | 1957 | 1962 | 2002 | |
| Dungeness | A1 | 230 | 1960 | 1965 | 2006 |
| A2 | 230 | 1960 | 1965 | 2006 | |
| Calder Hall | egy | 60 | 1953 | 1956 | 2003 |
| 2 | 60 | 1953 | 1957 | 2003 | |
| 3 | 60 | 1955 | 1958 | 2003 | |
| négy | 60 | 1955 | 1959 | 2003 | |
| oldbury | egy | 230 | 1962 | 1967 | 2012 |
| 2 | 230 | 1962 | 1968 | 2011 | |
| Sizewell | A1 | 245 | 1961 | 1966 | 2006 |
| A2 | 245 | 1961 | 1966 | 2006 | |
| Trausvinit | egy | 235 | 1959 | 1965 | 1991 |
| 2 | 235 | 1959 | 1965 | 1991 | |
| Wilf | egy | 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 | |
| Chapelcross | egy | 60 | 1955 | 1959 | 2004 |
| 2 | 60 | 1955 | 1959 | 2004 | |
| 3 | 60 | 1955 | 1959 | 2004 | |
| négy | 60 | 1955 | 1960 | 2004 |
| Név | Elhelyezkedés | erőegységek | Teljesítmény , MW |
Az építkezés kezdete |
Rajt | bezárás |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Latina | Olaszország | egy | 160 | 1958 | 1963 | 1987 |
| tokaji | Japán | egy | 166 | 1961 | 1966 | 1998 |
| Egyesült Királyság atomerőművek | |||
|---|---|---|---|
| |||
| Atomerőmű reaktorok | |||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Moderátor | |||||||||||||||
| könnyű víz |
| ||||||||||||||
| Nehézvíz hűtőfolyadék _ |
| ||||||||||||||
| Grafit hűtőfolyadéknak _ |
| ||||||||||||||
| Hiányzik ( gyors neutronokon ) |
| ||||||||||||||
| Egyéb |
| ||||||||||||||
| egyéb hűtőfolyadékok | Folyékony fém: Bi , K , NaK , Sn , Hg , Pb Szerves: C 12 H 10 , C 18 H 14 , Szénhidrogén | ||||||||||||||
| |||||||||||||||