CANDU Reaktor , zaprojektowany w Kanadzie w latach 1950 i 1960, to reaktor jądrowy w uranie naturalnym (nieulepszonych) w ciężkiej wody pod ciśnieniem ( PHWR ) opracowanej przez Atomic Energy of Canada . Akronim „CANDU” oznacza CANada Deuterium Uranium w odniesieniu do stosowania tlenku deuteru ( ciężka woda ) i naturalnego paliwa uranowego.
Reaktory CANDU wykorzystują naturalny uran jako paliwo. Uran naturalny składa się z kilku izotopów uranu, z których najliczniejsze to uran 238 ( 238 U) i uran 235 ( 235 U). Tylko izotop 235 U jest rozszczepialny , może podtrzymywać reakcję łańcuchową .
Jednak stężenie 235 U w naturalnym uranie (0,72% mas.) Nie pozwala na utrzymanie tej reakcji łańcuchowej samodzielnie. Zasada działania reaktora jądrowego polega na wystarczającym spowolnieniu neutronów wytwarzanych przez rozszczepienie atomu, tak aby prawdopodobieństwo, że spowodują one rozszczepienie innego atomu, osiągnie poziom umożliwiający reakcję łańcuchową w całym paliwie atomowym . Ten proces nazywa się termalizacją neutronów .
Termalizacja odbywa się za pomocą moderatora, który może skutecznie spowolnić neutrony wytwarzane przez rozszczepienie, nie pochłaniając ich zbytnio. W przypadku naturalnego uranu o stężeniu 235 U trzy materiały spełniają te kryteria: beryl , grafit i ciężka woda . Grafit, tańszy od ciężkiej wody i berylu, był używany w pierwszych reaktorach jądrowych w historii ( CP-1 , X-10 (in) ).
CANDU to reaktory rurowe ciśnieniowe, to znaczy paliwo i moderator są oddzielne. W tym sensie są porównywalne z reaktorami gazowymi ( UNGG , AGR ) i RBMK .
„Zimna” ciężka woda, pełniąca rolę moderatora, znajduje się w cylindrycznym zbiorniku zwanym kalandrem . Kratkę tę przecinają kanały wypełnione gazem ( dwutlenkiem węgla ) w obudowie rur ciśnieniowych (380 dla CANDU 600). W tych rurach ciśnieniowych , zawierających każdą z wiązek paliwa (12 lub 13), krąży ciężka woda pod „gorącym” ciśnieniem, służąc jako nośnik ciepła . Tak więc, w przeciwieństwie do reaktorów wodnych ciśnieniowych (PWR), które stanowią większą część światowej floty jądrowej, reaktory CANDU mają dwie sieci rurociągów: jedna transportuje „gorące” chłodziwo pod ciśnieniem, a druga ciecz. „Zimny” moderator. W reaktorach typu PWR te dwie funkcje pełni pojedyncza sieć rurociągów.
Ciśnienie ciężkiej wody w rurach ciśnieniowych utrzymuje się na poziomie 10 megapaskali , prawie 100 razy większym niż ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza Przy takim ciśnieniu woda nie dochodzi do wrzenia, chociaż jej temperatura w kontakcie z paliwem osiąga 310 ° C. Ciężka woda pod ciśnieniem przekazuje uzyskaną energię cieplną do lekkiej wody przez wytwornice pary w pobliżu reaktora. W tym drugim przypadku lekka woda jest doprowadzana do wrzenia, a para jest wykorzystywana do obracania turbin podłączonych do alternatorów wytwarzających energię elektryczną. Proces ten, wspólny dla wszystkich reaktorów jądrowych, nie jest pozbawiony strat, ponieważ na 2776 megawatów ciepła (MWt) wytwarzanych przez reaktor CANDU-850, wytwarza się tylko 934 megawatów energii elektrycznej (MWe) brutto ( moc 30%).
Podczas gdy wszystkie reaktory CANDU mają ciężką wodę jako moderator, historycznie testowano inne chłodziwa, takie jak wrząca woda lekka (CANDU-BLW) w reaktorze Gentilly-1 w elektrowni jądrowej Gentilly lub olej (CANDU-OCR) w reaktorze eksperymentalnym WR-1 w Whiteshell Laboratories.
Rozwój CANDU przeszedł przez cztery główne etapy. Pierwsze reaktory były eksperymentalnymi systemami o ograniczonej mocy. Zastąpiły je reaktory drugiej generacji o mocy 600 MWe , a następnie serie o mocy 800-900 MWe . Opracowano trzecią generację, ale nie została ona jeszcze wdrożona.
Po inwazji na Francję na początku II wojny światowej zespół francuskich naukowców badał, w jaki sposób mieszanina uranu i ciężkiej wody może podtrzymać reakcję łańcuchową, która wyciekła do Wielkiej Brytanii wraz z jej zapasami ciężkiej wody. Kiedy Londyn zdał sobie sprawę, że reaktor ciężkowodny może wytwarzać pluton dla brytyjskiego projektu bomby atomowej Tube Alloys , założył laboratorium w Montrealu, aby przenieść zagranicznych naukowców jak najbliżej surowców potrzebnych firmie i badaczom amerykańskim. Kanada rzeczywiście była producentem ciężkiej wody i uranu, chociaż zasoby te znajdowały się wówczas pod kontrolą Amerykanów. W 1943 roku Tube Alloys połączono z Manhattan Project, a Amerykanie zainwestowali w kanadyjski reaktor ciężkowodny.
Laboratorium badań jądrowych powstało w Chalk River w 1944 roku. Tam, 5 września 1945 roku, pierwszy reaktor poza Stanami Zjednoczonymi wszedł do służby. Do ZEEP, małego reaktora zbudowanego w celu sprawdzenia prawdziwości obliczeń kanadyjskich naukowców, wkrótce dołączyły inne, potężniejsze reaktory eksperymentalne, takie jak NRX w 1947 r. I NRU w 1957 r.
Opierając się na tym doświadczeniu, gdy przyszedł czas na zaprojektowanie kanadyjskiego reaktora komercyjnego, użycie ciężkiej wody stało się oczywiste. Zwłaszcza, że kraj nie posiadał zakładu wzbogacania uranu, a amerykańska technologia była wówczas utrzymywana w tajemnicy, perspektywa bezpośredniego wykorzystania uranu naturalnego była najbardziej ekonomiczna.
W latach pięćdziesiątych XX wieku rozwój reaktorów jądrowych skłonił kilka krajów do przetestowania różnych projektów.
W 1955 r. Projekt budowy prototypu reaktora chłodzonego umiarkowaną i ciężką wodą został zainicjowany wspólnie przez Ontario Hydro (OH), Canadian General Electric (CGE) i Atomic Energy of Canada Ltd (AECL). W pierwotnym projekcie wykorzystano zbiornik ciśnieniowy, ale Kanada nie miała kuźni zdolnych do wykonania takiej części, projektanci CANDU zwrócili się ku zastosowaniu rur ciśnieniowych: technologii dobrze opanowanej od najwcześniejszych reaktorów wojskowych. Zaleta polegająca na umożliwieniu ładowania reaktora podczas pracy.
Prace te doprowadziły w 1962 roku do powstania pierwszego reaktora typu CANDU, Nuclear Power Demonstration (NPD), zbudowanego w Rolphton ( Ontario ), niedaleko Chalk River. Miał być tylko dowodem słuszności koncepcji, wytwarzał tylko 22 MW energii elektrycznej, ale działał do 1987 r. Drugim CANDU był reaktor Douglas Point , wersja 200 MWe zbudowany w pobliżu Kincardine (Ontario), naprzeciw jeziora Huron . W służbie w 1968 roku, wycofano go w 1984 roku, ponieważ jego wydajność była rozczarowująca.
Inny eksperymentalny reaktor, Gentilly-1 , został zbudowany w Quebecu w Bécancour nad rzeką St. Lawrence . Podłączony do sieci w kwietniu 1971 r., Produkował energię elektryczną tylko na kilka miesięcy przed wyłączeniem w 1977 r. Jako pierwszy.
NPD i Douglas Point udowodniły wykonalność tej koncepcji i pierwszy zakład wielooddziałowy wszedł do służby w 1971 roku w Pickering w Ontario. W przeciwieństwie do poprzednich reaktorów, zbudowanych z dala od populacji, miejsce Pickeringa zostało celowo wybrane w pobliżu Toronto, aby obniżyć koszty transportu energii elektrycznej i dlatego, że dodano unikalną strukturę zabezpieczającą.
CANDU 6Kanada weszła na rynek międzynarodowy w 1972 roku wraz z budową w Indiach przez AECL reaktora o mocy 200 MWe typu Douglas Point ( Rajasthan 1 ). Po zbudowaniu drugiej jednostki (Radżastan 2) Indie same kontynuowały swój program nuklearny.
W tym samym roku CGE dostarczyła Pakistanowi reaktor o mocy 137 MWe oparty na NPD. Następnie CGE zrezygnowała z budowy reaktorów, a AECL odziedziczyła koncepcję reaktora jednostkowego opartą na koncepcji Pickeringa. Ten nowy reaktor, o zwiększonej mocy 100 MWe w porównaniu z Pickering, CANDU 6, zostanie wyeksportowany poza Ontario do Gentilly (1983) w Quebecu i Point Lepreau (1983) w Nowym Brunszwiku i poza Kanadą, w Korei Południowej (1983). , Argentyna (1984), Rumunia (1996) i Chiny (2002). Po sukcesie CANDU 6, AECL opracuje małą CANDU 3 (450 MWe ) i dużą CANDU 9 (900 MWe ), ale te dwa projekty zostaną porzucone z powodu braku klientów.
Klasa 900 MWePo Pickering A szybko pojawiła się elektrownia Bruce, zbudowana w latach 1971–1987. Z ośmioma reaktorami o mocy około 800 MW każdy, jest to najpotężniejsza instalacja jądrowa na świecie, zanim została zdetronizowana w 1997 r. Przez japońską elektrownię Kashiwazari-Kariwa. . . Kolejne rozszerzenie skali stworzyło elektrownię Darlington w 1990 roku, podobną do Bruce, ale generującą 880 MWe na reaktor. Podobnie jak w przypadku Pickeringa, projekt Bruce'a dał początek przepakowanej wersji CANDU 9.
Firma Atomic Energy of Canada Limited jako pierwsza opracowała projekt o mocy 700 MWe oparty na CANDU 6 i CANDU 9 o nazwie Advanced CANDU Reactor (ACR). Ogłoszenie o renesansie jądrowym w 2000 roku ponownie uruchomiło trend zwiększania mocy i ACR-700 stał się ACR-1000 o mocy 1200 MWe .
ACR-1000 zrezygnował z naturalnego uranu jako paliwa na rzecz lekko wzbogaconego uranu (1-2% 235 U). Taki wybór pozwoliłby na ujemny współczynnik podciśnienia i użycie lekkiej wody jako chłodziwa, co zmniejszyłoby koszty. W tym samym celu objętość kalandra zostanie zmniejszona, a produkcja trytu zostanie odpowiednio zmniejszona. Wciąż mając na celu obniżenie kosztów, to niewielkie wzbogacenie zwiększyłoby szybkość spalania, zmniejszając częstotliwość doładowywania, a tym samym ilość wytwarzanych odpadów. Te cechy posłużyły jako podstawa projektu, który został porzucony i miał być jeszcze bardziej innowacyjny dzięki zastosowaniu wody nadkrytycznej jako chłodziwa: CANDU-X.
Rozważany w Albercie, Nowym Brunszwiku, Wielkiej Brytanii i Ontario, ACR-1000 nie został zbudowany, a jego rozwój został zatrzymany po sprzedaży działu reaktorów AECL firmie Candu Energy (spółka zależna SNC-Lavalin ) w 2011 roku.
Ulepszona CANDU 6Bazując na innowacjach wprowadzonych wraz z CANDU 9 oraz na doświadczeniu zdobytym przy budowie najnowszej CANDU 6 ( Qinshan ), ulepszona CANDU 6 (EC6) zwiększa bezpieczeństwo i wydłuża żywotność reaktora do 60 lat i ich współczynnik obciążenia ponad 90%. Żaden z nich nie został zbudowany do tej pory, ale Candu Energy kontynuuje prace nad reaktorem.
Zaawansowany reaktor paliwowy CANDU (AFCR)Zamiast konkurować z ciśnieniem lub wrzących reaktorów wodnych (REL) , CANDU cyklu reaktor rozszerzone paliwa (AFCR) umieszczony jest jako dodatek do tych sektorów. AFRC to EC6 zoptymalizowany pod kątem wykorzystania paliwa REL z recyklingu (0,95% 235 U). W 2016 r.Chińska Narodowa Spółka Nuklearna i Shanghai Electric podpisały umowy z Candu Energy na rozwój i budowę tego nowego reaktora.
AECL bada reaktor CANDU czwartej generacji : CANDU-SCWR. Ten nowy projekt koncepcyjny nadal wykorzystuje rury ciśnieniowe i ciężką wodę jako moderator, ale, podobnie jak CANDU-X, jako chłodziwo nadkrytyczną lekką wodę. Pod ciśnieniem do 25 MPa , w porównaniu z 10,5 MPa w CANDU-6, lekka woda jest podgrzewana do 625 ° C w kontakcie z paliwem, co zwiększyłoby sprawność termodynamiczną do ponad 40%, wobec 30% obecnie.
Grupa CANDU Owners składa się z krajów, które obecnie posiadają takie reaktory.
Wszystkie cywilne reaktory jądrowe zbudowane w Kanadzie (w liczbie 25) są typu CANDU. 22 z tych reaktorów znajdują się w Ontario (cztery wycofane z eksploatacji i 18 w elektrowni jądrowej Pickering , Bruce i Darlington ), dwa w Quebecu (w elektrowni jądrowej Gentilly , wycofane z eksploatacji), a jeden w Nowym Brunszwiku (w elektrowni jądrowej Point Lepreau ).
Kraj | Centralny | Numer
reaktorów |
Rodzaj |
1 ponowne ustawienie
czynny |
Komentarze |
---|---|---|---|---|---|
Indie | Rajasthan | 2 | Douglas Point | 1972 | 16 instrumentów pochodnych CANDU w eksploatacji i 4 w budowie. |
Pakistan | Karaczi | 1 | NPD | 1972 | Reaktor KANUPP-I. |
Korea Południowa | Wolsong | 4 | CANDU-6 | 1983 | |
Argentyna | Osadzać | 1 | 1984 | Dodatkowy badany reaktor. | |
Rumunia | Cernavoda | 4 | 1996 | Dwa reaktory w służbie, dwa niedokończone. | |
Chiny | Qinshan | 2 | 2002 |
Wiele z tych transakcji miało miejsce w tamtym czasie w reżimach dyktatorskich lub w krajach o słabnącej demokracji . Na przykład budowa argentyńskiej elektrowni Embalse rozpoczyna się podczas trzeciej kadencji generała Juana Peróna w 1974 roku, trwa przez ciemne lata argentyńskiej dyktatury wojskowej i kończy się w 1984 roku, kiedy Raúl Alfonsín pochodzi z demokratycznego wyboru. Ponadto podejrzewa się, że Indie i Pakistan pozyskały paliwo potrzebne do broni atomowej dzięki reaktorom CANDU.