Ryssland bygger blykyld snabbreaktor

Ryssland bygger blykyld snabbreaktor

Ryssland har tagit ett stort steg närmare att bygga en blykyld snabbreaktor kallad Brest 300. Reaktorn kommer att använda uran-plutoniumnitridbränsle som ska upparbetas och återanvändas i en sluten bränslecykel. Både upparbetningen och bränsletillverkningen ska ske intill reaktorn. Det här systemet kommer att vara ett exempel på det som brukar kallas fjärde generationens kärnkraft.

Brest 300 blir en snabbreaktor. Den kommer att bygga upp lika mycket klyvbart material som den använder för att underhålla kedjereaktionen. Det använda bränslet ska upparbetas och det klyvbara materialet ska återvinnas i nytt bränsle till reaktorn.

Reaktorn, upparbetningen och bränsletillverkningen ingår i Rosatoms projekt ”Proryv”, på svenska ”genombrott”. Projektet syftar till att utveckla en kärnbränslecykel som inte lämnar efter sig något långlivat avfall. Det är vad som brukar kallas ett Generation IV-system – fjärde generationens kärnkraft.

Den långsiktiga planen för den ryska energiförsörjningen är att successivt ersätta fossil gas med kärnkraft och att fasa in snabbreaktorer som återvinner det använda bränslet.

Ryssland, liksom flera andra länder, har genom åren byggt och drivit ett antal snabbreaktorer med flytande natrium som kylmedel. Även vidareutvecklingen av natriumreaktorerna ingår i projektet Proryv. Brest 300 kommer istället för natrium att använda flytande bly. Det har aldrig gjorts i en kraftproducerande reaktor.

När Brest 300 är i drift ska erfarenheterna av den här första reaktorn användas för att utveckla en större, Brest 1200.

Blykylning är en krävande teknik

Natrium som kylmedel har den stora fördelen att det har en låg smältpunkt. Dessutom är det lätt och är därmed ganska okomplicerat att pumpa. Bly å sin sida har hög smältpunkt och är tungt. Dessutom bildar det oxider som kan plugga igen kylmedelskanalerna, vilket i värsta fall kan leda till att bränslet inte kan kylas. Den höga densiteten skapar problem med erosion på komponenter, särskilt på eventuella pumpar. Den höga smältpunkten innebär att reaktorn hela tiden måste hållas varm. Natrium å andra sidan har nackdelen att det reagerar kraftigt i kontakt med luft eller vatten.

Nyckeln till att bemästra blytekniken är att kunna kontrollera syrehalten i blyet väldigt exakt. Lite syre behövs för att bygga upp ett lager av skyddande oxid på komponenterna i reaktorn, men om det finns för mycket syre sätter reaktorn igen. Den här tekniken utarbetades för en serie mycket snabba atomubåtar som Sovjetunionen byggde. De blykylda reaktorerna kunde byggas mindre än vattenkylda reaktorer med samma effekt. Därmed kunde ubåtarna byggas mindre och gå fortare. Ryssarna lyckades få tekniken att fungera genom att utveckla metoder för att mäta syrehalten i flytande bly så att mängden syre kunde kontrolleras.

Kontrakt tecknat

Utvecklingen av Brest 300 har pågått sedan 2011. De första bestrålningstesterna av nitridbränslet gjordes 2016 och ett dussin nitridbränsleknippen testkörs för närvarande i den natriumkylda bridreaktorn BN-600.

Det har funnits flera besked om när Brest 300 skulle byggas, men nu har ett större kontrakt tecknats mellan företaget Titan-2 och det Sibiriska Kemikombinatet i Tomsk om att uppföra reaktorn. Titan-2 är en sammanslutning av ryska ingenjörsföretag under Rosatom och kemikombinatet är en del av Rosatoms kärnbränsledel TVEL.

Brest 300 får en elektrisk effekt på 300 MW. Det använda bränslet från reaktorn kommer att upparbetas precis intill reaktorn där också nytt nitridbränsle ska tillverkas av klyvbart material som tas till vara vid upparbetningen. Därmed sluts bränslecykeln och systemet blir självförsörjande på bränsle. Brest 300 kommer inte att vara beroende av uranbrytning.

Bygget påbörjas tidigt 2020 och reaktorn ska stå klar 2026. Fabriken för tillverkning av nitridbränslet ska stå klar redan 2021.

Nitridbränslen lämpliga för snabbreaktorer

Uran- och plutoniumnitrider har en rad fördelar över de uranoxider som används som bränsle i majoriteten av världens reaktorer. Nitriderna har bättre värmeledningsförmåga vilket gör att effekten i bränslestavarna kan tillåtas vara högre än i oxidbränslen. Smältpunkten är högre än för motsvarande oxider, vilket ger extra säkerhetsmarginaler. Nitriderna har också fördelen att de innehåller bara en lätt atom (kväve) per tung atom (uran eller plutonium) medan oxiderna har två syreatomer. Det gör att nitridbränslet innehåller mer klvybart material i en given volym. Densiteten är högre.

Nackdelarna med nitrider, som har gjort att oxiderna dominerar kärnbränslemarknaden idag, är att de är svårare att tillverka och att de inte är kompatibla med vatten. Därför är det oxidbränslen som används i dagens reaktorer, som i de allra flesta fallen är vattenkylda.