Магнокс () — серия ядерных реакторов, разработанная в Великобритании, в которых в качестве ядерного топлива используется природный металлический уран, в качестве замедлителя графит, а роль теплоносителя выполняет углекислый газ. Магнокс относится к типу газографитовых реакторов (GCR по классификации МАГАТЭ). Название «магнокс» совпадает с названием марки магниево-алюминиевого сплава, используемого в этих реакторах для изготовления оболочек топливных элементов. Как и большинство реакторов первого поколения Магнокс является двухцелевым реактором, предназначенным как для наработки плутония-239 так и для производства электроэнергии. Как и в других реакторах, производящих плутоний, важной особенностью является слабое поглощение нейтронов материалами активной зоны. Эффективность графитового замедлителя позволяет работать на природном урановом топливе без необходимости его обогащения. Графит легко окисляется на воздухе, поэтому в качестве теплоносителя использован CO2. Передача тепла от первого контура ко второму осуществляется в парогенераторах, а полученный пар приводит в движение обычную турбину для производства электроэнергии. Конструкция реактора позволяет производить перегрузку топлива на ходу.
Двухцелевая особенность реакторов Магнокс позволила Великобритании создать значительные запасы реакторного плутония, путём переработки отработанного ядерного топлива на заводе B205. Несмотря на модернизацию, направленную на повышение эффективности производства электроэнергии, после того как производство плутония отошло на второй план, Магнокс-реакторы так и не сравнялись с водо-водяными реакторами по эффективности использования топлива из-за своих конструктивных особенностей и работы на необогащённом уране.
Только небольшое количество реакторов данного типа было построено в Великобритании и ещё меньшее было экспортировано в другие страны. Первый реактор был сооружён в Колдер Холл () в 1956, и часто рассматривается как «первый коммерческий энергетический реактор в мире», тогда как последним в Великобритании был закрыт Уилфа () в 2015. По состоянию на 2016 год Северная Корея остается единственной страной, использующей реакторы Магнокс в Ядерном научно-исследовательском центре в Йонбёне. Дальнейшим развитием газографитовых реакторов стали Улучшенные реакторы с газовым охлаждением, имеющие тот же теплоноситель, но с рядом изменений повышающих экономические показатели.
Развитие газографитовых реакторов в Великобритании
Уиндскейл-Пайл Первым полномасштабным промышленным реактором Великобритании стал Уиндскейл-Пайл в комплексе Селлафилд. Он был создан специально для наработки плутония-239 из природного урана. Для поддержания ядерной реакции в таком топливе требуются тепловые нейтроны, для чего нужен эффективный замедлитель. В данном случае был выбран особо чистый графит. Реактор представлял собой кладку из большого числа графитовых блоков, которую пронизывали каналы для размещения топливных элементов и стержней управления. Топливо из металлического урана заключалось в алюминиевую оболочку и помещалось в горизонтальные каналы ректора. По мере работы реактора свежие топливные элементы добавлялись с его лицевой части и выталкивали отработавшие элементы, которые падали в специальный бассейн. Отработавшее топливо направлялось на переработку для извлечения плутония. Энерговыделение в реакторе было относительно невелико и использовалось воздушное охлаждение с помощью больших вентиляторов, продувавших графитовую кладку.
Бомбардировка графита нейтронами приводит к накоплению в нём скрытой энергии Вигнера и для восстановления его структуры необходим периодический отжиг. При эксплуатации реакторов в Уиндскейле технология отжига ещё не была достаточно отработана и 10 октября 1957 года во время такой процедуры был допущен перегрев топлива, что привело к его возгоранию. Реактор горел в течение трёх дней и серьёзного загрязнения удалось избежать только благодаря фильтрам, которые изначально не предусматривались в проекте и были установлены на позднем этапе строительства. Интересно, что фильтры ранее были высмеяны как ненужные «глупости».
Выброс оценивается в 750 ТБк (20 000 Ки). В связи с тем, что Кыштымская авария не была широко известна за пределами СССР, авария в Селлафилде считалась самой серьёзной в истории мировой атомной промышленности до аварии на АЭС Три-Майл-Айленд. По международной шкале ядерных происшествий, которая классифицирует события по семи уровням, где ноль означает, что событие подлежит регистрации, но не будет иметь последствий, а на седьмом уровне расположены аварии в Чернобыле и Фукусиме, происшествие на химкомбинате Маяк стоит на шестом уровне, а в Уиндскейле — на пятом.
Магнокс Поскольку ядерное ведомство Великобритании начало обращать свое внимание на ядерную энергетику, потребность в большем количестве плутония оставалась острой. Это привело к дальнейшему развитию решений, отработанных на Уиндскейл-Пайл, что привело к созданию более мощного реактора, способного служить источником энергии для выработки электричества.
При большой тепловой мощности риск пожара увеличивается и способ воздушного охлаждения оказывается неподходящим. В реакторах Магнокс это привело к использованию двуокиси углерода CO2 в качестве теплоносителя. В конструкции реактора нет устройств для регулирования потока газа по отдельным каналам, вместо этого необходимый расход устанавливается один раз во время строительства на основе экспериментов, проведённых на макете. Контроль ядерной реакции обеспечивался стержнями управления из борированной стали, размещёнными в вертикальных каналах.
При более высоких температурах алюминий не обеспечивает достаточной прочности, и в качестве материала топливных оболочек был выбран сплав магнокс. Химическая активность магнокса увеличивается по мере повышения температуры, что приводит к её ограничению до 360 °C (680 °F). При таких температурах генерация пара не достаточно эффективна. Указанные температурные ограничения приводят к тому, что реактор должен быть очень большим для обеспечения выбранной мощности. Использование газа как теплоносителя несёт дополнительные трудности, так как его низкая теплоёмкость требует очень высоких скоростей потока.
Топливные элементы реактора Магнокс состояли из очищенного урана, герметично заключённого в свободно облегающую оболочку, заполненную гелием. Оболочка обычно была ребристой, чтобы улучшить теплообмен с CO2. Сплав магнокс хорошо реагирует с водой и отработанные топливные элементы после их извлечения из реактора нельзя надолго оставлять в бассейнах выдержки. В отличие от Уиндскейл-Пайл в реакторе Магнокс использовались вертикальные топливные каналы. Топливные элементы были механически скреплены друг с другом, для того чтобы их можно было извлечь из каналов сверху.
Как и в Уиндскейл-Пайл, конструкция реакторов Магнокс обеспечивала доступ к топливным каналам и топливо могло быть заменено во время работы реактора. Это было ключевой особенностью конструкции, поскольку использование природного урана приводит к низким коэффициентам выгорания и к необходимости частой дозаправки топлива. Для эффективной выработки электроэнергии топливные элементы должны оставаться в реакторе как можно дольше, в то время как для производства плутония время их нахождения в активной зоне должно быть ограничено. Сложная система перегрузки топлива оказалась менее надёжна, чем сама реакторная установка, и, возможно, не эффективна в целом.
Активная зона реактора заключена в большой сосуд высокого давления, который в свою очередь находится в бетонном здании, выполняющем функцию биологической (радиационной) защиты. Поскольку в реакторе не использовалась вода и, следовательно, не было опасности взрывного парообразования, бетонное сооружение оказалось весьма компактно, что помогло снизить затраты на строительство. Чтобы ещё больше снизить размеры реакторного здания конструкторы в ранних версиях размещали парогенераторы за его пределами на улице. Из-за частиц топлива и замедлителя, взвешенных в газе, вся система «светилась» гамма-лучами и нейтронами.
Проект реакторов Магнокс постоянно совершенствовался, и построенные станции значительно отличались друг от друга. Так вначале парогенераторы были перемещены внутрь реакторного здания, а позднее в энергоблоках АЭС Олдбери и АЭС Вилфа вместо стальных корпусов реакторов использовался предварительно напряжённый железобетон. Рабочее давление колеблется от 6,9 до 19,35 бар для стальных корпусов и 24,8 и 27 бар для железобетонных конструкций.
Ни одна британская строительная компания в то время не была достаточно большой, чтобы построить все электростанции, поэтому строительством занимались различные конкурирующие консорциумы, что добавило различий между станциями; например, почти на каждой электростанции использовалась своя конструкция топливного элемента.
Для первоначального запуска реактора источник нейтронов помещался в активную зону, чтобы обеспечить инициирование ядерной реакции. Другой особенностью конструкции являлись дополнительные поглощающие стержни для выравнивания (в некоторой степени) плотности потока нейтронов по активной зоне. Если их не использовать, поток в центре будет слишком сильным по сравнению с периферией, что затрудняет управление и приводит к слишком высоким температурам по центру. В каждом топливном канале было подвешено несколько сцепленных между собой топливных элементов, формировавших топливную сборку. Для обеспечения возможности извлечения сборок канал оснащён запирающим механизмом. Используемые в механизме пружины содержали кобальт, который подвергаясь облучению создаёт высокий гамма-фон. Кроме того, к ряду элементов были прикреплены термопары, которые должны были удаляться при выгрузке топлива из реактора.
AGR
Двойное назначение реактора Магнокс привело к ряду компромиссов, которые ограничили его экономические показатели. Ещё при активном строительстве станций с реакторами Магнокс параллельно велась работа над усовершенствованным газоохлаждаемым реактором (AGR) с явным намерением сделать установку более экономичной. Главным изменением стало повышение температуры в реакторе примерно до 650 °C (1202 °F), что значительно повысило эффективность работы паровых турбин. Это было слишком горячо для сплава магнокс, и в AGR первоначально предполагалось использовать новую оболочку на основе бериллия, который в итоге оказался слишком хрупким и был заменён нержавеющей сталью. Сталь поглощала большое количество нейтронов, что потребовало обогащения уранового топлива, повышая затраты на топливо. В конечном счёте экономика установки оказалась немного лучше, чем в реакторах Магнокс.
Характеристики реактора Проектные характеристики некоторых реакторов Магнокс (могут отличаться от реальных): ХарактеристикаКолдер Холл 1956 г.Олдбери 1967 г.Уилфа 1971 г.Тепловая мощность реактора182 МВт835 МВт1875 МВтЭлектрическая мощность блока46 МВт280 МВт590 МВтКПД блока23 %34 %33 %Количество топливных каналов в реакторе169633206150Диаметр активной зоны9,45 м12,8 м17,4 мВысота активной зоны6,4 м 8,5 м9,2 мСреднее давление газа7 бар25,6 бар26,2 барСредняя температура входящего газа140 °C245 °C247 °CСредняя температура выходящего газа336 °C410 °C414 °CОбщая подача газа891 кг/с4627 кг/с10 254 кг/сИспользуемое топливоприродный металл. уранприродный металл. уранприродный металл. уранМасса урана в реакторе 120 т 293 т595 тВнутренний диаметр корпуса реактора11,28 м23,5 м29,3 м (сфера)Высота корпуса реактора21,3 м18,3 м—Количество газодувок444Число парогенераторов441Число генераторов212
Экономика Первые реакторы Магнокс на АЭС Колдер-Холл () были разработаны главным образом для наработки плутония в военных целях. При ядерных превращениях в реакторе выделяется большое количество тепла, и его использование для выработки электроэнергии рассматривалось как некое «бесплатное» дополнение.