Neutron?
Neutron adalah partikel yang merupakan bagian dari sebagian besar inti atom, bersama dengan proton. Selama reaksi fisi nuklir, inti uranium terbelah menjadi dua bagian dan juga mengeluarkan beberapa neutron. Mereka dapat memasuki atom lain dan memicu satu atau lebih reaksi fisi. Jika setiap neutron yang dilepaskan selama peluruhan inti uranium mengenai atom tetangganya, rantai reaksi seperti longsoran salju akan dimulai dengan pelepasan energi yang semakin besar. Jika tidak ada alat pencegah, ledakan nuklir akan terjadi.
Tapi di reaktor nuklir Beberapa neutron keluar atau diserap oleh peredam khusus. Oleh karena itu, jumlah reaksi fisi tetap sama sepanjang waktu, persis seperti yang diperlukan untuk memperoleh energi. Energi dari reaksi peluruhan radioaktif menghasilkan panas, yang kemudian digunakan untuk menghasilkan uap guna menggerakkan turbin pembangkit listrik.
Neutron yang menjaga reaksi nuklir tetap konstan dapat memiliki energi berbeda. Tergantung pada energinya, mereka disebut termal atau cepat (ada juga yang dingin, tetapi tidak cocok untuk pembangkit listrik tenaga nuklir). Sebagian besar reaktor di dunia didasarkan pada penggunaan neutron termal, namun PLTN Beloyarsk memiliki reaktor yang cepat. Mengapa?
Apa kelebihannya?
Dalam reaktor neutron cepat, sebagian energi neutron digunakan, seperti pada reaktor konvensional, untuk mempertahankan reaksi fisi komponen utama bahan bakar nuklir, uranium-235. Dan sebagian energinya diserap oleh cangkang yang terbuat dari uranium-238 atau thorium-232. Unsur-unsur ini tidak berguna untuk reaktor konvensional. Ketika neutron mengenai intinya, mereka berubah menjadi isotop yang cocok untuk digunakan dalam tenaga nuklir sebagai bahan bakar: plutonium-239 atau uranium-233.
Uranium yang diperkaya. Berbeda dengan bahan bakar nuklir bekas, uranium tidak begitu radioaktif sehingga hanya perlu ditangani oleh robot. Anda bahkan bisa memegangnya sebentar dengan tangan memakai sarung tangan tebal. Foto: Departemen Energi AS
Dengan demikian, reaktor neutron cepat dapat digunakan tidak hanya untuk memasok energi ke kota dan pabrik, tetapi juga untuk memproduksi bahan bakar nuklir baru dari bahan mentah yang relatif murah. Fakta-fakta berikut mendukung manfaat ekonomi: satu kilogram uranium yang dilebur dari bijih berharga sekitar lima puluh dolar, hanya mengandung dua gram uranium-235, dan sisanya adalah uranium-238.
Namun, reaktor neutron cepat praktis tidak digunakan di dunia. BN-600 bisa dibilang unik. Baik Monju Jepang, Phoenix Prancis, maupun sejumlah reaktor eksperimental di Amerika Serikat dan Inggris saat ini tidak beroperasi: reaktor neutron termal ternyata lebih mudah untuk dibangun dan dioperasikan. Ada sejumlah kendala dalam perjalanan menuju reaktor yang dapat menggabungkan produksi energi dengan produksi bahan bakar nuklir. Dan dilihat dari keberhasilan pengoperasiannya selama 35 tahun, para perancang BN-600 mampu mengatasi setidaknya beberapa kendala.
Apa masalahnya?
Dalam natrium. Setiap reaktor nuklir harus memiliki beberapa komponen dan elemen: kumpulan bahan bakar dengan bahan bakar nuklir, elemen untuk mengendalikan reaksi nuklir, dan pendingin yang menyerap panas yang dihasilkan dalam perangkat. Desain komponen-komponen ini, komposisi bahan bakar dan cairan pendingin mungkin berbeda, tetapi tanpa komponen-komponen tersebut, reaktor menurut definisinya tidak mungkin berfungsi.
Dalam reaktor neutron cepat, perlu menggunakan bahan sebagai pendingin yang tidak menahan neutron, jika tidak maka bahan tersebut akan berubah dari bahan termal cepat ke lambat. Pada waktu fajar energi nuklir para perancang mencoba menggunakan merkuri, tetapi merkuri melarutkan pipa-pipa di dalam reaktor dan mulai bocor keluar. Logam beracun yang dipanaskan, yang juga menjadi radioaktif karena pengaruh radiasi, menyebabkan banyak masalah sehingga proyek reaktor merkuri segera ditinggalkan.
Potongan natrium biasanya disimpan di bawah lapisan minyak tanah. Meskipun cairan ini mudah terbakar, namun tidak bereaksi dengan natrium dan tidak melepaskan uap air dari udara ke dalamnya. Foto: Superplus / Wikipedia
BN-600 menggunakan natrium cair. Sekilas, natrium sedikit lebih baik daripada merkuri: ia sangat aktif secara kimia, bereaksi hebat dengan air (dengan kata lain, akan meledak jika dimasukkan ke dalam air) dan bahkan bereaksi dengan zat yang terkandung dalam beton. Namun, hal ini tidak mengganggu neutron, dan dengan tingkat pekerjaan konstruksi yang tepat serta pemeliharaan selanjutnya, risiko kebocoran tidak terlalu besar. Selain itu, natrium, tidak seperti uap air, dapat dipompa pada tekanan normal. Semburan uap dari saluran uap yang pecah di bawah tekanan ratusan atmosfer memotong logam, sehingga natrium lebih aman dalam hal ini. Adapun aktivitas kimianya juga dapat dimanfaatkan untuk kebaikan. Jika terjadi kecelakaan, natrium tidak hanya bereaksi dengan beton, tetapi juga dengan yodium radioaktif. Natrium iodida tidak lagi meninggalkan gedung pembangkit listrik tenaga nuklir, sementara gas yodium menyumbang hampir setengah dari emisi selama kecelakaan di pembangkit listrik tenaga nuklir di Fukushima.
Insinyur Soviet yang mengembangkan reaktor neutron cepat pertama-tama membuat eksperimen BR-2 (yang sama gagalnya dengan merkuri), dan kemudian eksperimen BR-5 dan BOR-60 dengan natrium, bukan merkuri. Data yang diperoleh dari mereka memungkinkan untuk merancang reaktor “cepat” industri pertama BN-350, yang digunakan di pabrik kimia dan energi nuklir yang unik - pembangkit listrik tenaga nuklir yang dikombinasikan dengan pabrik desalinasi air laut. Di PLTN Beloyarsk, reaktor kedua tipe BN - "cepat, natrium" - dibangun.
Terlepas dari pengalaman yang diperoleh saat BN-600 diluncurkan, tahun-tahun pertama dirusak oleh serangkaian kebocoran natrium cair. Tak satu pun dari insiden ini yang menimbulkan ancaman radiasi terhadap masyarakat atau menyebabkan paparan serius terhadap personel pabrik, dan sejak awal tahun 1990an, kebocoran natrium telah berhenti sama sekali. Untuk menempatkan hal ini dalam konteks global, Monju Jepang mengalami kebocoran natrium cair yang parah pada tahun 1995, yang menyebabkan kebakaran dan penutupan pabrik tersebut selama 15 tahun. Hanya perancang Soviet yang berhasil menerjemahkan gagasan reaktor neutron cepat menjadi perangkat industri, bukan perangkat eksperimental, yang pengalamannya memungkinkan para ilmuwan nuklir Rusia untuk mengembangkan dan membangun reaktor generasi berikutnya - BN-800.
BN-800 telah dibangun. Pada tanggal 27 Juni 2014, reaktor mulai beroperasi dengan daya minimum, dan diperkirakan akan menyala pada tahun 2015. Karena memulai reaktor nuklir adalah proses yang sangat kompleks, para ahli memisahkan permulaan fisik (awal dari reaksi berantai mandiri) dan permulaan energi, di mana unit daya mulai memasok megawatt listrik pertama ke reaktor nuklir. jaringan.
PLTN Beloyarsk, panel kontrol. Foto dari situs resmi: http://www.belnpp.rosenergoatom.ru
Pada BN-800, para perancang menerapkan sejumlah perbaikan penting, termasuk, misalnya, sistem pendingin udara darurat untuk reaktor. Para pengembang mengatakan keuntungannya adalah kemandiriannya dari sumber energi. Jika, seperti di Fukushima, listrik di pembangkit listrik tenaga nuklir padam, maka aliran pendingin reaktor tetap tidak hilang - sirkulasi akan tetap terjaga. tentu saja, karena konveksi, naiknya udara panas. Dan jika inti meleleh secara tiba-tiba, maka lelehan radioaktif tersebut tidak akan keluar, melainkan masuk ke dalam perangkap khusus. Terakhir, perlindungan terhadap panas berlebih adalah pasokan natrium dalam jumlah besar, yang jika terjadi kecelakaan dapat menyerap panas yang dihasilkan meskipun semua sistem pendingin gagal total.
Menyusul BN-800, direncanakan akan dibangun reaktor BN-1200 dengan daya lebih besar lagi. Para pengembang berharap gagasan mereka akan menjadi reaktor serial dan akan digunakan tidak hanya di PLTN Beloyarsk, tetapi juga di stasiun lain. Namun, hal ini hanyalah rencana saat ini; untuk transisi skala besar ke reaktor neutron cepat, sejumlah masalah masih perlu diselesaikan.
PLTN Beloyarsk, lokasi pembangunan unit daya baru. Foto dari situs resmi: http://www.belnpp.rosenergoatom.ru
Apa masalahnya?
Di bidang ekonomi dan ekologi bahan bakar. Reaktor neutron cepat beroperasi pada campuran uranium oksida dan plutonium oksida yang diperkaya - inilah yang disebut bahan bakar mox. Secara teoritis, bahan bakar ini bisa lebih murah daripada bahan bakar konvensional karena menggunakan plutonium atau uranium-233 dari uranium-238 atau thorium yang murah yang diiradiasi di reaktor lain, namun sejauh ini harga bahan bakar mox lebih rendah dibandingkan bahan bakar konvensional. Ternyata ini adalah semacam lingkaran setan yang tidak mudah untuk diputus: kita perlu menyempurnakan teknologi pembangunan reaktor, ekstraksi plutonium dan uranium dari bahan yang diiradiasi di dalam reaktor, dan memastikan kendali atas bahan-bahan yang diiradiasi di dalam reaktor. non-proliferasi bahan tingkat tinggi. Beberapa ahli ekologi, misalnya perwakilan dari pusat nirlaba Bellona, menunjukkan banyaknya volume limbah yang dihasilkan selama pemrosesan bahan iradiasi, karena bersama dengan isotop berharga dalam reaktor neutron cepat, sejumlah besar radionuklida terbentuk yang perlu dikuburkan di suatu tempat.
Dengan kata lain, keberhasilan pengoperasian reaktor neutron cepat saja tidak menjamin terjadinya revolusi energi nuklir. Hal ini merupakan syarat yang perlu, namun belum cukup untuk beralih dari cadangan uranium-235 yang terbatas ke uranium-238 dan thorium-232 yang jauh lebih mudah diakses. Apakah para ahli teknologi yang terlibat dalam proses pengolahan ulang bahan bakar nuklir dan pembuangan limbah nuklir akan mampu mengatasi tugas mereka adalah topik yang berbeda.
Energi nuklir selalu mendapat perhatian lebih karena potensinya. Di dunia, sekitar dua puluh persen listrik diperoleh dengan menggunakan reaktor nuklir, dan di negara maju angka produk energi nuklir ini bahkan lebih tinggi - lebih dari sepertiga dari seluruh listrik. Namun jenis reaktor utama tetaplah reaktor termal, seperti LWR dan VVER. Para ilmuwan percaya bahwa salah satu masalah utama reaktor ini dalam waktu dekat adalah kekurangan bahan bakar alami, uranium, dan isotopnya 238, yang diperlukan untuk melakukan reaksi berantai fisi. Berdasarkan kemungkinan menipisnya sumber daya bahan bakar alami untuk reaktor termal, pengembangan energi nuklir dibatasi. Penggunaan reaktor nuklir yang menggunakan neutron cepat, yang memungkinkan reproduksi bahan bakar, dianggap lebih menjanjikan.
Sejarah perkembangan
Berdasarkan program Kementerian Industri Atom Federasi Rusia pada awal abad ini, tugas ditetapkan untuk menciptakan dan memastikan pengoperasian kompleks energi nuklir yang aman, pembangkit listrik tenaga nuklir jenis baru yang dimodernisasi. Salah satu fasilitas tersebut adalah pembangkit listrik tenaga nuklir Beloyarsk, yang terletak 50 kilometer dekat Sverdlovsk (Ekaterinburg). Keputusan untuk membuatnya dibuat pada tahun 1957, dan pada tahun 1964 unit pertama dioperasikan.
Dua bloknya mengoperasikan reaktor nuklir termal, yang pada tahun 80-90an abad lalu telah kehabisan sumber dayanya. Pada blok ketiga, reaktor neutron cepat BN-600 diuji pertama kali di dunia. Selama pekerjaannya, hasil yang direncanakan oleh para pengembang diperoleh. Keamanan prosesnya juga sangat baik. Selama masa proyek yang berakhir pada tahun 2010, tidak terjadi pelanggaran atau penyimpangan yang serius. Masa jabatan terakhirnya akan berakhir pada tahun 2025. Dapat dikatakan bahwa reaktor nuklir neutron cepat, termasuk BN-600 dan penerusnya, BN-800, memiliki masa depan yang cerah.
Peluncuran BN-800 baru
Ilmuwan OKBM Afrikantov dari Gorky (sekarang Nizhny Novgorod) menyiapkan proyek untuk unit daya keempat PLTN Beloyarsk pada tahun 1983. Karena kecelakaan yang terjadi di Chernobyl pada tahun 1987 dan penerapan standar keselamatan baru pada tahun 1993, pekerjaan dihentikan dan peluncurannya ditunda tanpa batas waktu. Baru pada tahun 1997, setelah mendapat izin pembangunan unit No. 4 dengan reaktor BN-800 berkapasitas 880 MW dari Gosatomnadzor, proses dilanjutkan kembali.
Pada tanggal 25 Desember 2013, pemanasan reaktor dimulai untuk masuknya cairan pendingin lebih lanjut. Pada bulan Juni tanggal empat belas, sesuai rencana, terjadi massa yang cukup untuk melakukan reaksi berantai minimal. Kemudian segalanya terhenti. Bahan bakar MOX, yang terdiri dari oksida fisil uranium dan plutonium, serupa dengan yang digunakan di Unit 3, belum siap. Inilah yang ingin digunakan para pengembang dalam reaktor baru. Saya harus menggabungkan dan mencari opsi baru. Alhasil, agar tidak menunda peluncuran unit tenaga tersebut, mereka memutuskan untuk menggunakan bahan bakar uranium di sebagian perakitannya. Peluncuran reaktor nuklir BN-800 dan unit No. 4 berlangsung pada 10 Desember 2015.
Deskripsi proses
Selama pengoperasian reaktor dengan neutron cepat, unsur-unsur sekunder terbentuk sebagai hasil reaksi fisi, yang bila diserap oleh massa uranium, membentuk bahan nuklir plutonium-239 yang baru tercipta, yang mampu melanjutkan proses fisi lebih lanjut. Keuntungan utama dari reaksi ini adalah produksi neutron dari plutonium, yang digunakan sebagai bahan bakar reaktor nuklir di pembangkit listrik tenaga nuklir. Kehadirannya memungkinkan penurunan produksi uranium yang cadangannya terbatas. Dari satu kilogram uranium-235 Anda bisa mendapatkan lebih dari satu kilogram plutonium-239, sehingga menjamin reproduksi bahan bakar.
Akibatnya, produksi energi di unit tenaga nuklir dengan konsumsi minimal uranium yang langka dan tidak ada pembatasan produksi akan meningkat ratusan kali lipat. Diperkirakan dalam hal ini, cadangan uranium akan mencukupi umat manusia selama beberapa puluh abad. Pilihan terbaik dalam energi nuklir untuk menjaga keseimbangan konsumsi uranium minimum adalah rasio 4 banding 1, di mana untuk setiap empat reaktor termal akan digunakan satu reaktor yang beroperasi dengan neutron cepat.
sasaran BN-800
Selama masa operasionalnya di unit daya No. 4 PLTN Beloyarsk, tugas-tugas tertentu diberikan kepada reaktor nuklir. Reaktor BN-800 harus menggunakan bahan bakar MOX. Sedikit kendala yang terjadi di awal pengerjaan tidak mengubah rencana pembuatnya. Menurut direktur PLTN Beloyarsk, Tuan Sidorov, transisi penuh ke bahan bakar MOX akan dilakukan pada tahun 2019. Jika hal ini menjadi kenyataan, reaktor nuklir neutron cepat lokal akan menjadi reaktor nuklir pertama di dunia yang beroperasi seluruhnya dengan bahan bakar tersebut. Ini harus menjadi prototipe reaktor cepat serupa di masa depan dengan pendingin logam cair, lebih produktif dan lebih aman. Berdasarkan hal ini, BN-800 sedang menguji peralatan inovatif dalam kondisi pengoperasian, memeriksa penerapan teknologi baru yang benar yang mempengaruhi keandalan dan efisiensi unit daya.
kelas="eliadunit">
Memeriksa pekerjaan sistem baru siklus bahan bakar.
Pengujian pembakaran limbah radioaktif dengan umur yang panjang.
Pembuangan plutonium tingkat senjata terakumulasi dalam jumlah besar.
BN-800, seperti pendahulunya, BN-600, harus menjadi titik awal bagi pengembang Rusia untuk mengumpulkan pengalaman berharga dalam pembuatan dan pengoperasian reaktor cepat.
Keuntungan dari reaktor neutron cepat
Penggunaan BN-800 dan reaktor nuklir serupa dalam energi nuklir memungkinkan
Meningkatkan umur cadangan sumber daya uranium secara signifikan, yang secara signifikan meningkatkan jumlah energi yang diterima.
Kemampuan untuk mengurangi umur produk fisi radioaktif seminimal mungkin (dari beberapa ribu tahun menjadi tiga ratus).
Meningkatkan keselamatan pembangkit listrik tenaga nuklir. Penggunaan reaktor neutron cepat memungkinkan kemungkinan peleburan inti diminimalkan, dapat secara signifikan meningkatkan tingkat perlindungan diri fasilitas, dan menghilangkan pelepasan plutonium selama pemrosesan. Reaktor jenis ini memiliki pendingin natrium peningkatan tingkat keamanan.
Pada 17 Agustus 2016, unit pembangkit No. 4 PLTN Beloyarsk mencapai operasi listrik 100%. Sejak Desember tahun lalu, sistem Ural terintegrasi telah menerima energi yang dihasilkan dari reaktor cepat.
kelas="eliadunit">Setelah peluncuran dan keberhasilan pengoperasian pembangkit listrik tenaga nuklir pertama di dunia pada tahun 1955, atas inisiatif I. Kurchatov, keputusan dibuat untuk membangun pembangkit listrik tenaga nuklir industri dengan reaktor air bertekanan tipe saluran di Ural. Fitur reaktor jenis ini termasuk pemanasan berlebih uap hingga parameter tinggi langsung di inti, yang membuka kemungkinan penggunaan peralatan turbin serial.
Pada tahun 1958, di pusat Rusia, di salah satu sudut paling indah di alam Ural, pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir Beloyarsk dimulai. Bagi pemasang, stasiun ini dimulai pada tahun 1957, dan karena topik pembangkit listrik tenaga nuklir ditutup pada saat itu, dalam korespondensi dan kehidupan disebut Pembangkit Listrik Distrik Negara Bagian Beloyarsk. Stasiun ini dimulai oleh karyawan perwalian Uralenergomontazh. Melalui upaya mereka, pada tahun 1959, sebuah pangkalan dengan bengkel produksi pipa air dan uap (1 sirkuit reaktor) dibuat, tiga bangunan tempat tinggal dibangun di desa Zarechny, dan pembangunan bangunan utama dimulai.
Pada tahun 1959, pekerja dari perwalian Tsentroenergomontazh muncul di lokasi konstruksi dan ditugaskan untuk memasang reaktor. Pada akhir tahun 1959, lokasi pembangunan pembangkit listrik tenaga nuklir dipindahkan dari Dorogobuzh, wilayah Smolensk, dan pekerjaan instalasi dipimpin oleh V. Nevsky, calon direktur PLTN Beloyarsk. Semua pekerjaan pada pemasangan peralatan mekanik termal sepenuhnya dialihkan ke perwalian Tsentroenergomontazh.
Masa intensif pembangunan PLTN Beloyarsk dimulai pada tahun 1960. Pada saat ini, para pemasang, bersama dengan pekerjaan konstruksi, harus menguasai teknologi baru untuk pemasangan pipa tahan karat, pelapis ruangan khusus dan fasilitas penyimpanan limbah radioaktif, pemasangan struktur reaktor, pasangan bata grafit, pengelasan otomatis, dll. Kami belajar langsung dari para spesialis yang telah mengambil bagian dalam pembangunan fasilitas nuklir. Beralih dari teknologi pemasangan pembangkit listrik tenaga panas ke pemasangan peralatan pembangkit listrik tenaga nuklir, para pekerja Tsentroenergomontazh berhasil menyelesaikan tugasnya, dan pada tanggal 26 April 1964, unit daya pertama PLTN Beloyarsk dengan AMB-100 reaktor memasok arus pertama ke sistem energi Sverdlovsk. Peristiwa ini, bersamaan dengan peresmian unit tenaga pertama PLTN Novovoronezh, menandai lahirnya industri tenaga nuklir besar di negara tersebut.
Reaktor AMB-100 merupakan perbaikan lebih lanjut dalam desain reaktor Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir Pertama di Dunia di Obninsk. Itu adalah reaktor tipe saluran dengan karakteristik termal inti yang lebih tinggi. Memperoleh uap dengan parameter tinggi akibat panas berlebih nuklir langsung di dalam reaktor merupakan langkah maju yang besar dalam pengembangan energi nuklir. reaktor dioperasikan dalam satu unit dengan turbogenerator 100 MW.
Secara struktural, reaktor unit daya pertama PLTN Beloyarsk ternyata menarik karena dibuat hampir tanpa rangka, yaitu reaktor tidak memiliki bodi yang berat, multi-ton, dan tahan lama, seperti, katakanlah, a Reaktor VVER berpendingin air berpendingin air dengan daya serupa dengan panjang badan 11-12 m, diameter 3-3,5 m, ketebalan dinding dan dasar 100-150 mm atau lebih. Kemungkinan membangun pembangkit listrik tenaga nuklir dengan reaktor saluran terbuka ternyata sangat menggiurkan, karena membebaskan pabrik-pabrik teknik berat dari kebutuhan untuk memproduksi produk baja seberat 200-500 ton. Namun penerapan overheating nuklir langsung di dalam reaktor ternyata berhasil dikaitkan dengan kesulitan yang diketahui dalam mengatur proses, terutama dalam hal memantau kemajuannya, dengan persyaratan pengoperasian banyak instrumen yang presisi, adanya sejumlah besar pipa dengan berbagai ukuran di bawah tekanan tinggi, dll.
Unit pertama PLTN Beloyarsk mencapai kapasitas desain penuh, namun karena kapasitas terpasang unit yang relatif kecil (100 MW), kompleksitas saluran teknologinya dan, oleh karena itu, biaya tinggi, biaya listrik 1 kWh ternyata jauh lebih tinggi dibandingkan stasiun termal di Ural.
Unit kedua PLTN Beloyarsk dengan reaktor AMB-200 dibangun lebih cepat, tanpa banyak tekanan dalam pengerjaannya, karena tim konstruksi dan instalasi sudah siap. Instalasi reaktor telah ditingkatkan secara signifikan. Itu memiliki sirkuit pendingin sirkuit tunggal, yang menyederhanakan desain teknologi seluruh pembangkit listrik tenaga nuklir. Sama seperti pada unit daya pertama, Fitur utama Reaktor AMB-200 menghasilkan uap parameter tinggi langsung ke turbin. Pada tanggal 31 Desember 1967, unit daya No. 2 dihubungkan ke jaringan - ini menyelesaikan pembangunan stasiun tahap pertama.
Sebagian besar sejarah beroperasinya BNPP tahap 1 dipenuhi dengan romansa dan drama, ciri khas segala sesuatu yang baru. Hal ini terutama terjadi pada periode pengembangan blok. Diyakini bahwa seharusnya tidak ada masalah dengan hal ini - ada prototipe dari reaktor AM "Pertama di Dunia" hingga reaktor industri untuk produksi plutonium, yang berisi konsep dasar, teknologi, solusi desain, berbagai jenis peralatan dan sistem, dan bahkan sebagian besar rezim teknologi pun diuji. Namun ternyata perbedaan antara pembangkit listrik tenaga nuklir industri dengan pendahulunya begitu besar dan unik sehingga muncul permasalahan baru yang sebelumnya tidak diketahui.
Yang terbesar dan paling jelas adalah keandalan saluran evaporasi dan superheating yang tidak memuaskan. Setelah periode operasi yang singkat, depresurisasi gas pada elemen bahan bakar atau kebocoran cairan pendingin muncul dengan konsekuensi yang tidak dapat diterima terhadap pasangan bata grafit reaktor, mode operasi dan perbaikan teknologi, paparan radiasi pada personel dan lingkungan. Menurut kanon ilmiah dan standar perhitungan pada masa itu, hal ini seharusnya tidak terjadi. Studi mendalam tentang fenomena baru ini memaksa kita untuk mempertimbangkan kembali gagasan yang sudah ada tentang hukum dasar air mendidih dalam pipa, karena bahkan dengan kerapatan fluks panas yang rendah, jenis krisis perpindahan panas yang sebelumnya tidak diketahui muncul, yang ditemukan pada tahun 1979 oleh VE. Doroshchuk (VTI) dan kemudian disebut sebagai “krisis perpindahan panas jenis kedua”.
Pada tahun 1968, keputusan dibuat untuk membangun unit tenaga ketiga dengan reaktor neutron cepat di PLTN Beloyarsk - BN-600. Bimbingan ilmiah Pembuatan BN-600 dilakukan oleh Institut Fisika dan Teknik Tenaga, desain pembangkit reaktor dilakukan oleh Biro Desain Teknik Mesin Eksperimental, dan desain umum unit dilakukan oleh Biro Desain Cabang Leningrad. Proyek atomelektro. Blok ini dibangun oleh kontraktor umum - perwalian Uralenergostroy.
Saat merancangnya, pengalaman pengoperasian reaktor BN-350 di Shevchenko dan reaktor BOR-60 diperhitungkan. Untuk BN-600, tata letak integral sirkuit primer yang lebih ekonomis dan sukses secara struktural diadopsi, yang menurutnya inti reaktor, pompa, dan penukar panas perantara ditempatkan dalam satu wadah. Bejana reaktor, yang berdiameter 12,8 m dan tinggi 12,5 m, dipasang pada penyangga roller yang dipasang pada pelat dasar poros reaktor. Massa reaktor rakitan adalah 3900 ton, dan jumlah total natrium dalam instalasi melebihi 1900 ton. Perlindungan biologis terbuat dari saringan silinder baja, blanko baja dan pipa dengan pengisi grafit.
Persyaratan kualitas untuk pekerjaan pemasangan dan pengelasan BN-600 ternyata jauh lebih tinggi daripada yang dicapai sebelumnya, dan tim instalasi harus segera melatih kembali personel dan menguasai teknologi baru. Jadi pada tahun 1972, ketika merakit bejana reaktor dari baja austenitik, betatron digunakan untuk pertama kalinya untuk mengontrol transmisi pengelasan besar.
Selain itu, selama pemasangan perangkat internal reaktor BN-600, persyaratan kebersihan khusus diberlakukan, dan semua bagian yang dibawa masuk dan dikeluarkan dari ruang intra-reaktor dicatat. Hal ini disebabkan oleh ketidakmungkinan pembilasan lebih lanjut reaktor dan jaringan pipa dengan pendingin natrium.
Nikolai Muravyov memainkan peran utama dalam pengembangan teknologi instalasi reaktor, dan dia diundang untuk bekerja Nizhny Novgorod, tempat dia sebelumnya bekerja di biro desain. Ia adalah salah satu pengembang proyek reaktor BN-600, dan saat itu ia sudah pensiun.
Tim instalasi berhasil menyelesaikan tugas yang diberikan untuk memasang unit neutron cepat. Mengisi reaktor dengan natrium menunjukkan bahwa kemurnian sirkuit dipertahankan lebih tinggi dari yang dibutuhkan, karena titik tuang natrium, yang bergantung pada logam cair dari adanya kontaminan asing dan oksida, ternyata lebih rendah daripada yang dicapai selama pemasangan reaktor BN-350, BOR-60 di Uni Soviet dan pembangkit listrik tenaga nuklir " Phoenix" di Perancis.
Keberhasilan tim instalasi dalam pembangunan PLTN Beloyarsk sangat bergantung pada pengelolanya. Pertama adalah Pavel Ryabukha, kemudian Vladimir Nevsky muda yang energik datang, kemudian ia digantikan oleh Vazgen Kazarov. V. Nevsky melakukan banyak hal untuk pembentukan tim pemasang. Pada tahun 1963, ia diangkat sebagai direktur Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir Beloyarsk, dan kemudian ia mengepalai Glavatomenergo, di mana ia bekerja keras untuk mengembangkan industri tenaga nuklir di negara tersebut.
Akhirnya, pada tanggal 8 April 1980, penyalaan listrik unit tenaga No. 3 PLTN Beloyarsk dengan reaktor neutron cepat BN-600 dilakukan. Beberapa karakteristik desain BN-600:
- tenaga listrik – 600 MW;
- tenaga panas – 1470 MW;
- suhu uap – 505 o C;
- tekanan uap – 13,7 MPa;
- efisiensi termodinamika bruto – 40,59%.
Perhatian khusus harus diberikan pada pengalaman menangani natrium sebagai pendingin. Ia memiliki sifat termofisika nuklir yang baik dan memuaskan, serta kompatibel dengan baja tahan karat, uranium, dan plutonium dioksida. Terakhir, harganya tidak langka dan relatif murah. Namun, ia sangat aktif secara kimia, oleh karena itu penggunaannya memerlukan solusi dari setidaknya dua masalah serius: meminimalkan kemungkinan kebocoran natrium dari sirkuit sirkulasi dan kebocoran antar sirkuit pada pembangkit uap dan memastikan lokalisasi yang efektif dan penghentian pembakaran natrium di jika terjadi kebocoran.
Tugas pertama secara umum diselesaikan dengan cukup berhasil pada tahap pengembangan peralatan dan proyek saluran pipa. Tata letak integral reaktor ternyata sangat berhasil, di mana semua peralatan utama dan saluran pipa dari sirkuit pertama dengan natrium radioaktif “tersembunyi” di dalam bejana reaktor, dan oleh karena itu kebocorannya, pada prinsipnya, hanya mungkin terjadi dari a beberapa sistem tambahan.
Meskipun BN-600 saat ini merupakan unit pembangkit listrik dengan reaktor neutron cepat terbesar di dunia, PLTN Beloyarsk bukanlah salah satu pembangkit listrik tenaga nuklir dengan kapasitas terpasang yang besar. Perbedaan dan keunggulannya ditentukan oleh kebaruan dan keunikan produksi, tujuan, teknologi, dan peralatannya. Semua instalasi reaktor BelNPP dimaksudkan untuk konfirmasi industri percontohan atau penolakan ide dan solusi teknis yang ditetapkan oleh perancang dan konstruktor, penelitian rezim teknologi, bahan struktural, elemen bahan bakar, sistem kontrol dan pelindung.
Ketiga unit tenaga tersebut tidak memiliki analog langsung baik di dalam negeri maupun di luar negeri. Mereka mewujudkan banyak gagasan untuk pengembangan energi nuklir di masa depan:
- unit daya dengan reaktor grafit air saluran skala industri dibangun dan ditugaskan;
- unit turbo serial dengan parameter tinggi dengan efisiensi siklus daya termal dari 36 hingga 42% digunakan, yang tidak dimiliki pembangkit listrik tenaga nuklir di dunia;
- rakitan bahan bakar digunakan, desain yang mengecualikan kemungkinan aktivitas fragmentasi memasuki cairan pendingin bahkan ketika batang bahan bakar dihancurkan;
- baja karbon digunakan pada sirkuit utama reaktor unit ke-2;
- teknologi penggunaan dan penanganan cairan pendingin logam sebagian besar telah dikuasai;
PLTN Beloyarsk adalah pembangkit listrik tenaga nuklir pertama di Rusia yang dalam praktiknya menghadapi kebutuhan untuk memecahkan masalah penonaktifan pembangkit listrik tenaga nuklir bekas. Pengembangan bidang kegiatan ini, yang sangat relevan bagi seluruh industri energi nuklir, memiliki masa inkubasi yang lama karena kurangnya dasar dokumen organisasi dan peraturan serta belum terselesaikannya masalah dukungan keuangan.
Masa pengoperasian PLTN Beloyarsk selama lebih dari 50 tahun memiliki tiga tahapan yang cukup berbeda, yang masing-masing memiliki bidang kegiatannya sendiri, kesulitan spesifik dalam implementasinya, keberhasilan dan kekecewaannya.
Tahap pertama (dari tahun 1964 hingga pertengahan 70-an) seluruhnya terkait dengan peluncuran, pengembangan dan pencapaian tingkat desain kekuatan unit daya tahap 1, banyak pekerjaan rekonstruksi dan penyelesaian masalah yang terkait dengan desain unit yang tidak sempurna, rezim teknologi dan memastikan pengoperasian saluran bahan bakar yang berkelanjutan. Semua ini membutuhkan upaya fisik dan intelektual yang sangat besar dari staf stasiun, yang sayangnya, tidak dimahkotai dengan keyakinan akan kebenaran dan prospek pemilihan reaktor uranium-grafit dengan uap superheating nuklir untuk pengembangan lebih lanjut energi nuklir. Namun, sebagian besar dari akumulasi pengalaman operasi tahap pertama diperhitungkan oleh perancang dan konstruktor ketika membuat reaktor uranium-grafit generasi berikutnya.
Awal tahun 70-an dikaitkan dengan pilihan arah baru untuk pengembangan lebih lanjut energi nuklir negara - pembangkit listrik tenaga nuklir cepat dengan prospek selanjutnya untuk membangun beberapa unit tenaga dengan reaktor pemulia yang menggunakan bahan bakar campuran uranium-plutonium. Saat menentukan lokasi pembangunan unit industri percontohan pertama yang menggunakan neutron cepat, pilihan jatuh pada PLTN Beloyarsk. Pilihan ini sangat dipengaruhi oleh pengakuan atas kemampuan tim konstruksi, pemasang, dan personel pabrik untuk membangun unit daya unik ini dengan baik dan kemudian memastikan pengoperasiannya yang andal.
Keputusan ini menandai tahap kedua dalam pengembangan PLTN Beloyarsk, yang sebagian besar telah selesai dengan keputusan Komisi Negara untuk menerima penyelesaian pembangunan unit tenaga dengan reaktor BN-600 dengan peringkat “sangat baik”, jarang digunakan dalam praktek.
Penjaminan kualitas pekerjaan pada tahap ini dipercayakan kepada spesialis terbaik baik dari kontraktor konstruksi dan instalasi serta dari personel pengoperasian stasiun. Personil pembangkit listrik memperoleh pengalaman luas dalam menyiapkan dan menguasai peralatan pembangkit listrik tenaga nuklir, yang digunakan secara aktif dan bermanfaat selama pekerjaan commissioning di pembangkit listrik tenaga nuklir Chernobyl dan Kursk. Perhatian khusus harus diberikan pada PLTN Bilibino, di mana, selain pekerjaan commissioning, analisis mendalam terhadap proyek tersebut juga dilakukan, yang menjadi dasar sejumlah perbaikan signifikan yang dilakukan.
Dengan diresmikannya blok ketiga, tahap ketiga keberadaan stasiun dimulai, yang telah berlangsung selama lebih dari 35 tahun. Tujuan dari tahap ini adalah untuk mencapai parameter desain unit, mengkonfirmasi kelayakan solusi desain dalam praktik dan mendapatkan pengalaman pengoperasian untuk pertimbangan selanjutnya dalam desain unit serial dengan reaktor pemulia. Semua tujuan tersebut kini telah berhasil dicapai.
Konsep keselamatan yang ditetapkan dalam desain unit secara umum telah dikonfirmasi. Karena titik didih natrium hampir 300 o C lebih tinggi dari Suhu Operasional, Reaktor BN-600 beroperasi hampir tanpa tekanan di dalam bejana reaktor, yang dapat dibuat dari baja yang sangat plastis. Hal ini hampir menghilangkan kemungkinan berkembangnya retakan dengan cepat. Dan skema perpindahan panas tiga sirkuit dari inti reaktor dengan peningkatan tekanan di setiap sirkuit berikutnya sepenuhnya menghilangkan kemungkinan natrium radioaktif dari sirkuit pertama masuk ke sirkuit kedua (non-radioaktif), dan terlebih lagi ke dalam sirkuit. sirkuit ketiga air-uap.
Konfirmasi pencapaian tingkat keselamatan dan keandalan BN-600 yang tinggi adalah analisis keselamatan yang dilakukan setelah kecelakaan di pembangkit listrik tenaga nuklir Chernobyl, yang tidak mengungkapkan perlunya perbaikan teknis yang mendesak. Statistik aktivasi perlindungan darurat, penghentian darurat, pengurangan daya operasi yang tidak direncanakan, dan kegagalan lainnya menunjukkan bahwa reaktor BN-6OO setidaknya termasuk di antara 25% unit nuklir terbaik di dunia.
Berdasarkan hasil kompetisi tahunan PLTN Beloyarsk pada tahun 1994, 1995, 1997 dan 2001. dianugerahi gelar "PLTN Terbaik di Rusia".
Unit daya No. 4 dengan reaktor neutron cepat BN-800 sedang dalam tahap pra-startup. Unit daya baru ke-4 dengan reaktor BN-800 berkapasitas 880 MW dinaikkan ke tingkat daya minimum yang dikendalikan pada 27 Juni 2014. Unit daya dirancang untuk secara signifikan memperluas basis bahan bakar energi nuklir dan meminimalkan limbah radioaktif melalui pengaturan siklus bahan bakar nuklir tertutup.
Kemungkinan perluasan lebih lanjut PLTN Beloyarsk dengan unit daya No. 5 dengan reaktor cepat berkapasitas 1.200 MW - unit daya komersial utama untuk konstruksi serial sedang dipertimbangkan.
Ketika kita diberitahu, misalnya, bahwa “pembangkit listrik tenaga surya dengan kapasitas 1.200 MW telah dibangun”, bukan berarti pembangkit listrik tenaga surya ini akan menyediakan listrik dalam jumlah yang sama dengan VVER-1200. reaktor nuklir menyediakan. Panel surya tidak dapat bekerja pada malam hari - oleh karena itu, jika dirata-ratakan berdasarkan musim, panel surya akan menganggur selama setengah hari, dan ini sudah mengurangi faktor kapasitas hingga setengahnya. Panel surya, bahkan varietas terbaru, bekerja jauh lebih buruk dalam cuaca berawan, dan nilai rata-rata di sini juga tidak menggembirakan - awan disertai hujan dan salju, kabut mengurangi faktor kapasitas hingga setengahnya. “SPP berkapasitas 1.200 MW” memang terdengar nyaring, namun kita harus ingat angka 25% - kapasitas ini secara teknologi hanya bisa dimanfaatkan sebesar ¼.
Panel surya, tidak seperti pembangkit listrik tenaga nuklir, beroperasi bukan selama 60-80 tahun, tetapi selama 3-4 tahun, kehilangan kemungkinan konversi sinar matahari menjadi arus listrik. Anda tentu saja dapat berbicara tentang semacam “generasi yang lebih murah”, tetapi ini adalah tipuan. Pembangkit listrik tenaga surya membutuhkan wilayah yang luas; sejauh ini belum ada yang benar-benar menangani masalah pembuangan panel surya bekas di mana pun. Daur ulang memerlukan pengembangan teknologi yang cukup serius, yang kemungkinan besar tidak ramah lingkungan. Jika kita berbicara tentang pembangkit listrik yang menggunakan tenaga angin, maka kata-katanya harus digunakan hampir sama, karena dalam hal ini faktor kapasitasnya sekitar seperempat dari kapasitas terpasang. Kadang-kadang, alih-alih angin, yang ada malah tenang, kadang-kadang angin begitu kencang sehingga memaksa “pabrik” untuk berhenti, karena mengancam keutuhan strukturnya.
Keanehan cuaca energi energi terbarukan
Tidak ada jalan keluar dari “kelemahan” kedua dalam sumber energi terbarukan. Pembangkit listrik yang berbasis di dalamnya beroperasi bukan pada saat listrik yang dihasilkannya dibutuhkan oleh konsumen, melainkan pada saat cuaca di luar cerah atau angin berkekuatan sesuai. Ya, pembangkit listrik seperti itu bisa menghasilkan listrik, tapi bagaimana jika jaringan transmisi listrik tidak mampu menerimanya? Angin bertiup pada malam hari, Anda dapat menyalakan pembangkit listrik tenaga angin (power plant), tetapi pada malam hari Anda dan saya tidur, dan perusahaan tidak berfungsi. Ya, pembangkit listrik tradisional yang berbasis sumber daya terbarukan, seperti pembangkit listrik tenaga air, mampu mengatasi masalah ini dengan meningkatkan pembuangan air yang menganggur (“melewati turbin”) atau sekadar mengumpulkan pasokan air di reservoirnya, namun jika terjadi banjir, hal ini tidak mudah bagi mereka. Dan untuk pembangkit listrik tenaga surya dan angin, teknologi penyimpanan energi belum begitu berkembang untuk “menyimpan” listrik yang dihasilkan pada saat konsumsi jaringan meningkat.
Ada juga sisi lain dari mata uang tersebut. Akankah investor berinvestasi dalam pembangunan, misalnya, pembangkit listrik tenaga gas di wilayah yang banyak memasang panel surya? Bagaimana Anda dapat memperoleh kembali uang yang diinvestasikan jika pembangkit listrik “Anda” tidak berfungsi separuh waktu? Periode pengembalian, bunga bank... “Oh, kenapa aku membutuhkan ini? sakit kepala!» - kata kapitalis yang berhati-hati dan tidak membangun apa pun. Dan di sini kita mengalami anomali cuaca, hujan turun selama seminggu dengan sangat tenang. Dan teriakan para konsumen yang marah karena terpaksa menyalakan generator diesel di halaman depan rumah mereka memudar menjadi gemuruh. Anda tidak bisa memaksa investor untuk membangun pembangkit listrik tenaga panas; tanpa manfaat dan subsidi dari negara, mereka tidak akan mengambil risiko. Dan hal ini, bagaimanapun juga, menjadi beban tambahan bagi anggaran negara, juga jika negara, karena tidak menemukan investor yang akomodatif, membangun pembangkit listrik tenaga panas sendiri.
Kita sering mendengar tentang berapa banyak panel surya yang digunakan di Jerman, bukan? Namun pada saat yang sama, jumlah pembangkit listrik yang menggunakan batu bara lokal di negara ini terus bertambah, tanpa ampun melepaskan “e-two” ke atmosfer yang harus dilawan untuk memenuhi ketentuan Perjanjian Paris tahun 2015. “Pembangkit listrik coklat” terpaksa membangun pemerintah federal Jerman, badan pemerintahan negara bagian federal - mereka tidak punya pilihan lain, jika tidak, para penggemar “energi hijau” akan turun ke jalan untuk memprotes karena fakta bahwa tidak ada arus di soketnya, sehingga di malam hari Anda harus duduk di dekat obor.
Tentu saja kita melebih-lebihkan, tetapi hanya untuk membuat situasi yang tidak masuk akal menjadi lebih jelas. Jika pembangkitan listrik benar-benar bergantung pada cuaca, maka secara teknis tidak mungkin memenuhi kebutuhan dasar listrik dengan menggunakan sinar matahari dan angin. Ya, secara teoritis, adalah mungkin untuk menghubungkan seluruh Eropa dengan Afrika dengan saluran listrik tambahan (saluran listrik) sehingga arus dari Sahara yang cerah sampai ke rumah-rumah yang berdiri di pantai suram Laut Utara, tetapi ini membutuhkan biaya yang sangat besar. , periode pengembaliannya mendekati tak terbatas. Haruskah ada pembangkit listrik tenaga batu bara atau gas di samping setiap pembangkit listrik tenaga surya? Mari kita ulangi, namun pembakaran sumber energi hidrokarbon di pembangkit listrik tidak memungkinkan penerapan penuh ketentuan Perjanjian Paris tentang pengurangan emisi CO2.
Pembangkit listrik tenaga nuklir sebagai basis “energi hijau”
Jalan buntu? Bagi negara-negara yang telah memutuskan untuk menghilangkan energi nuklir, inilah saatnya. Tentu saja mereka mencari jalan keluarnya. Mereka memperbaiki sistem pembakaran batu bara dan gas, meninggalkan pembangkit listrik berbahan bakar minyak, berupaya meningkatkan efisiensi tungku, pembangkit uap, dan ketel uap, serta meningkatkan upaya penggunaan teknologi hemat energi. Ini bagus, ini bermanfaat, ini harus dilakukan. Tapi Rusia dan negaranya Rosatom Mereka mengusulkan pilihan yang jauh lebih radikal - membangun pembangkit listrik tenaga nuklir.
Pembangunan pembangkit listrik tenaga nuklir, Foto: rusatom-overseas.com
Apakah metode ini tampak paradoks bagi Anda? Mari kita lihat dari sudut pandang logis. Pertama, tidak ada emisi CO 2 dari reaktor nuklir reaksi kimia, nyala api tidak mengaum dengan liar di dalamnya. Oleh karena itu, pemenuhan syarat-syarat Perjanjian Paris “terjadi”. Poin kedua adalah skala pembangkitan listrik di pembangkit listrik tenaga nuklir. Dalam kebanyakan kasus, lokasi pembangkit listrik tenaga nuklir memiliki setidaknya dua, atau bahkan keempat reaktor; total kapasitas terpasangnya sangat besar, dan faktor kapasitasnya selalu melebihi 80%. “Terobosan” listrik ini cukup untuk memenuhi kebutuhan tidak hanya satu kota, namun seluruh wilayah. Namun reaktor nuklir “tidak suka” jika dayanya diubah. Maaf, sekarang akan ada sedikit detail teknis untuk memperjelas maksud kami.
Sistem kendali dan proteksi reaktor nuklir
Prinsip pengoperasian reaktor daya secara skematis tidak begitu rumit. Energi inti atom diubah menjadi energi panas cairan pendingin, energi panas diubah menjadi energi mekanik rotor generator listrik, yang selanjutnya diubah menjadi energi listrik.
Atom – termal – mekanik – listrik, ini adalah sejenis siklus energi.
Pada akhirnya, daya listrik reaktor bergantung pada kekuatan reaksi berantai atom fisi bahan bakar nuklir yang terkendali dan terkendali. Kami menekankan – terkendali dan dapat dikelola. Sayangnya, kita telah mengetahui dengan baik sejak tahun 1986 apa yang terjadi jika reaksi berantai tidak terkendali dan tidak terkendali.
Bagaimana jalannya reaksi berantai dipantau dan dikendalikan, apa yang perlu dilakukan agar reaksi tersebut tidak segera menyebar ke seluruh volume uranium yang terkandung dalam “kuali nuklir”? Mari kita mengingat kebenaran sekolah tanpa membahas detail ilmiah fisika nuklir - ini sudah cukup.
Apa yang dimaksud dengan reaksi berantai “di jari”, jika ada yang lupa: satu neutron datang, dua neutron mati, dua neutron mati empat, dan seterusnya. Jika jumlah neutron bebas ini menjadi terlalu besar, reaksi fisi akan menyebar ke seluruh volume uranium, dan mengancam akan berkembang menjadi “ledakan besar”. Ya tentu, ledakan nuklir tidak akan terjadi, hal ini mensyaratkan kandungan isotop uranium-235 dalam bahan bakar melebihi 60%, dan dalam reaktor daya pengayaan bahan bakar tidak melebihi 5%. Tapi bahkan tanpa ledakan atom masalahnya akan berada di luar jangkauan Anda. Pendingin akan menjadi terlalu panas, tekanannya di dalam pipa akan meningkat secara superkritis, setelah pecah, integritas kumpulan bahan bakar dapat terganggu dan semua zat radioaktif akan keluar dari reaktor, mencemari area sekitarnya dan meledak ke atmosfer. Namun, rincian bencana pembangkit listrik tenaga nuklir Chernobyl diketahui semua orang, kami tidak akan mengulanginya.
Kecelakaan di pembangkit listrik tenaga nuklir Chernobyl, Foto: meduza.io
Salah satu komponen utama reaktor nuklir adalah sistem kendali dan proteksi. Neutron bebas tidak boleh lebih dari nilai yang dihitung secara kaku, tetapi tidak boleh kurang dari nilai ini - ini akan menyebabkan pelemahan reaksi berantai, pembangkit listrik tenaga nuklir akan “berhenti”. Di dalam reaktor harus terdapat zat yang dapat menyerap kelebihan neutron, namun dalam jumlah yang memungkinkan terjadinya reaksi berantai. Fisikawan nuklir telah lama mengetahui zat mana yang melakukan yang terbaik - isotop boron-10, sehingga sistem kontrol dan perlindungannya juga disebut "boron".
Batang dengan boron termasuk dalam desain reaktor dengan grafit dan moderator air; bagi mereka terdapat saluran teknologi yang sama seperti untuk batang bahan bakar dan elemen bahan bakar. Penghitung neutron dalam reaktor beroperasi terus menerus, secara otomatis memberikan perintah kepada sistem yang mengendalikan batang boron, yang menggerakkan batang, membenamkannya ke dalam atau mengeluarkannya dari reaktor. Pada awal sesi bahan bakar, ada banyak uranium di dalam reaktor - batang boron terbenam lebih dalam. Waktu berlalu, uranium terbakar, dan batang boron mulai dihilangkan secara bertahap - jumlah neutron bebas harus tetap konstan. Ya, kami mencatat bahwa ada juga batang boron “darurat” yang “menggantung” di atas reaktor. Jika terjadi pelanggaran yang berpotensi membuat reaksi berantai menjadi tidak terkendali, pelanggaran tersebut akan langsung dimasukkan ke dalam reaktor, sehingga mematikan reaksi berantai sejak awal. Pipa pecah, terjadi kebocoran cairan pendingin - ini adalah risiko panas berlebih, batang boron darurat langsung terpicu. Mari kita hentikan reaksinya dan perlahan cari tahu apa yang sebenarnya terjadi dan bagaimana cara memperbaiki masalahnya, dan risikonya harus dikurangi menjadi nol.
Ada neutron yang berbeda, tapi boron kita sama
Logika sederhana, seperti yang Anda lihat, menunjukkan bahwa menambah dan mengurangi daya energi reaktor nuklir – “manuver daya”, seperti yang dikatakan para insinyur tenaga listrik – adalah pekerjaan yang sangat sulit, yang didasarkan pada fisika nuklir dan mekanika kuantum. Sedikit lagi “mendalami prosesnya”, jangan terlalu jauh, jangan takut. Dalam setiap reaksi fisi bahan bakar uranium, neutron bebas sekunder terbentuk - sama dengan yang dalam rumus sekolah “menghancurkan dua neutron”. Dalam reaktor daya, dua neutron sekunder terlalu banyak; untuk pengendalian dan pengendalian reaksi, diperlukan koefisien 1,02. 100 neutron tiba, 200 neutron tersingkir, dan dari 200 neutron sekunder ini, 98 harus “makan”, menyerap boron-10 yang sama. Boron menekan aktivitas berlebihan, kami dapat memberi tahu Anda hal itu dengan pasti.
Tapi ingat apa yang terjadi jika Anda memberi anak Anda seember es krim - dia akan dengan senang hati memakan 5-6 porsi pertama, dan kemudian pergi karena dia “tidak bisa muat lagi”. Manusia terbuat dari atom, oleh karena itu sifat atom tidak berbeda dengan kita. Boron-10 bisa memakan neutron, tapi jumlahnya tidak terbatas, “tidak bisa muat lagi” yang sama pasti akan datang. Para pria berjanggut berjas putih di pembangkit listrik tenaga nuklir curiga bahwa banyak orang menyadari bahwa pada dasarnya para ilmuwan nuklir tetaplah anak-anak yang penuh rasa ingin tahu, sehingga mereka mencoba menggunakan kosakata yang “dewasa” mungkin. Boron dalam kosa kata mereka bukanlah "dimakan oleh neutron", tetapi "terbakar habis" - ini kedengarannya jauh lebih terhormat, Anda setuju. Dengan satu atau lain cara, setiap permintaan dari jaringan listrik untuk “mematikan reaktor” menyebabkan kelelahan yang lebih parah pada sistem perlindungan dan pengendalian boron dan menyebabkan kesulitan tambahan.
Model reaktor neutron cepat, Foto: topwar.ru
Dengan koefisien 1,02, semuanya juga tidak sesederhana itu, karena selain neutron sekunder cepat yang muncul segera setelah reaksi fisi, ada juga neutron tertunda. Setelah fisi, atom uranium hancur, dan neutron juga terbang keluar dari pecahan ini, tetapi setelah beberapa mikrodetik. Dibandingkan dengan yang instan memang sedikit, hanya sekitar 1%, namun dengan koefisien 1,02 sangat penting, karena 1,02 peningkatannya hanya 2%. Oleh karena itu, penghitungan jumlah boron harus dilakukan dengan sangat akurat, terus-menerus menyeimbangkan “reaksi menjadi tidak terkendali – penghentian reaktor yang tidak terjadwal”. Oleh karena itu, dalam menanggapi setiap tuntutan, “nyalakan gas!” atau “Pelan-pelan, kenapa kamu begitu bersemangat!” reaksi berantai dari peralihan tugas pembangkit listrik tenaga nuklir dimulai, ketika setiap pekerja nuklir di stafnya menawarkan lebih banyak ekspresi idiomatik...
Dan sekali lagi tentang pembangkit listrik tenaga nuklir sebagai basis “energi hijau”
Sekarang mari kita kembali ke bagian terakhir yang kita tinggalkan - kapasitas pembangkit listrik yang tinggi, di wilayah luas yang dilayani oleh pembangkit listrik tenaga nuklir. Semakin luas wilayahnya, semakin besar peluang untuk menempatkan RES yang didukung oleh RES. Semakin banyak ES, semakin tinggi kemungkinan bahwa puncak konsumsi akan bertepatan dengan periode pembangkitan terbesarnya. Dari sinilah listrik dari panel surya akan berasal, dari sinilah energi angin akan berasal, dari sinilah gelombang pasang akan berhasil menerjang ke samping, dan secara keseluruhan akan memuluskan beban puncak, sehingga memungkinkan para pekerja nuklir pada saat yang sama. pembangkit listrik tenaga nuklir untuk minum teh dengan tenang, melihat penghitung neutron yang bekerja secara monoton, tanpa gangguan.
Energi Terbarukan, hsto.org
Semakin tenang situasi di pembangkit listrik tenaga nuklir, semakin gemuk pula para burgernya, karena mereka dapat terus memanaskan sosis di atas panggangan tanpa masalah. Seperti yang Anda lihat, tidak ada yang paradoks dalam kombinasi sumber energi terbarukan dan pembangkit listrik tenaga nuklir sebagai basisnya, yang terjadi justru sebaliknya - kombinasi seperti itu, jika dunia secara serius memutuskan untuk memerangi emisi CO 2, adalah jalan keluar yang optimal. situasi tersebut, tanpa mencoret semua opsi untuk modernisasi dan peningkatan pembangkit listrik tenaga panas yang telah kita bicarakan.
Melanjutkan “gaya kanguru”, kami menyarankan “melompat” ke kalimat pertama artikel ini – tentang keterbatasan sumber daya energi tradisional di planet Bumi. Oleh karena itu, arah utama dan strategis pengembangan energi adalah penaklukan reaksi termonuklir, namun teknologinya sangat kompleks dan memerlukan upaya bersama yang terkoordinasi dari para ilmuwan dan perancang dari semua negara, investasi serius, dan kerja keras bertahun-tahun. Berapa lama waktu yang dibutuhkan kini bisa ditebak dengan menggunakan ampas kopi atau isi perut burung, namun Anda perlu merencanakannya, tentunya untuk skenario yang paling pesimistis. Kita perlu mencari bahan bakar yang dapat menyediakan pembangkitan dasar yang sama selama mungkin. Tampaknya terdapat banyak minyak dan gas, namun populasi bumi juga terus bertambah, dan semakin banyak negara kerajaan yang berupaya mencapai tingkat konsumsi yang sama seperti di negara-negara “miliar emas”. Menurut para ahli geologi, bahan bakar fosil hidrokarbon masih tersisa di Bumi selama 100-150 tahun, kecuali konsumsinya meningkat lebih cepat dibandingkan saat ini. Dan tampaknya hal itu akan menjadi seperti itu, karena populasinya negara berkembang mendambakan peningkatan tingkat kenyamanan...
Reaktor cepat
Jalan keluar dari situasi yang diusulkan oleh proyek nuklir Rusia ini sudah diketahui; ini adalah penutupan siklus bahan bakar nuklir melalui keterlibatan reaktor pemulia nuklir dan reaktor neutron cepat dalam prosesnya. Peternak adalah reaktor yang, sebagai hasil dari sesi bahan bakar, keluaran bahan bakar nuklir lebih banyak dari yang dimuat pada awalnya, reaktor pemulia. Mereka yang belum sepenuhnya melupakan pelajaran fisika sekolah mungkin bertanya-tanya: permisi, tapi bagaimana dengan hukum kekekalan massa? Jawabannya sederhana - tidak mungkin, karena dalam reaktor nuklir prosesnya adalah nuklir, dan hukum kekekalan massa tidak berlaku dalam bentuk klasiknya.
Lebih dari seratus tahun yang lalu, Albert Einstein menghubungkan massa dan energi dalam teori relativitas khususnya, dan dalam reaktor nuklir teori ini sangat praktis. Jumlah total energi adalah kekal, tetapi dalam hal ini tidak ada pertanyaan tentang kekekalan jumlah massa total. Cadangan energi yang sangat besar “tertidur” di dalam atom bahan bakar nuklir, yang dilepaskan sebagai akibat dari reaksi fisi; kita menggunakan sebagian dari cadangan ini untuk keuntungan kita sendiri, dan bagian lainnya secara ajaib mengubah atom uranium-238 menjadi campuran atom. dari isotop plutonium. Reaktor neutron cepat, dan hanya mereka, memungkinkan untuk mengubah komponen utama bijih uranium - uranium-238 - menjadi sumber bahan bakar. Cadangan uranium-235, yang habis isinya dan tidak digunakan dalam reaktor nuklir termal, yang terakumulasi selama pengoperasian pembangkit listrik tenaga nuklir neutron termal berjumlah ratusan ribu ton, yang tidak perlu lagi diekstraksi dari tambang, yang tidak lagi diperlukan. untuk “dikelupas” dari batuan sisa - terdapat sejumlah besar uranium di pabrik pengayaan.
Bahan bakar MOX di ujung jari Anda
Secara teoritis hal ini dapat dimengerti, namun tidak sepenuhnya, jadi mari kita coba lagi “dengan jari kita”. Nama “MOX Fuel” hanyalah singkatan bahasa Inggris yang ditulis dengan huruf alfabet Slavia, yang ditulis sebagai MOX. Penjelasan – Bahan bakar Campuran-Oksida, terjemahan bebas – “bahan bakar yang terbuat dari oksida campuran”. Pada dasarnya, istilah ini mengacu pada campuran plutonium oksida dan uranium oksida, tetapi ini hanya pada dasarnya saja. Karena mitra Amerika kami yang terhormat tidak mampu menguasai teknologi untuk memproduksi bahan bakar MOX dari plutonium tingkat senjata, Rusia juga mengabaikan opsi ini. Namun pabrik yang kami bangun dirancang terlebih dahulu untuk bersifat universal - mampu memproduksi bahan bakar MOX dari bahan bakar bekas dari reaktor termal. Jika ada yang sudah membaca artikelnya Geoenergetika.ru dalam hal ini, ia ingat bahwa isotop plutonium 239, 240 dan 241 dalam bahan bakar bekas sudah “tercampur” - masing-masing ada 1/3, jadi dalam bahan bakar MOX yang dibuat dari bahan bakar bekas terdapat campuran plutonium, a jenis campuran di dalam campuran.
Bagian kedua dari campuran utama adalah uranium yang habis. Untuk melebih-lebihkan: kami mengambil campuran plutonium oksida yang diekstraksi dari bahan bakar nuklir bekas menggunakan proses PUREX, menambahkan uranium-238 tanpa pemilik dan mendapatkan bahan bakar MOX. Dalam hal ini, uranium-238 tidak berpartisipasi dalam reaksi berantai; hanya isotop plutonium campuran yang “terbakar”. Tapi uranium-238 tidak hanya “hadir” - kadang-kadang, dengan enggan, dari waktu ke waktu dibutuhkan satu neutron, berubah menjadi plutonium-239. Beberapa dari plutonium baru ini segera “terbakar”, sementara beberapa lainnya tidak punya waktu untuk melakukan hal ini sebelum sesi bahan bakar berakhir. Faktanya, itulah seluruh rahasianya.
Angka-angkanya sewenang-wenang, diambil begitu saja, hanya untuk kejelasan. Komposisi awal bahan bakar MOX adalah 100 kilogram plutonium oksida dan 900 kilogram uranium-238. Saat plutonium “terbakar”, 300 kilogram uranium-238 berubah menjadi plutonium tambahan, 150 kilogram di antaranya langsung “terbakar”, dan 150 kilogram tidak sempat. Mereka mengeluarkan bahan bakarnya dan “mengeluarkan” plutonium dari dalamnya, namun ternyata plutoniumnya lebih berat 50 kilogram dari aslinya. Atau sama saja, tetapi dengan kayu: Anda melemparkan 2 batang kayu ke dalam kotak api, kompor Anda memanas sepanjang malam, dan di pagi hari Anda mengeluarkan... tiga batang kayu. Dari 900 kg uranium-238 yang tidak berguna, yang tidak ikut serta dalam reaksi berantai, bila digunakan sebagai bagian dari bahan bakar MOX, kami memperoleh 150 kilogram bahan bakar, yang segera “terbakar” untuk keuntungan kami, dan 150 kilogram tersisa untuk selanjutnya. menggunakan. Dan limbah ini berkurang 300 kilo, uranium-238 yang tidak berguna, yang juga lumayan.
Rasio sebenarnya dari depleted uranium-238 dan plutonium dalam bahan bakar MOX, tentu saja, berbeda, karena dengan 7% plutonium dalam bahan bakar MOX, campuran tersebut berperilaku hampir sama dengan bahan bakar uranium konvensional dengan pengayaan sekitar 5% pada uranium-235. Tapi angka-angka yang kami hasilkan terlihat jelas prinsip utama Bahan bakar MOX - uranium-238 yang tidak berguna diubah menjadi bahan bakar nuklir, cadangannya yang besar menjadi sumber energi. Menurut perkiraan kasar, jika kita berasumsi bahwa di Bumi kita berhenti menggunakan bahan bakar hidrokarbon untuk menghasilkan listrik dan hanya beralih ke penggunaan uranium-238, maka hal itu akan bertahan selama 2.500 - 3.000 tahun. Waktu yang cukup lama untuk menguasai teknologi fusi termonuklir terkendali.
Bahan bakar MOX memungkinkan kita untuk memecahkan masalah lain secara bersamaan - untuk mengurangi cadangan bahan bakar bekas yang terakumulasi di semua negara anggota “klub nuklir”, dan untuk mengurangi jumlah limbah radioaktif yang terakumulasi dalam bahan bakar bekas. Intinya di sini bukan tentang beberapa sifat ajaib dari bahan bakar MOX, semuanya lebih membosankan. Jika bahan bakar nuklir bekas tidak digunakan dan kita mencoba mengirimkannya untuk penguburan geologis abadi, maka semua limbah tingkat tinggi yang dikandungnya harus dibuang bersamanya. Namun penggunaan teknologi untuk mendaur ulang bahan bakar nuklir bekas untuk mengekstrak plutonium darinya mau tidak mau memaksa kita untuk mengurangi volume limbah radioaktif tersebut. Dalam perjuangan untuk penggunaan plutonium, kita dipaksa untuk menghancurkan limbah radioaktif, tetapi pada saat yang sama proses penghancuran tersebut menjadi jauh lebih murah - lagi pula, plutonium digunakan.
Bahan bakar MOX adalah kesenangan mahal yang perlu dibuat murah
Pada saat yang sama, produksi bahan bakar MOX di Rusia dimulai baru-baru ini, bahkan dengan reaktor neutron cepat terbaru dan tercanggih - BN-800, transisi ke 100% penggunaan bahan bakar MOX terjadi secara online, dan juga belum selesai. . Wajar jika saat ini produksi bahan bakar MOX lebih mahal dibandingkan produksi bahan bakar uranium tradisional. Mengurangi biaya produksi, seperti di industri lainnya, dimungkinkan, pertama-tama, melalui produksi “konveyor” massal.
Oleh karena itu, agar penutupan siklus bahan bakar nuklir dapat dilakukan dari sudut pandang ekonomi, Rusia memerlukan lebih banyak reaktor neutron cepat; hal ini harus menjadi jalur strategis untuk pengembangan energi nuklir. Lebih banyak reaktor – bagus dan berbeda!
Pada saat yang sama, kita tidak boleh melupakan kemungkinan kedua menggunakan bahan bakar MOX - sebagai bahan bakar untuk reaktor VVER. Reaktor neutron cepat menghasilkan plutonium dalam jumlah tambahan yang tidak dapat mereka gunakan sendiri - mereka tidak membutuhkannya dalam jumlah banyak, tersedia cukup plutonium untuk reaktor VVER. Kami telah menulis di atas bahwa bahan bakar MOX, di mana 93% uranium-238 terkuras menyumbang 7% plutonium, berperilaku hampir sama dengan bahan bakar uranium konvensional. Namun penggunaan bahan bakar MOX pada reaktor termal menyebabkan penurunan efisiensi peredam neutron yang digunakan pada VVER. Alasannya adalah boron-10 menyerap neutron cepat jauh lebih buruk - ini adalah sifat fisiknya, yang tidak dapat kita pengaruhi dengan cara apa pun. Masalah yang sama muncul dengan batang boron darurat, yang tujuannya adalah untuk menghentikan reaksi berantai secara instan jika terjadi situasi darurat.
Solusi yang masuk akal adalah dengan mengurangi jumlah bahan bakar MOX di VVER menjadi 30-50%, yang telah diterapkan di beberapa reaktor air ringan di Perancis, Jepang dan negara lain. Namun bahkan dalam kasus ini, mungkin perlu untuk memodernisasi sistem boron dan menerapkan semua alasan keselamatan yang diperlukan, kerja sama dengan otoritas pengawas IAEA untuk mendapatkan izin penggunaan bahan bakar MOX dalam reaktor termal. Atau singkatnya, jumlah batang boron harus ditingkatkan, baik yang dimaksudkan untuk pengendalian maupun yang “disimpan” dalam keadaan darurat. Namun hanya perkembangan teknologi ini yang memungkinkan peralihan ke produksi massal bahan bakar jenis ini dan mengurangi biaya produksinya. Pada saat yang sama, hal ini akan memungkinkan penyelesaian masalah pengurangan jumlah bahan bakar nuklir bekas dan lebih aktif menggunakan cadangan uranium yang sudah habis.
Prospeknya dekat, tapi jalannya tidak mudah
Pengembangan teknologi ini, dikombinasikan dengan pembangunan reaktor pemulia plutonium energik - reaktor neutron cepat, akan memungkinkan Rusia tidak hanya menutup siklus bahan bakar nuklir, tetapi juga menjadikannya menarik secara ekonomi. Ada juga prospek besar untuk penggunaan bahan bakar SNUP (bahan bakar campuran nitrida uranium-plutonium). Rakitan bahan bakar eksperimental yang diiradiasi pada reaktor BN-600 pada tahun 2016 telah terbukti keefektifannya baik selama uji reaktor maupun berdasarkan hasil studi pasca reaktor. Hasil yang diperoleh memberikan kelanjutan pekerjaan untuk membenarkan penggunaan bahan bakar SNUP dalam pembuatan pabrik reaktor BREST-300 dan modul di lokasi untuk produksi bahan bakar SNUP di kompleks demonstrasi eksperimental yang sedang dibangun di Seversk. BREST-300 akan memungkinkan kita untuk terus mengembangkan teknologi yang diperlukan untuk sepenuhnya menutup siklus bahan bakar nuklir, memberikan solusi yang lebih lengkap terhadap masalah bahan bakar nuklir bekas dan limbah radioaktif, dan menerapkan ideologi “mengembalikan radioaktivitas ke alam sebanyak sebelumnya. diekstraksi.” Reaktor BREST-300, seperti halnya reaktor BN, merupakan reaktor neutron cepat yang hanya menekankan pada kebenaran arah strategis pengembangan energi nuklir – kombinasi reaktor air bertekanan dan reaktor neutron cepat.
Menguasai teknologi penggunaan 100% bahan bakar MOX pada BN-800 juga memberikan peluang untuk menciptakan reaktor BN-1200 - tidak hanya lebih bertenaga, tetapi juga lebih menguntungkan secara ekonomi. Keputusan untuk membuat reaktor BN-1200 di Rusia telah dibuat, yang berarti bahwa kecepatan penelitian oleh para ahli nuklir hanya perlu ditingkatkan, dan pembuatan MBIR, yang dijadwalkan pada tahun 2020, dapat sangat membantu dalam menyelesaikan semua masalah. , dalam menguasai teknologi penutupan bahan bakar lengkap siklus nuklir. Rusia adalah dan tetap menjadi satu-satunya negara yang telah menciptakan reaktor tenaga neutron cepat, memastikan kepemimpinan dunia kita dalam bidang energi nuklir yang paling penting ini.
Tentu saja, semua yang telah dikatakan hanyalah pengenalan pertama tentang ciri-ciri reaktor neutron cepat, tetapi kami akan mencoba melanjutkan, karena topik ini penting dan, menurut kami, cukup menarik.
Dalam kontak dengan
40 km dari Yekaterinburg, di tengah hutan Ural yang paling indah, adalah kota Zarechny. Pada tahun 1964, pembangkit listrik tenaga nuklir industri Soviet pertama, Beloyarskaya, diluncurkan di sini (dengan reaktor AMB-100 berkapasitas 100 MW). Kini PLTN Beloyarsk tetap menjadi satu-satunya di dunia yang mengoperasikan reaktor tenaga neutron cepat industri, BN-600.
Bayangkan sebuah ketel uap yang menguapkan air, dan uap yang dihasilkan memutar generator turbo yang menghasilkan listrik. Sesuatu seperti ini di garis besar umum dan pembangkit listrik tenaga nuklir dibangun. Hanya “boiler” yang merupakan energi peluruhan atom. Desain reaktor daya bisa berbeda-beda, tetapi menurut prinsip operasinya, reaktor tersebut dapat dibagi menjadi dua kelompok - reaktor neutron termal dan reaktor neutron cepat.
Dasar dari setiap reaktor adalah fisi inti berat di bawah pengaruh neutron. Benar, terdapat perbedaan yang signifikan. Dalam reaktor termal, uranium-235 difisi oleh neutron termal berenergi rendah, menghasilkan fragmen fisi dan neutron baru berenergi tinggi (disebut neutron cepat). Kemungkinan neutron termal diserap oleh inti uranium-235 (dengan fisi berikutnya) jauh lebih tinggi daripada yang cepat, sehingga neutron perlu diperlambat. Hal ini dilakukan dengan bantuan moderator—zat yang, ketika bertabrakan dengan inti atom, neutron kehilangan energi. Bahan bakar untuk reaktor termal biasanya berupa uranium yang diperkaya rendah, grafit, air ringan atau berat digunakan sebagai moderator, dan pendinginnya adalah air biasa. Sebagian besar pembangkit listrik tenaga nuklir yang beroperasi dibangun berdasarkan salah satu skema berikut.
Neutron cepat yang dihasilkan dari fisi nuklir paksa dapat digunakan tanpa moderasi apa pun. Skemanya adalah sebagai berikut: neutron cepat yang dihasilkan selama fisi inti uranium-235 atau plutonium-239 diserap oleh uranium-238 untuk membentuk (setelah dua peluruhan beta) plutonium-239. Selain itu, untuk setiap 100 inti uranium-235 atau plutonium-239 yang difisi, terbentuk 120−140 inti plutonium-239. Benar, karena kemungkinan fisi nuklir oleh neutron cepat lebih kecil dibandingkan dengan neutron termal, bahan bakar harus diperkaya lebih besar daripada reaktor termal. Selain itu, tidak mungkin menghilangkan panas menggunakan air di sini (air adalah moderator), sehingga pendingin lain harus digunakan: biasanya logam cair dan paduannya, dari pilihan yang sangat eksotik seperti merkuri (pendingin seperti itu digunakan dalam reaktor eksperimental Amerika pertama Clementine) atau paduan timbal - bismut (digunakan di beberapa reaktor untuk kapal selam - khususnya, kapal selam Proyek 705 Soviet) dengan natrium cair (pilihan paling umum dalam reaktor tenaga industri). Reaktor yang beroperasi menurut skema ini disebut reaktor neutron cepat. Ide reaktor semacam itu dikemukakan pada tahun 1942 oleh Enrico Fermi. Tentu saja, militer menunjukkan minat yang paling besar terhadap skema ini: reaktor cepat selama operasi tidak hanya menghasilkan energi, tetapi juga plutonium untuk senjata nuklir. Oleh karena itu, reaktor neutron cepat disebut juga breeder (dari bahasa Inggris breeder – producer).
Apa yang ada di dalam dirinya
Zona aktif reaktor neutron cepat memiliki struktur seperti bawang, berlapis-lapis. 370 unit bahan bakar membentuk tiga zona dengan pengayaan uranium-235 yang berbeda - 17, 21 dan 26% (awalnya hanya ada dua zona, tetapi untuk menyamakan pelepasan energi dibuat tiga zona). Mereka dikelilingi oleh layar samping (selimut), atau zona perkembangbiakan, di mana kumpulan yang mengandung uranium yang sudah habis atau alami, yang sebagian besar terdiri dari isotop 238, berada di ujung batang bahan bakar di atas dan di bawah inti juga terdapat tablet yang sudah habis uranium, yang membentuk layar akhir (zona reproduksi). Reaktor BN-600 merupakan pengganda (breeder), yaitu untuk 100 inti uranium-235 yang dibelah di inti, dihasilkan 120-140 inti plutonium di sekat samping dan ujung, sehingga memungkinkan perluasan reproduksi bahan bakar nuklir. . Rakitan bahan bakar (FA) adalah sekumpulan elemen bahan bakar (batang bahan bakar) yang dirangkai dalam satu wadah - tabung baja khusus yang diisi dengan pelet uranium oksida dengan berbagai pengayaan. Agar batang bahan bakar tidak saling bersentuhan dan cairan pendingin dapat bersirkulasi di antara keduanya, kawat tipis dililitkan pada tabung. Natrium memasuki rakitan bahan bakar melalui lubang pelambatan bawah dan keluar melalui jendela di bagian atas. Di bagian bawah rakitan bahan bakar terdapat betis yang dimasukkan ke dalam soket komutator, di bagian atas terdapat bagian kepala, yang digunakan untuk mencengkeram rakitan saat kelebihan beban. Rakitan bahan bakar dengan pengayaan berbeda memiliki lokasi pemasangan yang berbeda, sehingga tidak mungkin memasang rakitan di tempat yang salah. Untuk mengendalikan reaktor, digunakan 19 batang kompensasi yang mengandung boron (penyerap neutron) untuk mengkompensasi pembakaran bahan bakar, 2 batang kendali otomatis (untuk mempertahankan daya tertentu), dan 6 batang pelindung aktif. Karena latar belakang neutron uranium rendah, untuk menyalakan reaktor secara terkendali (dan mengendalikan pada tingkat daya rendah) digunakan “iluminasi” – sumber fotoneutron (pemancar gamma ditambah berilium).
Zigzag sejarah
Menariknya, sejarah energi nuklir dunia justru dimulai dengan reaktor neutron cepat. Pada tanggal 20 Desember 1951, reaktor tenaga neutron cepat pertama di dunia, EBR-I (Experimental Breeder Reactor), dengan daya listrik hanya 0,2 MW, diluncurkan di Idaho. Kemudian, pada tahun 1963, pembangkit listrik tenaga nuklir dengan reaktor neutron cepat Fermi diluncurkan di dekat Detroit - sudah berkapasitas sekitar 100 MW (pada tahun 1966 terjadi kecelakaan serius dengan mencairnya sebagian inti, tetapi tanpa konsekuensi apa pun bagi lingkungan atau orang).
Di Uni Soviet, sejak akhir 1940-an, Alexander Leypunsky telah mengerjakan topik ini, di bawah kepemimpinannya dasar-dasar teori reaktor cepat dikembangkan di Institut Fisika dan Energi Obninsk (FEI) dan beberapa tempat percobaan dibangun, yaitu memungkinkan untuk mempelajari fisika proses. Sebagai hasil penelitian, pada tahun 1972, pembangkit listrik tenaga nuklir neutron cepat Soviet pertama mulai beroperasi di kota Shevchenko (sekarang Aktau, Kazakhstan) dengan reaktor BN-350 (awalnya disebut BN-250). Ini tidak hanya menghasilkan listrik, tetapi juga menggunakan panas untuk desalinasi air. Segera pembangkit listrik tenaga nuklir Prancis dengan reaktor cepat Phenix (1973) dan pembangkit listrik Inggris dengan PFR (1974), keduanya berkapasitas 250 MW, diluncurkan.
Namun, pada tahun 1970an, reaktor neutron termal mulai mendominasi industri tenaga nuklir. Hal ini disebabkan oleh berbagai alasan. Misalnya, reaktor cepat dapat menghasilkan plutonium yang berarti dapat mengakibatkan pelanggaran undang-undang non-proliferasi senjata nuklir. Namun, kemungkinan besar faktor utamanya adalah reaktor termal lebih sederhana dan murah, desainnya dikembangkan pada reaktor militer untuk kapal selam, dan harga uranium sendiri sangat murah. Reaktor tenaga neutron cepat industri yang mulai beroperasi di seluruh dunia setelah tahun 1980 dapat dihitung dengan jari satu tangan: ini adalah Superphenix (Prancis, 1985−1997), Monju (Jepang, 1994−1995) dan BN-600 (Beloyarsk NPP, 1980) , yang saat ini merupakan satu-satunya reaktor tenaga industri yang beroperasi di dunia.
Mereka kembali
Namun saat ini perhatian para ahli dan masyarakat kembali tertuju pada pembangkit listrik tenaga nuklir dengan reaktor neutron cepat. Menurut perkiraan yang dibuat oleh Badan Energi Atom Internasional (IAEA) pada tahun 2005, total volume cadangan terbukti uranium, yang biaya ekstraksinya tidak melebihi $130 per kilogram, adalah sekitar 4,7 juta ton. Menurut perkiraan IAEA, cadangan ini akan bertahan selama 85 tahun (berdasarkan permintaan uranium untuk produksi listrik pada tingkat tahun 2004). Kandungan isotop 235 yang “dibakar” di reaktor termal pada uranium alam hanya 0,72%, sisanya uranium-238, “tidak berguna” untuk reaktor termal. Namun, jika kita beralih menggunakan reaktor neutron cepat yang mampu “membakar” uranium-238, cadangan yang sama akan bertahan lebih dari 2500 tahun!
Bengkel perakitan reaktor, tempat bagian-bagian reaktor dirakit dari bagian-bagian individual menggunakan metode SKD
Selain itu, reaktor neutron cepat memungkinkan penerapan siklus bahan bakar tertutup (saat ini tidak diterapkan pada BN-600). Karena hanya uranium-238 yang “dibakar”, setelah pemrosesan (menghilangkan produk fisi dan menambahkan porsi baru uranium-238), bahan bakar dapat dimasukkan kembali ke dalam reaktor. Dan karena siklus uranium-plutonium menghasilkan lebih banyak plutonium daripada peluruhannya, kelebihan bahan bakar dapat digunakan untuk reaktor baru.
Selain itu, metode ini dapat digunakan untuk memproses kelebihan plutonium tingkat senjata, serta plutonium dan aktinida minor (neptunium, americium, curium) yang diekstraksi dari bahan bakar bekas reaktor termal konvensional (aktinida minor saat ini merupakan bagian yang sangat berbahaya dari limbah radioaktif) . Pada saat yang sama, jumlah limbah radioaktif dibandingkan dengan reaktor termal berkurang lebih dari dua puluh kali lipat.
Nyalakan ulang secara membabi buta
Berbeda dengan reaktor termal, dalam reaktor BN-600 rakitannya terletak di bawah lapisan natrium cair, sehingga pembuangan rakitan bekas dan pemasangan rakitan baru di tempatnya (proses ini disebut pemuatan ulang) terjadi dalam mode tertutup sepenuhnya. Di bagian atas reaktor terdapat sumbat putar besar dan kecil (eksentrik relatif satu sama lain, yaitu sumbu rotasinya tidak bertepatan). Kolom dengan sistem kontrol dan proteksi, serta mekanisme beban berlebih dengan gripper tipe collet, dipasang pada sumbat putar kecil. Mekanisme putar dilengkapi dengan "segel hidrolik" yang terbuat dari paduan khusus dengan titik leleh rendah. Dalam keadaan normal, ia berbentuk padat, tetapi untuk dinyalakan kembali, ia dipanaskan hingga titik lelehnya, sementara reaktornya tetap tertutup rapat, sehingga pelepasan gas radioaktif secara praktis dapat dihilangkan. Proses memuat ulang menghentikan banyak langkah. Pertama, gripper dibawa ke salah satu rakitan yang terletak di penyimpanan rakitan bekas di dalam reaktor, melepasnya dan memindahkannya ke lift bongkar. Kemudian diangkat ke dalam kotak transfer dan ditempatkan di drum rakitan bekas, kemudian setelah dibersihkan dengan uap (dari natrium), masuk ke kolam bahan bakar bekas. Pada tahap berikutnya, mekanisme tersebut menghilangkan salah satu rakitan inti dan memindahkannya ke fasilitas penyimpanan dalam reaktor. Setelah ini, bahan bakar yang diperlukan dikeluarkan dari drum rakitan baru (di mana rakitan bahan bakar yang berasal dari pabrik sudah dipasang sebelumnya) dan dipasang di elevator rakitan baru, yang memasoknya ke mekanisme pengisian ulang. Tahap terakhir adalah pemasangan rakitan bahan bakar ke dalam sel yang dikosongkan. Pada saat yang sama, pembatasan tertentu diberlakukan pada pengoperasian mekanisme karena alasan keamanan: misalnya, tidak mungkin melepaskan dua sel yang berdekatan secara bersamaan, selain itu, jika terjadi kelebihan beban, semua batang kendali dan pelindung harus berada di zona aktif. Proses reload satu rakitan memakan waktu hingga satu jam, reload sepertiga inti (sekitar 120 rakitan bahan bakar) memakan waktu sekitar satu minggu (dalam tiga shift), prosedur ini dilakukan setiap kampanye mikro (160 hari efektif, dihitung penuh kekuatan). Benar, sekarang pembakaran bahan bakar telah meningkat, dan hanya seperempat inti yang kelebihan beban (sekitar 90 unit bahan bakar). Dalam hal ini, operator tidak memiliki visual langsung masukan, dan hanya dipandu oleh indikator sensor sudut rotasi kolom dan gripper (akurasi posisi - kurang dari 0,01 derajat), gaya ekstraksi dan pemasangan.
Proses reboot meliputi banyak tahapan, dilakukan dengan menggunakan mekanisme khusus dan menyerupai permainan “15”. Tujuan utamanya adalah untuk memasukkan rakitan baru dari drum yang sesuai ke dalam slot yang diinginkan, dan rakitan bekas ke dalam drumnya sendiri, dari mana, setelah dibersihkan dengan uap (dari natrium), rakitan tersebut akan jatuh ke kolam pendingin.
Halus hanya di atas kertas
Mengapa, terlepas dari semua kelebihannya, reaktor neutron cepat tidak tersebar luas? Hal ini terutama disebabkan oleh kekhasan desain mereka. Seperti disebutkan di atas, air tidak dapat digunakan sebagai pendingin, karena merupakan moderator neutron. Oleh karena itu, reaktor cepat terutama menggunakan logam cair - dari paduan timbal-bismut eksotis hingga natrium cair (pilihan paling umum untuk pembangkit listrik tenaga nuklir).
“Dalam reaktor neutron cepat, beban termal dan radiasi jauh lebih tinggi dibandingkan reaktor termal,” jelas PM Kepala teknisi PLTN Beloyarsk Mikhail Bakanov. “Hal ini menyebabkan perlunya penggunaan material struktur khusus untuk bejana reaktor dan sistem dalam reaktor. Rumah batang bahan bakar dan rakitan bahan bakar tidak terbuat dari paduan zirkonium, seperti pada reaktor termal, namun dari baja paduan kromium khusus, yang kurang rentan terhadap 'pembengkakan' radiasi. Di sisi lain, misalnya, bejana reaktor tidak terbuat dari bahan tersebut tunduk pada beban yang terkait dengan tekanan dalam, “hanya sedikit di atas atmosfer.”
Menurut Mikhail Bakanov, pada tahun-tahun pertama pengoperasiannya, kesulitan utama terkait dengan pembengkakan radiasi dan keretakan bahan bakar. Namun masalah-masalah ini segera teratasi, material baru dikembangkan - baik untuk bahan bakar maupun untuk rumah batang bahan bakar. Namun hingga saat ini, kampanye tidak dibatasi oleh konsumsi bahan bakar (yang pada BN-600 mencapai 11%), namun oleh masa pakai bahan yang digunakan untuk membuat bahan bakar, batang bahan bakar, dan rakitan bahan bakar. Masalah operasional lebih lanjut terutama terkait dengan kebocoran natrium di sirkuit sekunder, logam yang aktif secara kimia dan berbahaya bagi kebakaran yang bereaksi keras jika bersentuhan dengan udara dan air: “Hanya Rusia dan Prancis yang memiliki pengalaman jangka panjang dalam mengoperasikan reaktor tenaga neutron cepat industri . Baik kami maupun para spesialis Perancis menghadapi masalah yang sama sejak awal. Kami berhasil menyelesaikannya, setelah meramalkannya sejak awal sarana khusus memantau ketatnya sirkuit, melokalisasi dan menekan kebocoran natrium. Namun proyek Perancis ternyata kurang siap menghadapi masalah seperti itu; akibatnya reaktor Phenix akhirnya ditutup pada tahun 2009.”
“Masalahnya sebenarnya sama,” tambah Nikolai Oshkanov, direktur PLTN Beloyarsk, “tetapi masalah tersebut diselesaikan di sini dan di Prancis. cara yang berbeda. Misalnya, ketika kepala salah satu majelis di Phenix membungkuk untuk mengambil dan membongkarnya, spesialis Perancis mengembangkan sistem yang rumit dan agak mahal untuk “melihat” menembus lapisan natrium salah satu teknisi kami menyarankan penggunaan kamera video, ditempatkan dalam struktur sederhana seperti bel selam - pipa terbuka di bagian bawah dengan argon yang ditiup dari atas. Ketika lelehan natrium dipindahkan, operator, menggunakan komunikasi video, dapat menangkapnya mekanismenya, dan rakitan yang bengkok berhasil dilepas.”
Masa depan yang cepat
“Tidak akan ada minat terhadap teknologi reaktor cepat di dunia jika bukan karena keberhasilan pengoperasian BN-600 kami dalam jangka panjang,” kata Nikolai Oshkanov. “Perkembangan energi nuklir, menurut pendapat saya, terutama terkait dengan produksi serial dan pengoperasian reaktor cepat. Hanya mereka yang memungkinkan untuk melibatkan seluruh uranium alami dalam siklus bahan bakar dan dengan demikian meningkatkan efisiensi, serta mengurangi jumlah limbah radioaktif hingga puluhan kali lipat. Dalam hal ini, masa depan energi nuklir akan sangat cerah.”
