Ujemny współczynnik reaktywności reaktora dwupłynowego

Naukowcy NCBJ analizują koncepcje przyszłych rozwiązań reaktorów jądrowych nowych generacji. Jednym z obiecujących rozwiązań jest reaktor dwupłynowy (DFR). W pracy opublikowanej w kwietniowym numerze czasopisma Progress in Nuclear Energy badacze wykazali, że DFR charakteryzuje się ujemnym temperaturowym współczynnikiem reaktywności, który jest jedną z kluczowych wielkości świadczących o pasywnym bezpieczeństwie reaktora jądrowego.

Koncepcja reaktora dwupłynowego (ang. Dual Fluid Reactor – DFR) to nowatorskie rozwiązanie reaktora pracującego na neutronach prędkich. Paliwem DFR mogą być stopione sole w postaci chlorków uranu i plutonu (DFRs) lub mieszanina eutektyczna (mająca niższą temperaturę topnienia niż jej składniki osobno) metali uranu i chromu (DFRm). Chłodzenie zapewnia stopiony ołów, który krąży w oddzielnej pętli. W porównaniu do większości projektów reaktorów Generacji IV, DFR cechuje się kompleksową konstrukcją, wysokim poziomem wykorzystania paliwa, efektywną gospodarką paliwową, wysokim współczynnikiem zwrotu zainwestowanej energii (EROI). Reaktor może być wykorzystywany zarówno w sektorze energetycznym jak i przemysłowym. Jedną z kluczowych zalet reaktora DFR jest możliwość osiągnięcia bardzo wysokiej temperatury czynnika roboczego – rzędu 1000 stopni Celsjusza – umożliwiającej m.in. przeprowadzenie wysokotemperaturowej elektrolizy wody (produkcja wodoru). Ponadto moc reaktora może być bardzo elastycznie dopasowywana do zmiany obciążenia - redukcja z poziomu mocy znamionowej do 6-7% może nastąpić w ciągu kilkudziesięciu sekund. Dzięki temu DFR będzie mógł efektywnej współpracować ze źródłami odnawialnymi. Zastosowanie ciekłego paliwa metalicznego, w połączeniu z chłodziwem o bardzo dobrych własnościach odbioru ciepła, prowadzi do zmniejszenia wymiarów reaktora. Obniża to koszty budowy, gdyż DFR wymaga zastosowania mniejszej ilości drogich materiałów odpornych na wysokie temperatury.

Bardzo istotnym zagadnieniem związanym z energetyką jądrową jest bezpieczeństwo. W jego zachowaniu szczególną rolę odgrywa temperaturowy współczynnik reaktywności, który jest jednym z głównych wskaźników określających pasywne - oparte bezpośrednio o podstawowe prawa fizyki - bezpieczeństwo reaktorów jądrowych. Ujemna wartość współczynnika temperaturowego oznacza, iż przy spowodowanym większą liczbą reakcji jądrowych wzroście temperatury, reaktor samoczynnie zmniejsza liczbę tych reakcji, wracając do poprzedniego i całkowicie bezpiecznego ich poziomu. Analizą tego parametru, w przypadku reaktora DFR, zajmują się autorzy pracy opublikowanej w kwietniowym numerze czasopisma Progress in Nuclear Energy. „Z naszych obliczeń i symulacji wynika, że reaktor DFR cechuje się ujemnym współczynnikiem reaktywności w trakcie całego analizowanego okresu pracy reaktora” – mówi dr inż. Jakub Sierchuła, współautor pracy, który w ubiegłym roku obronił w NCBJ pracę doktorską poświęconą nowej koncepcji metalicznego reaktora dwupłynowego DFRm o mocy 250 MWth. „W obliczeniach i symulacjach uwzględniliśmy zarówno efekt Dopplera, jak i zmiany gęstości materiałów wynikające ze zmiany temperatury w rdzeniu. Analizie zostały poddane trzy współczynniki materiałowe: dla paliwa, chłodziwa i reflektora. Stwierdziliśmy, że wszystkie one są ujemne. Największy wpływ na całkowity współczynnik temperaturowy reaktywności ma paliwo, a najmniejszy chłodziwo, przy czym zmiana silniej zależy od zmiany gęstości niż przekrojów czynnych. Innymi słowy, w analizowanym przypadku, zmiana gęstości ma znacznie większe znaczenie niż efekt Dopplera.”

Autorzy wyznaczyli także zależność zmiany efektywnego współczynnika mnożenia neutronów w funkcji temperatury. „Analizując otrzymaną krzywą można zauważyć, że nie jest to do końca zależność liniowa i cechuje się niewielkim odchyleniem kwadratowym” – wyjaśnia dr inż. Sierchuła. „Porównanie liniowego i kwadratowego członu otrzymanej funkcji umożliwiło określenie wartości liniowego współczynnika rozszerzalności cieplnej dla reaktora DFR, który mieści się pomiędzy wartościami dla paliwa (mieszanina eutektyczna U-Cr) i chłodziwa (ołów), co dowodzi poprawności stworzonego modelu.”

Reaktor DFR łączy w sobie zalety różnych koncepcji Generacji IV takich jak MSFR, LFR, bardzo wysoko-temperaturowego VHTR. W połączeniu z kompaktowymi wymiarami, wysoką gęstością mocy, zastosowaniem odpowiednich materiałów, brakiem konieczności stosowania kosztownych i skomplikowanych systemów ciśnieniowych, może znacznie obniżyć nakłady inwestycyjne i koszty związane z eksploatacją jednostki. „Jako reaktor pracujący na prędkich neutronach, DFR zwiększa poziom wykorzystania paliwa jądrowego, a nawet służy do jego powielenia, czyli produkcji dodatkowej ilości paliwa, dając możliwość jego użycia w innych reaktorach” – wyjaśnia współautor pracy, prof. dr hab. Mariusz Dąbrowski, kierownik Zakładu Energetyki Jądrowej i Analiz Środowiska NCBJ. „Reaktor DFR może także pracować na zużytym paliwie pochodzącym z obecnie dominujących na świecie reaktorów lekkowodnych LWR, traktowanym dotychczas jako odpad promieniotwórczy. W ten sposób może utylizować to paliwo jak również inne odpady promieniotwórcze poprzez wypalanie aktynowców takich jak izotopy ameryku, kiuru czy neptunu. Ciekawe jest, iż użycie wypalonego paliwa z reaktorów LWR wydłuża czas pracy reaktora DFR bez wymiany paliwa nawet do 20 lat, nadając mu cechę baterii jądrowej. Dodatkową zaletą reaktora DFR jest możliwość przetwarzania paliwa w trakcie jego pracy, wykorzystując tym samym w pełni zalety wynikające ze stosowania paliwa płynnego. Pozwala to na utrzymywanie niskiego poziomu nadmiaru reaktywności zgromadzonego w paliwie w trakcie całego okresu eksploatacji w przeciwieństwie do reaktorów na paliwo stałe, gdzie duży nadmiar reaktywności musi być kompensowany od samego początku.”

Oryginalna praca:

Negative temperature coefficients of reactivity for metallic fuel Dual Fluid Reactor
Jakub Sierchuła, Mariusz P. Da̧browski, Konrad Czerski 
Progress in Nuclear Energy, Volume 146, April 2022, 104126 https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2022.104126

Informacje uzupełniające

Zasada działania reaktora dwupłynowego została opatentowana w 2013 r. przez grupę sześciu naukowców z berlińskiego Instytutu Fizyki Jądrowej Ciała Stałego kierowaną przez prof. Konrada Czerskiego. Obecnie nad praktyczną realizacją tego projektu pracuje kanadyjska firma Dual Fluid Energy Inc. założona w 2021 r. przez twórców koncepcji.