Magnox är en serie kärnreaktorer utvecklade i Storbritannien , där naturligt metalliskt uran används som kärnbränsle , grafit som moderator och koldioxid fungerar som kylmedel [1] . Magnox tillhör typen av gas-grafitreaktorer (GCR enligt IAEA-klassificeringen). Namnet "Magnox" är detsamma som varumärket för magnesium-aluminiumlegeringen som används i dessa reaktorer för att tillverka bränslecellskapslingar . Liksom de flesta första generationens reaktorer är Magnox en reaktor med dubbla ändamål designad för både plutonium-239- produktion och kraftgenerering. Som med andra plutoniumproducerande reaktorer är en viktig egenskap den låga absorptionen av neutroner av kärnmaterialen. Effektiviteten hos grafitmoderatorn gör det möjligt att arbeta på naturligt uranbränsle utan att behöva anrika det. Grafit oxideras lätt i luft, så CO 2 används som kylmedel . Värme överförs från den primära till den sekundära kretsen i ånggeneratorer, och den resulterande ångan driver en konventionell turbin för att producera elektricitet. Reaktorns utformning möjliggör tankning av bränsle på resande fot.
Den dubbla funktionen hos Magnox-reaktorerna gjorde det möjligt för Storbritannien att bygga upp ett betydande lager av plutonium av reaktorkvalitet genom att upparbeta använt kärnbränsle vid B205- anläggningen . Trots modernisering som syftar till att öka effektiviteten i elproduktionen, efter att produktionen av plutonium bleknat i bakgrunden, har Magnox-reaktorer inte jämförts med tryckvattenreaktorer när det gäller bränsleeffektivitet på grund av deras designegenskaper och drift på oanrikat uran.
Endast ett litet antal reaktorer av denna typ byggdes i Storbritannien och ännu färre exporterades till andra länder. Den första reaktorn byggdes i Calder Hall 1956 och betraktas ofta som "världens första kommersiella kraftreaktor", medan den sista i Storbritannien var Wylfa Nuclear Power Station som stängdes 2015. Från och med 2016 är Nordkorea fortfarande det enda landet med hjälp av Magnox-reaktorer vid Yongbyon Nuclear Research Center . Ytterligare utveckling av gas-grafitreaktorer blev Förbättrade gaskylda reaktorer , som har samma kylvätska, men med ett antal förändringar som ökar den ekonomiska prestandan.
Storbritanniens första fullskaliga industriella reaktor var Windscale Pile vid Sellafield -komplexet . Den skapades speciellt för produktion av plutonium-239 från naturligt uran. För att upprätthålla en kärnreaktion i sådant bränsle krävs termiska neutroner , vilket kräver en effektiv moderator . I detta fall valdes extra ren grafit. Reaktorn var ett murverk av ett stort antal grafitblock, som genomborrades av kanaler för att placera bränsleelement och styrstavar. Uranmetallbränslet inkapslades i ett aluminiumskal och placerades i reaktorns horisontella kanaler. När reaktorn var i drift tillsattes färska bränsleelement från dess framsida och tryckte ut de förbrukade elementen, som föll i en speciell pool. Det använda bränslet skickades för upparbetning för att utvinna plutonium. Energifrisättningen i reaktorn var relativt låg och luftkylning användes med stora fläktar som blåste genom grafitstapeln.
Beskjutningen av grafit med neutroner leder till ackumulering av Wigners latenta energi i den , och periodisk glödgning är nödvändig för att återställa dess struktur. Under driften av reaktorerna i Windscale var glödgningstekniken ännu inte tillräckligt utvecklad och den 10 oktober 1957, under ett sådant förfarande, överhettades bränslet, vilket ledde till att det antändes [2] [3] . Reaktorn brann i tre dagar och allvarlig förorening undveks endast tack vare filter, som ursprungligen inte förutsågs i projektet och som installerades i ett sent skede av konstruktionen. Intressant nog har filter tidigare förlöjligats som onödigt "nonsens" [4] .
Frisättningen uppskattas till 750 TBq (20 000 Ci ) . På grund av det faktum att Kyshtym-olyckan inte var allmänt känd utanför Sovjetunionen, ansågs Sellafield-olyckan vara den allvarligaste i världens kärnkraftsindustris historia före olyckan vid kärnkraftverket Three Mile Island . Enligt den internationella skalan av kärnkraftsincidenter, som klassificerar händelser i sju nivåer, där noll betyder att händelsen är föremål för registrering, men inte kommer att få konsekvenser, och olyckor i Tjernobyl och Fukushima ligger på den sjunde nivån , incidenten vid Mayak kemiska anläggning är på sjätte nivån, och i Windscale - på femte [5] .
När den brittiska kärnkraftsmyndigheten började rikta sin uppmärksamhet mot kärnkraft, förblev behovet av mer plutonium akut. . Detta ledde till vidareutvecklingen av lösningarna som utarbetades vid Windscale Pile, vilket ledde till skapandet av en kraftfullare reaktor som kan fungera som en energikälla för att generera el.
Med hög värmeeffekt ökar brandrisken och luftkylningsmetoden är inte lämplig. I Magnox-reaktorerna har detta lett till användning av koldioxid CO 2 som kylvätska. Det finns inga anordningar i konstruktionen av reaktorn för att reglera gasflödet genom enskilda kanaler, istället ställs den erforderliga flödeshastigheten in en gång under konstruktionen baserat på experiment utförda på en mock-up . Kontroll av kärnreaktionen tillhandahölls av kontrollstavar gjorda av borstål placerade i vertikala kanaler.
Vid högre temperaturer ger aluminium inte tillräcklig styrka och Magnox-legering valdes som bränslekapslingsmaterial. Tyvärr ökar Magnox reaktivitet när temperaturen stiger, vilket resulterar i dess begränsning till 360°C (680°F). Vid sådana temperaturer är ånggenereringen inte tillräckligt effektiv . Dessa temperaturgränser gör att reaktorn måste vara mycket stor för att ge den valda effekten. Användningen av gas som värmebärare medför ytterligare svårigheter, eftersom dess låga värmekapacitet kräver mycket höga flödeshastigheter.
Bränsleelementen i Magnox-reaktorn bestod av renat uran , hermetiskt förseglad i ett löst sittande skal fyllt med helium . Skalet var vanligtvis räfflat för att förbättra värmeväxlingen med CO 2 . Magnox-legeringen reagerar bra med vatten och utbrända bränsleelement kan, efter att de har tagits bort från reaktorn, inte lämnas i använt bränslebassänger under lång tid. Till skillnad från Windscale Pile använde Magnox-reaktorn vertikala bränslekanaler. Bränslecellerna var mekaniskt fästa vid varandra så att de kunde tas bort från kanalerna uppifrån.
Precis som med Windscale Pile gav utformningen av Magnox-reaktorerna tillgång till bränslekanalerna och bränslet kunde bytas medan reaktorn var i drift. Detta var en viktig designfunktion, eftersom användningen av naturligt uran resulterar i låga utbränningshastigheter och behovet av frekvent tankning. För effektiv kraftproduktion måste bränsleceller finnas kvar i reaktorn så länge som möjligt, medan för plutoniumproduktion måste deras uppehållstid i härden begränsas. Det komplexa tankningssystemet visade sig vara mindre tillförlitligt än själva reaktoranläggningen och kanske inte är effektivt totalt sett. [6]
Reaktorhärden är innesluten i ett stort tryckkärl, som i sin tur är placerat i en betongbyggnad som fyller funktionen av biologiskt (strålnings)skydd. Eftersom reaktorn inte använde vatten och det därför inte fanns någon fara för explosiv förångning var betongkonstruktionen mycket kompakt, vilket bidrog till att sänka byggkostnaderna. För att ytterligare minska storleken på reaktorbyggnaden placerade designers i tidiga versioner ånggeneratorer utanför byggnaden på gatan. På grund av partiklar av bränsle och moderator suspenderade i gasen "sken" hela systemet med gammastrålar och neutroner. .
Utformningen av Magnox-reaktorerna förbättrades ständigt, och de byggda anläggningarna skilde sig väsentligt från varandra. Så till en början flyttades ånggeneratorerna in i reaktorbyggnaden, och senare, i kraftenheterna i Oldbury NPP och Vilfa NPP, användes förspänd armerad betong istället för stålreaktorkärl. Arbetstrycket varierar från 6,9 till 19,35 bar för stålskrov och 24,8 och 27 bar för armerade betongkonstruktioner. [7]
Inget brittiskt byggföretag vid den tiden var tillräckligt stort för att bygga alla kraftstationer, så olika konkurrerande konsortium var involverade i bygget, vilket ökade skillnaderna mellan stationerna; till exempel använde nästan varje kraftverk sin egen bränslecellsdesign [8] .
För den första uppstarten av reaktorn placerades en neutronkälla i härden för att säkerställa initieringen av en kärnreaktion. En annan designfunktion var ytterligare absorberande stavar för att utjämna (till viss del) neutronflödestätheten i kärnan. Om de inte används blir flödet i centrum för starkt jämfört med periferin, vilket gör det svårt att kontrollera och leder till för höga temperaturer i centrum. I varje bränslekanal hängde flera sammankopplade bränsleelement upp för att bilda en bränslepatron. För att säkerställa möjligheten att ta bort enheterna är kanalen utrustad med en låsmekanism. Fjädrarna som användes i rörelsen innehöll kobolt vilket, när det utsätts för strålning, skapar en hög gammabakgrund. Dessutom fästes termoelement på ett antal element, som måste avlägsnas när bränslet lossades från reaktorn.
Det dubbla syftet med Magnox-reaktorn resulterade i ett antal kompromisser som begränsade dess ekonomiska prestanda. Medan konstruktionen av Magnox-anläggningar pågick pågick parallellt arbete med Advanced Gas Cooled Reactor (AGR) med den tydliga avsikten att göra anläggningen mer ekonomisk. Den huvudsakliga förändringen var att höja temperaturen i reaktorn till cirka 650 °C (1202 °F), vilket kraftigt ökade effektiviteten hos ångturbinerna. Detta var för varmt för magnox, och AGR var ursprungligen tänkt att använda en ny berylliumbaserad beklädnad, som till slut blev för skör och ersattes av rostfritt stål. Stålet absorberade stora mängder neutroner, vilket krävde anrikning av uranbränslet, vilket höjde bränslekostnaderna. I slutändan visade sig ekonomin för anläggningen vara något bättre än Magnox-reaktorernas. .
Designegenskaper hos vissa Magnox-reaktorer (kan skilja sig från riktiga) [9] :
| Karakteristisk | Calder Hall 1956 | Oldbury 1967 | Wilf 1971 |
|---|---|---|---|
| Termisk effekt av reaktorn | 182 MW | 835 MW | 1875 MW |
| Enhetens elkraft | 46 MW | 280 MW | 590 MW |
| blockeffektivitet | 23 % | 34 % | 33 % |
| Antal bränslekanaler i reaktorn | 1696 | 3320 | 6150 |
| Kärndiameter | 9,45 m | 12,8 m | 17,4 m |
| Kärnhöjd | 6,4 m | 8,5 m | 9,2 m |
| Genomsnittligt gastryck | 7 bar | 25,6 bar | 26,2 bar |
| Genomsnittlig inloppsgastemperatur | 140°C | 245°C | 247°C |
| Genomsnittlig utloppsgastemperatur | 336°C | 410°C | 414°C |
| Total gastillförsel _ | 891 kg/s | 4627 kg/s | 10 254 kg/s |
| Använt bränsle | naturlig metall. Uranus | naturlig metall. Uranus | naturlig metall. Uranus |
| Massa av uran i reaktorn | 120 t | 293 t | 595 t |
| Reaktorkärlets inre diameter | 11,28 m | 23,5 m | 29,3 m ( sfär ) |
| Reaktorkärls höjd | 21,3 m | 18,3 m | — |
| Antal fläktar | fyra | fyra | fyra |
| Antal ånggeneratorer | fyra | fyra | ett |
| Antal generatorer | 2 | ett | 2 |
De första Magnox-reaktorerna vid kärnkraftverket i Calder Hall [ 10 ] designades främst för att producera plutonium för militära ändamål [11] . Under kärnkraftsomvandlingar frigörs en stor mängd värme i reaktorn, och dess användning för att generera elektricitet ansågs vara ett slags "gratis" tillsats.
Calder Hall-reaktorer hade låg verkningsgrad enligt dagens standard, endast 18,8 % [12] . Nästa steg i utvecklingen av uran-grafit kärnreaktorer i Storbritannien var driftsättningen 1971 av Wilf NPP med en kärnladdning av naturligt uran (595 ton) och med CO 2 kylvätska vid ett tryck på 2,8 MPa. Nivån på bränsleförbränning nådde 3,5 MW dag/kg, verkningsgrad. - 26 % .
1957 beslutade den brittiska regeringen att stödja kärnkraft och det var planerat att 1965 skulle kapaciteter från 5000 till 6000 MW införas, vilket var en fjärdedel av landets elbehov. [11] Även om Sir John Cockrockft uppmanade regeringen att "kärnkraft" var dyrare än koleldade kraftverk, beslutade Storbritannien att kärnkraftverk skulle vara användbara för att minska trycket från gruvarbetarnas fackföreningar. År 1960 erkändes produktionen av el från kol som 25 % billigare, och i ett uttalande från underhusets regering 1963 sades det att produktionen av el från kärnkraftverk var mer än dubbelt så mycket som kolkostnaden. generation. Kostnaden för plutonium producerat i reaktorn ökade kärnkraftverkens ekonomiska prestanda, [13] även om ägarna av kraftverk aldrig fick denna inkomst. .
Efter avlägsnande från reaktorn kyldes de använda bränsleelementen i använt bränslebassängerna (med undantag för kärnkraftverket Wilf som hade ett torrlager i koldioxidatmosfär). Eftersom långtidslagring av element i bassängerna inte var möjlig på grund av den gradvisa förstörelsen av Magnox-skalen, kunde upparbetningen av bränslet inte försenas, vilket också ökade driftskostnaderna [14] .
En gång ansågs Magnox-reaktorer vara ganska säkra på grund av deras enkla design, låga effekttäthet och användningen av ett gaskylmedel. Därför var de inte utrustade med lufttäta skal . På den tiden var säkerhetsprincipen att ta hänsyn till "maximal design basis olyckan", och man trodde att om anläggningen tål sina konsekvenser så kommer den att stå emot alla andra olyckor av mindre skala. Förlusten av kylvätska (åtminstone i den volym som beaktas i projektet) kommer inte att leda till betydande skador på bränslet, eftersom magnoxskalet, förutsatt att reaktorn snabbt stängs av, kommer att behålla det mesta av det radioaktiva materialet, och restvärme kan avlägsnas genom naturlig luftcirkulation. Eftersom kylvätskan är en gas är explosiv förångning inte ett hot som det som ledde till Tjernobyl-katastrofen . Fel i reaktorns nödskyddssystem eller naturliga cirkulationsfel beaktades inte i konstruktionen. 1967 inträffade en bränslesmältning vid kärnkraftverket Chapel Cross på grund av gasflödesbegränsning i en av kanalerna, och även om detta inte ledde till en allvarlig incident var de radioaktiva utsläppen högre än de som ingick i konstruktionen. .
Vid de äldsta anläggningarna med de första Magnox-reaktorerna fanns gaskretsrören och ånggeneratorerna utanför reaktorbyggnaden. Detta ledde till utsläpp av gamma- och neutronstrålning [15] . Den maximala stråldosen som allmänheten tog emot nära kärnkraftverket i Dungeness 2002 var 0,56 mSv , mer än hälften av den dos som fastställts av ICRP för exponering för allmänheten [16] . Doserna från Oldbury Nuclear Power Plant och Wilfa Nuclear Power Plant , vars reaktoranläggningar är helt inneslutna i armerade betongbyggnader, visade sig vara betydligt lägre.
Totalt byggdes 11 kraftverk i Storbritannien, som kombinerar 26 kraftverk. Dessutom exporterades en enhet till kärnkraftverket Tokai i Japan [17] och den andra enheten exporterades till kärnkraftverket Latina i Italien. Designen av Calder Hall-reaktorerna avklassificerades i slutet av 1950-talet och var allmänt tillgänglig för medlemmar av IAEA , Nordkorea blev medlem i IAEA 1974 och fick därigenom reaktordiagram från vilka man utvecklade sina egna reaktorer. [arton]
Det första kraftverket med en Magnox-reaktor, Calder Hall NPP, var världens första kärnkraftverk som genererade elektricitet i industriell skala (kraftverket i Obninsk, med mycket lägre kapacitet, kopplades till nätet den 1 december 1954) . Den första synkroniseringen med nätverket ägde rum den 27 augusti 1956 och kärnkraftverket öppnades officiellt av drottning Elizabeth II den 17 oktober 1956 [19] . Driften av reaktorn fortsatte i nästan 47 år fram till dess stängning den 31 mars 2003 [20] .
Den 30 december 2015 meddelade Nuclear Power Plant Decommissioning Authority (NDA) att enhet 1 av Wilfa Nuclear Power Plant , världens sista operativa Magnox-reaktor, hade stängts. Kraftaggregatet fungerade fem år längre än ursprungligen planerat. Båda enheterna på Wilfa var planerade att stänga redan i slutet av 2012, men NDA beslutade att hålla enhet 1 i drift under en tid för att fullt ut kunna utnyttja det befintliga lagret av bränsle som inte längre produceras.
En liten experimentell reaktor på 5 MW baserad på Magnox-projektet vid North Korean Nuclear Research Center i Yongbyon har fortsatt att fungera sedan 2016.
Ordet "Magnox" är också namnet på en legering - främst magnesium med en liten mängd aluminium och andra metaller - från vilken skalet av metalliskt uranbränsle är tillverkat. Detta material har fördelen med ett lågt neutronfångstvärsnitt, men det finns två huvudsakliga nackdelar:
Magnox bränsleceller är flänsade för maximal värmeöverföring, vilket gör dem dyra att tillverka. Även om användningen av uranmetall snarare än oxid gjorde upparbetningen av bränslet enklare och därför billigare, innebar den korta lagringstiden före upparbetningen vissa risker. Komplexa bränslehanteringssystem krävdes för att minimera denna fara.
Termen magnox kan också tillämpas på:
Decommissioning Authority (NDA) ansvarar för avvecklingen av Storbritanniens Magnox-kraftverk, med en fast budget på 12,6 miljarder pund. Diskussioner pågår om en 25- eller 100-årig avvecklingsstrategi bör antas. Om 80 år kommer de radioaktiva materialen att ha förfallit till den grad att det kommer att tillåta en person att utföra arbetet med att demontera reaktorn. En kortare avvecklingsstrategi skulle kräva en helt robotteknik [21] [22] .
| namn | kraftenheter | Effekt , MW (brutto) |
Byggstart _ |
Start | stängning |
|---|---|---|---|---|---|
| Berkeley | ett | 166 | 1957 | 1962 | 1989 |
| 2 | 166 | 1957 | 1962 | 1988 | |
| Bradwell | ett | 146 | 1957 | 1962 | 2002 |
| 2 | 166 | 1957 | 1962 | 2002 | |
| Dungeness | A1 | 230 | 1960 | 1965 | 2006 |
| A2 | 230 | 1960 | 1965 | 2006 | |
| Calder Hall | ett | 60 | 1953 | 1956 | 2003 |
| 2 | 60 | 1953 | 1957 | 2003 | |
| 3 | 60 | 1955 | 1958 | 2003 | |
| fyra | 60 | 1955 | 1959 | 2003 | |
| oldbury | ett | 230 | 1962 | 1967 | 2012 |
| 2 | 230 | 1962 | 1968 | 2011 | |
| Sizewell | A1 | 245 | 1961 | 1966 | 2006 |
| A2 | 245 | 1961 | 1966 | 2006 | |
| Trausvinit | ett | 235 | 1959 | 1965 | 1991 |
| 2 | 235 | 1959 | 1965 | 1991 | |
| Wilf | ett | 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 | ett | 60 | 1955 | 1959 | 2004 |
| 2 | 60 | 1955 | 1959 | 2004 | |
| 3 | 60 | 1955 | 1959 | 2004 | |
| fyra | 60 | 1955 | 1960 | 2004 |
| namn | Plats | kraftenheter | Effekt , MW |
Byggstart _ |
Start | stängning |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Latina | Italien | ett | 160 | 1958 | 1963 | 1987 |
| Tokay | Japan | ett | 166 | 1961 | 1966 | 1998 |
Lista över brittiska kärnkraftverk
| Storbritanniens kärnkraftverk | |||
|---|---|---|---|
| |||
| Kärnkraftsreaktorer | |||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Moderator | |||||||||||||||
| lätt vatten |
| ||||||||||||||
| Tungvattenkylvätska _ _ |
| ||||||||||||||
| Grafit för kylvätska |
| ||||||||||||||
| Frånvarande (på snabba neutroner ) |
| ||||||||||||||
| Övrig |
| ||||||||||||||
| andra kylmedel | Flytande metall: Bi , K , NaK , Sn , Hg , Pb Organisk: C 12 H 10 , C 18 H 14 , Kolväte | ||||||||||||||
| |||||||||||||||