Hoewel het idea van kernsplijting eenvoudig en ongecompliceerd is, zorgen de vele keuzes voor brandstoftypes, brandstofontwerp, reactorconfiguraties, koelmiddeltypes, neutronenmoderator- of reflectortypes, enz. ervoor dat kernsplijtingsreactoren zijn uitgegroeid tot een breed scala aan reactoren. ontwerpen, elk met hun eigen voor- en nadelen. Het verhaal van de kiezelbedreactor (PBR) is hier een van de meest interessante, waarbij de ontwikkeling ervan zich een weg baant van het Amerikaanse Manhattan Undertaking over de Atlantische Oceaan naar de Duitse kernenergie-industrie in de jaren zestig, voordat hij een gastvrij thuis vond in de snel groeiende Chinese language kernenergiesector. energie industrie.

Als reactorontwerp gebruiken PBR’s geen brandstofstaven zoals de meeste andere kernreactoren, maar eerder bolvormige brandstofelementen (‘kiezels’) die bovenaan het reactorvat worden ingebracht en onderaan worden geëxtraheerd, waardoor continu bijtanken mogelijk is, terwijl helium werkt als koelmiddel. Met een sterke negatieve temperatuurcoëfficiënt moet het ontwerp uiterst veilig zijn, terwijl het tegelijkertijd stoom op hoge temperatuur levert die kan worden gebruikt voor toepassingen waarvoor anders een kolenketel of gasturbine nodig is.

Nu China onlangs zijn dubbele PBR HTR-PM-fabriek heeft neergezet in commerciële exploitatieHoe komt het dat het niet de VS, Duitsland of Zuid-Afrika waren die als eerste PBR’s op de markt brachten, maar de relatieve nieuwkomer China?

Stroom van de kiezelstenen

Het idee van een gasgekoelde hogetemperatuurreactor en de PBR in het bijzonder werd voor het eerst bedacht door Farrington Daniels, een fysisch chemicus van opleiding, wat ertoe leidde dat de eerste van een dergelijke eenheid in de VS werd gebouwd als Unit 1 van de kerncentrale Peach Backside. Toen het idea van de gasgekoelde hogetemperatuurreactor (HTGR) vaste voet kreeg, bouwde Groot-Brittannië een enigszins soortgelijk ontwerp in de vorm van de Draak reactor, hoewel de Peach Backside-eenheid de eerste was die elektriciteit produceerde.

Al deze HTGR’s hebben gemeen dat ze grafiet als neutronenmoderator gebruiken, met helium als koelmiddel. Grafiet is zeer temperatuurbestendig en helium is een inert fuel dat geen chemische reacties met andere materialen of stoffen zal ondergaan. Bovendien is helium niet gevoelig voor neutronenvangst en zal het dus na verloop van tijd niet radioactief worden. Deze bedrijfsparameters zijn waar het ‘hoge temperatuur’-gedeelte van het ontwerp vandaan komt, aangezien de reactorkern bij veel hogere temperaturen kan werken.

Terwijl een typische lichtwaterreactor (PWR) een reactorkoelmiddelinlaattemperatuur van ongeveer 290°C en een uitlaattemperatuur van minder dan 350°C zal hebben, ligt de inlaattemperatuur van een HTGR rond de 250°C, terwijl de inlaattemperatuur van een HTGR rond de 750°C ligt. uitlaat. Dit brengt het op of boven het niveau van de stoomtemperatuur van een standaard kolengestookte thermische centrale, en verhoogt de thermische efficiëntie aanzienlijk ten opzichte van die van licht- en zwaarwaterreactoren. De tweede HTGR van de VS (Fort Sint-Vrainin Colorado) was operationeel van 1979 tot 1989 (een jaar na Peach Backside Unit 1), maar het was de eerste in zijn soort (FOAK) van een commerciële HTGR betekende dat veel ontwerpproblemen werden opgelost tijdens de commerciële exploitatie, wat uiteindelijk een grote rol speelde bij de sluiting ervan en uiteindelijk de omschakeling naar een aardgascentrale in 1996, terwijl de VS hun algemene terugkeer naar fossiele brandstoffen voortzetten brandstoffen uit kernenergie.

Naast deze twee HTGR’s zijn de UHTREX Er werd ook een experimentele reactor (1959 – 1971) in het Los Alamos Nationwide Laboratory gebouwd, maar deze werd gebruikt voor het testen van brandstoftypen in plaats van voor de productie van elektriciteit. Deze assessments omvatten directe koeling van de brandstof zonder bekleding, wat een veel hogere verbranding mogelijk maakte omdat de splijtingsproducten in de koelvloeistofstroom konden terechtkomen.

Met de sluiting van de HTGR van Fort Saint Vrain kwam er een einde aan het tijdperk van dit reactortype in Noord-Amerika.

Duitse techniekkarbonades

Hoewel de Amerikaanse en Britse HTGR’s hoofdzakelijk splijtstofstaven gebruikten, vergelijkbaar met hun watergekoelde broeders, was er in Duitsland Rudolf Schulten – een professor aan de RWTH Universiteit van Aken – nam de taak op zich om een ​​versie te ontwikkelen met behulp van bolvormige splijtstofelementen. Dit leidde ertoe dat ‘s werelds eerste PBR werd gebouwd in de vorm van de Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor, of AVR. Als ‘s werelds eerste PBR-prototype ooit kreeg het na de ingebruikname in 1967 te maken met een aantal problemen, zoals heliumlekkage. Andere problemen waren ontdekt na de sluiting ervan in 1967, in de vorm van steentjes die vastzaten in de onderste grafietneutronenreflector, en fijn grafietstof verontreinigd met splijtingsproducten, waarvan de laatste te wijten was aan de hoge reactortemperatuur van 950 ° C die niet goed werkte met de bi-isotrope (BISO, twee lagen pyrokoolstof) beklede brandstofdeeltjes die besmetting met radioactieve isotopen veroorzaakten.

Jaren later werd het prototype THTR-300 PBR gebouwd, met ingebruikname in 1985. Hierbij werd gebruik gemaakt van veel van de reduce die uit de AVR waren geleerd, zoals het laten draaien van de reactor op een lagere temperatuur voor een uitlaattemperatuur van 750°C en het gebruik van TRISO (tri -isotroop met silicium-koolstoflaag) gecoate brandstofdeeltjes die dat wel zijn goed tot ongeveer 1800°C. Deze reactor was dat echter wel 1988 gesloten vanwege het groeiende anti-nucleaire sentiment in Duitsland, dat ook van invloed was op wat de volgende stap zou zijn geweest in de vorm van het modulaire ‘HTR-module‘ (PDF) ontwerp ontwikkeld door Siemens/Interatom. Dit modulaire ontwerp omvat meerdere reactorkernen die zijn aangesloten op een enkele stoomgenerator, waardoor het opschalen van het totale reactorvermogen wordt vergemakkelijkt.

Toen het HTR-Module-project in Duitsland niet levensvatbaar leek vanwege de maatschappelijke weerstand, werd een partnerschap met landen als China tot stand gebracht, met de Chinese language HTR-10 PBR begon in 1995 met de bouw. ​​Een groot deel van het mainstream verzet tegen kernenergie in Duitsland is terug te voeren op de ramp met de kerncentrale van Tsjernobyl in 1986 (ChNPP), die leidde tot met angst gevulde geschriften als ‘Sterf Wolk‘ (The Cloud, vertaald als ‘Fall-Out’), een boek dat verplichte lectuur geworden voor de Duitse jeugd, waarin de gevolgen van zelfs een ramp in Tsjernobyl-stijl enorm worden overdreven.

De ironie is misschien dat in een land dat dol is op genieten radioactieve radonkuuroorden En radioactief waterzouden de gevolgen van de ChNPP-ramp dus worden overdreven, ondanks dat deze ramp heeft veroorzaakt enkele tientallen doden voor degenen die zich in de buurt van de vernietigde RBMK-reactorkern bevinden, geen merkbare toename van het aantal kankergevallen er worden geen genetische effecten doorgegeven aan iemands nakomelingen. Maar omdat angst luider spreekt dan bewijs, stierf de Duitse PBR-technologie in Europa, stuitte op weerstand in Zuid-Afrika en vond een warme omhelzing in China, een land dat zichzelf geconfronteerd zag met een snelgroeiende bevolking en de daarmee samenhangende vraag naar macht.

Betreed de Draak

Kernenergie is sinds de 20e eeuw een kernprincipe van het Chinese language energiebeleid, waarbij HTGR-ontwerpen een van de vele puzzelstukjes zijn die nodig zijn om dingen te laten werken. Naast vele buitenlandse ontwerpen voor licht en zwaar water, variërend van Amerikaanse AP1000’s en Sovjet/Russische VVER’s tot Canadese CANDU PHWR’s, probeerde China ervaring op te doen met zoveel mogelijk reactorontwerpen, om dit op te nemen in nieuwe ontwerpen voor gebruik op de Chinese language markt. maar ook voor zijn export. Nu de HTR-10 fungeert als China’s eerste PBR-ontwerp, zou dit de springplank blijken voor volgende prototypes.

Tegenwoordig is HTR-10 nog steeds on-line, na in 2000 in gebruik te zijn genomen en als testbed te hebben gediend voor vele aspecten van het ontwerp, waaronder numerous veiligheidstesten (alternatieve koppeling) zoals het volledige verlies van geforceerde koeling, wat een facet is waarbij de negatieve temperatuurreactiviteit van de reactor en de TRISO-brandstof ongelukken zouden moeten voorkomen. De volgende Chinese language PBR werd de HTR-PM, waarbij de ‘-PM’ staat voor ‘pebble-bed module’, en die het HTR-moduleconcept voor het eerst implementeert met twee 100 MW_e (250MW_e elk) kernen. Nadat de bouw in 2012 was begonnen, werd het in 2021 in gebruik genomen, bereikte het volledige vermogen in 2022 en begon het met commerciële activiteiten in december 2023.

Met de succesvolle exploitatie van de tweede PBR zal de logische volgende stap met een dergelijke op HTR-module gebaseerde fabriek het opvoeren van het aantal modules naar 6 zijn, wat zal gebeuren met de toepasselijk genaamde HTR-PM600. Het ontwerp is ongewijzigd ten opzichte van de HTR-PM, alleen met meer modules om het thermische vermogen te vergroten, met als ontwerpdoel om hem volledig compatibel te maken met de stoomgeneratoren in bestaande (Chinese language) kolencentrales. Omdat kolenketels op veel hogere temperaturen werken dan conventionele kernsplijtingsreactoren op waterbasis, was dit voorheen niet mogelijk.

Momenteel er zijn 3.092 kolencentrales actief zijn in China, waarvan er bij velen waarschijnlijk hun ketels zullen worden vervangen door HTR-PM600 PBR’s, terwijl de relaxation van de infrastructuur behouden blijft. Naast toepassingen in de (petro)chemische en andere industrieën waar hoge temperaturen nodig zijn, kunnen in plaats daarvan de HTR-PM600 en andere HTR-PM-configuraties worden gebruikt, terwijl er flexibiliteit wordt geboden op het gebied van belasting-volgend, en de gebruikte brandstof, waarbij thorium ook een optie is; een hulpbron waarvan China aanzienlijk meer heeft dan uranium in zijn bodem.

Toekomst bij hoge temperaturen

Op dit second is China het enige land ter wereld dat commerciële HTGR’s in bedrijf heeft, en ook het enige land dat PBR’s beheert. Japan heeft zijn eigen HTGR genaamd de HTTPR sinds 1999, dat een HTGR-ontwerp heeft met brandstofstaven dat nauwer verwant is aan de Amerikaanse HTGR’s. Het hervatte de werking in augustus 2021 en wordt beschouwd als een belangrijke proeftuin voor de eigen HTGR-ambities.

Of PBR’s of andere HTGR’s binnenkort hun weg terug zullen vinden naar Europa of de VS, is onzeker, hoewel Amerikaanse start-ups zoals X-energie met zijn Xe-100 PBR wil hij het maken op de commerciële markt. De positieve kant van dergelijke start-ups is waarschijnlijk dat veel van het harde R&D-werk inmiddels is gedaan, waarbij algemene ontwerpaspecten en brandstofontwerp minder een full gok zijn dan in de jaren zestig. Van daaruit naar een concurrerend ontwerp gaan en de juiste doelmarkt vinden blijft nog steeds een grote uitdaging, een uitdaging die waarschijnlijk veel spelers naar China doet kijken terwijl zijn modulaire PBR zichzelf als eerste probeert te vestigen in de groene weiden van de Chinese language markt.