Реактор на гранульованому паливі () (PBR) — це конструкція ядерного реактора з газовим охолодженням із графітовим сповільнювачем. Це тип високотемпературного реактора (VHTR), один із шести класів ядерних реакторів в ініціативі IV покоління.

Основна конструкція реакторів на гранульованому паливі включає сферичні паливні елементи, які називаються гранулами. Ці гранули розміром із тенісний м’яч (приблизно 6,7 см., в діаметрі) виготовлені з піролітичних графіту (який діє як сповільнювач) і містять тисячі мікрочастинок палива, які називаються частинками TRISO. Ці паливні частинки TRISO складаються з матеріалу, що розщеплюється (наприклад, 235U), оточеного шаром керамічного покриття з карбіду кремнію для структурної цілісності та утримання продуктів поділу. У PBR тисячі гранул накопичуються для створення активної зони реактора та охолоджуються газом, таким як гелій, азот або вуглекислий газ, який не вступає в хімічну реакцію з паливними елементами. Інші теплоносії, такі як FLiBe (розплавлений фторид, літій, берилієва сіль)) також були запропоновані для використання в реакторах, що працюють на паливних гранулах. Тип реакторів вважаються пасивно безпечними.

Оскільки реактор розроблено для роботи з високими температурами, він може охолоджуватися за допомогою природної циркуляції та все ще працювати в аварійних режимах, які можуть підняти температуру реактора до . Завдяки своїй конструкції високі температури забезпечують більш високу теплову ефективність, ніж це можливо на традиційних атомних електростанціях (до 50%), і має додаткову особливість: гази не розчиняють забруднювачі та не поглинають нейтрони, як це робить вода, тому активна зона має менше шляхів витоку радіоактивних рідин.

Концепцію вперше запропонував Фаррінгтон Деніелс у 1940-х роках, кажуть, що її надихнув інноваційний дизайн пальника Бенгазі британськими військами пустелі під час Другої світової війни, але комерційна розробка відбулася лише в 1960-х роках у німецькому реакторі AVR Рудольфа Шультена. Ця система мала проблеми, і було прийнято політичні та економічні рішення про відмову від технологіїNGNP Point Design – Results of the Initial Neutronics and Thermal-Hydraulic Assessments During FY-03 pg 20. Розробка AVR була ліцензована в Південній Африці як PBMR і в Китаї як HTR-10, останній наразі має єдину діючу таку конструкцію. У різних формах інші проекти розробляються Массачусетським технологічним інститутом, Університетом Каліфорнії в Берклі, General Atomics (США), голландською компанією Romawa BV, Adams Atomic Engines, Національною лабораторією Айдахо, X-energy і Kairos Power.

Конструкція на гранульованому паливі Електростанція з реактором на паливних гранулах поєднує в собі активну зону з газовим охолодженням і нову упаковку палива, що значно зменшує складність і підвищує безпеку.

Уранове, торієве або плутонієве ядерне паливо має форму кераміки (зазвичай оксидів або карбідів), що міститься в сферичних гранулах розміром трохи менших за тенісний м’яч і виготовлених з піролітичного графіту, який діє як первинний сповільнювач нейтронів. Конструкція гальки є відносно простою, кожна сфера складається з ядерного палива, бар’єру для продуктів поділу та сповільнювача (у традиційному водяному реакторі всі це різні частини). Просто складання достатньої кількості камінчиків у критичній геометрії дозволить отримати критичність.

Гранули утримуються в посудині, а інертний газ (такий як гелій, азот або вуглекислий газ) циркулює через простір між кульками палива, відводячи тепло від реактора. Реактори на гранульованому паливі потребують протипожежних засобів, щоб запобігти горінню графіту гранул в присутності повітря, якщо стінка реактора порушується, хоча займистість гранул спірна. В ідеалі нагрітий газ проходить безпосередньо через турбіну. Однак, якщо газ із теплоносія першого контуру може стати радіоактивним під дією нейтронів у реакторі, або якщо дефект палива все ще може забруднити обладнання для виробництва електроенергії, може використовуватись теплообмінник, де він нагріває інший газ або виробляє пару. Вихлопні гази турбіни досить теплі, і їх можна використовувати для обігріву будівель чи хімічних заводів або навіть для запуску іншого теплового двигуна.

Велика частина вартості звичайної атомної електростанції з водно-водяними ядерними реакторами пояснюється складністю системи охолодження. Ці системи є частиною загального дизайну безпеки, тому вимагають розширених систем безпеки та резервування. Реактор з водяним охолодженням, як правило, є незначною частиною будівництва у порівнянні з приєднаними до нього системами охолодження. Додаткові проблеми полягають у тому, що активна зона опромінює воду нейтронами, внаслідок чого вода та розчинені в ній домішки стають радіоактивними, а також те, що труби високого тиску на первинній стороні стають крихкими та потребують постійної перевірки та можливої заміни.

Всупереч класичним дизайнам, реактор на гранульованому паливі охолоджується газом, іноді при низькому тиску. Проміжки між гранулами виконують роль «трубопроводів» у серцевині. Оскільки в активній зоні немає фактичних трубопроводів, а охолоджуюча рідина не містить водню, крихкість не є причиною відмови. Інертний газ, наприклад, гелій, погано поглинає нейтрони або домішки. Тому, порівняно з водою, такий газ ефективніший, а вірогідність витоку радіоактивних речовин менша.

Функції безпеки Реактори з гранульованим паливом мають перевагу над звичайними легководними реакторами в тому, що працюють при більш високих температурах. Технічною перевагою є те, що деякі конструкції дроселюються температурою, а не керуючими стрижнями. Реактор може бути простішим, оскільки йому не потрібно добре працювати при змінних нейтронних профілях, спричинених частково витягнутими керуючими стрижнями.

Реактори на гранульованому паливі також можуть використовувати паливні гранули, виготовлені з різних видів палива, в одній базовій конструкції реактора (хоча, можливо, не одночасно). Прихильники стверджують, що деякі типи реакторів на пеллетах мають можливість використовувати торій, плутоній і природний незбагачений уран, а також звичайний збагачений уран. Розробляється проект із створення гранул та реакторів, які використовують МОКС-паливо, яке змішує уран із плутонієм або з повторно оброблених паливних стрижнів, або знятої з експлуатації ядерної зброї.

У більшості стаціонарних конструкцій реакторів на гранулах заміна палива відбувається безперервно. Замість того, щоб зупинятися на кілька тижнів для заміни паливних стрижнів, гранули поміщають у реактор за допомогою бункера. Вони переробляються від низу до верху приблизно десять разів протягом кількох років і перевіряються кожного разу, коли їх виймають. Коли вони вигорають, їх відбирають в зону ядерних відходів і досипають нові гранули.

Коли температура ядерного палива підвищується, швидкий рух атомів у паливі викликає ефект, відомий як доплерівське розширення. Тоді паливо поглинає ширший діапазон відносних швидкостей нейтронів. Уран-238, який утворює основну масу урану в реакторі, швидше за все поглинає швидкі або епітеплові нейтрони при вищих температурах. Це зменшує кількість нейтронів, які можуть викликати поділ, і зменшує потужність реактора. Таким чином, доплерівське розширення створює негативний зворотний зв'язок: у міру підвищення температури палива потужність реактора зменшується. Усі реактори мають механізми зворотного зв’язку за реактивністю, але реактор на гранулах розроблено так, що цей ефект є дуже сильним. Це невід’ємно від конструкції і не залежить від будь-якого типу машин або рухомих частин. Якщо швидкість поділу збільшується, температура зросте, і відбудеться доплерівське розширення, що зменшить швидкість поділу. Цей негативний зворотний зв'язок створює пасивний контроль над процесом реакції.

Через це, а також через те, що реактор на гранулах розроблений для більш високих температур, реактор пасивно знизить потужність до безпечного рівня в разі аварії. Це основна характеристика пасивної безпеки реактора на паливних гранулах, і вона відрізняє конструкцію (як і більшість інших дуже високотемпературних реакторів) від звичайних легководних реакторів, які потребують активного контролю безпеки.

Реактор охолоджується інертним вогнетривким газом, тому в ньому не може бути парового вибуху, як у легководному реакторі. Теплоносій не має фазових переходів — він починає бути газом і залишається газом. Подібним чином сповільнювач є твердим вуглецем; вона не діє як теплоносій, не рухається і не має фазових переходів (тобто між рідиною та газом), як це робить легка вода в звичайних реакторах. Конвекція газу, викликаного теплом гранул, забезпечує пасивне охолодження.

Стримування Більшість конструкцій реакторів на гранулах містять багато підсилювальних рівнів утримання для запобігання контакту між радіоактивними матеріалами та біосферою:

Більшість реакторних систем укладені в захисну оболонку, призначену для захисту від падінь літаків і землетрусів. Сам реактор зазвичай знаходиться в приміщенні з двометровими стінами з дверима, які можна зачинити, і камерами охолодження, які можна заповнити з будь-якого джерела води. Корпус реактора зазвичай герметичний. Кожна гранула у реакторі має розмір 60 міліметрів (2,4 дюйма), і являє собою порожнисту кулю з піролітичного графіту. Зовнішній шар з вогнетривкого карбіду кремнію. Паливо знаходиться у формі оксидів або карбідів металів.

Основним конструкційним матеріалом у цих кульках є піролітичний графіт. Він сублімується при 4000 °C, що більш ніж вдвічі перевищує розрахункову температуру більшості реакторів. Він дуже ефективно уповільнює нейтрони, є міцним, недорогим і має довгу історію використання в реакторах та інших застосуваннях з дуже високими температурами. Наприклад, піролітичний графіт також використовується, неармований, для виготовлення носових конусів ракет і великих твердотільних ракетних сопел. Його міцність і твердість походять від анізотропних кристалів вуглецю.

Виробництво палива Усі ядра осаджують із золь-гелю, потім промивають, сушать і прожарюють. Американські ядра використовують карбід урану, тоді як німецькі (AVR) ядра використовують діоксид урану. Вироблені в Німеччині паливні гранули виділяють приблизно на три порядки величини (у 1000 разів) менше радіоактивного газу, ніж еквіваленти в США, через різні методи виготовлення.

Критика конструкції реактора Горючий графіт Найпоширеніша критика реакторів на паливних гранулах полягає в тому, що упаковка палива в горючий графіт становить небезпеку. Під час горіння графіту паливний матеріал може бути винесений димом від вогню. Оскільки для спалювання графіту потрібен кисень, паливні ядра покриваються шаром карбіду кремнію, а реакційна ємність очищається від кисню. Хоча карбід кремнію міцний на стирання та стиснення, він не має такої ж міцності проти сил розширення та зсуву. Деякі продукти ділення, такі як ксенон-133, мають обмежене поглинання вуглецю, а деякі паливні ядра можуть накопичувати достатньо газу, щоб розірвати шар карбіду кремнію. Навіть тріснута гранула не горить без кисню, але її пошкодження може лишатися непоміченим місяцями, створюючи вікно вразливості.

Контейнментна будівля У деяких конструкціях реакторів із шаром гранул не вистачає захисної оболонки, що потенційно робить такі реактори більш уразливими до зовнішніх атак і дозволяє радіоактивному матеріалу поширюватися у разі вибуху. Однак нинішній акцент на безпеці реактора означає, що будь-яка нова конструкція матиме міцну залізобетонну конструкцію захисної оболонки. Крім того, будь-який вибух, швидше за все, буде спричинений зовнішнім фактором, оскільки конструкція не страждає від парового вибуху - вразливості деяких реакторів з водяним охолодженням.

Поводження з відходами