China membentangkan reaktor neutron pantas CFR 1000, membuka lembaran baharu tenaga nuklear

Loncatan dalam reka bentuk reaktor dengan kepentingan global

China semakin hampir kepada penjanaan kuasa reaktor pantas secara komersial. China National Nuclear Corporation membentangkan reka bentuk CFR 1000, loji kuasa neutron pantas berkapasiti sehingga 1.2 gigawatt. Tertakluk kepada kelulusan keselamatan, CNNC menyasarkan operasi bermula pada awal 2030-an, dengan 2034 sering disebut sebagai tarikh perancangan. Kapasiti itu, yang boleh membekalkan kira-kira sejuta rumah, akan menjadikan unit ini antara reaktor maju terbesar yang sedang dibangunkan.

Tidak seperti reaktor air bertekanan yang menjadi tunjang armada nuklear masa kini, CFR 1000 tidak memperlahankan neutron menggunakan bahan penyederhana seperti air. Ia ialah reaktor neutron pantas. Reka bentuk ini tergolong dalam kelas yang sering dikelompokkan sebagai sistem generasi keempat, yang bertujuan meningkatkan penggunaan bahan api, mengurangkan sisa dan memperkukuh ciri keselamatan. CNNC meletakkan CFR 1000 sebagai langkah komersial pertama dalam pelan berperingkat yang bermula dengan sebuah unit eksperimen kecil dan dua loji demonstrasi yang kini dalam pembinaan. Syarikat itu membentangkan reka bentuk tersebut pada simposium tenaga nuklear maju di Fuzhou, Wilayah Fujian, yang turut dihadiri pihak berkuasa tenaga.

Minat terhadap projek ini jauh melangkaui sempadan China. Reaktor pantas komersial sebesar ini boleh mengubah cara negara merancang keselamatan tenaga dan matlamat iklim. Ia juga boleh mencetuskan semula perbahasan mengenai kitar semula bahan api, pengurusan plutonium dan perdagangan bahan nuklear. Pihak pengawal selia di China akan menentukan rentaknya. Rakan sejawat di luar negara akan memerhatikan prestasi reka bentuk itu sambil memajukan program reaktor pantas masing-masing.

CFR 1000 menggunakan natrium cecair, bukan air, untuk memindahkan haba dari teras ke peralatan penjana kuasa. Natrium membolehkan suhu operasi lebih tinggi pada tekanan rendah, sekali gus meningkatkan kecekapan terma dan mengurangkan beberapa mekanisme kemalangan yang dilihat dalam sistem berpenyejuk air. Pilihan itu juga membawa cabaran kejuruteraan khusus. Natrium bertindak balas dengan air dan udara, maka reka bentuk loji bergantung pada persekitaran tertutup, pengesanan kebocoran dan beberapa gelung pemindahan haba untuk mengasingkan logam itu daripada wap dan atmosfera.

Bagaimana reaktor neutron pantas menghasilkan tenaga

Di tengah-tengah setiap reaktor terdapat tindak balas berantai. Dalam loji konvensional, rod bahan api diletakkan di dalam air yang menjalankan beberapa fungsi. Air bertindak sebagai bahan penyederhana, iaitu memperlahankan neutron supaya neutron lebih berkemungkinan membelah uranium 235. Air juga menyejukkan bahan api dan membawa haba ke penjana stim. Reaktor pantas tidak menggunakan bahan penyederhana. Neutron kekal pada tenaga lebih tinggi dan boleh membelah lebih banyak jenis nukleus, termasuk isotop plutonium yang terbentuk dalam bahan api.

Perubahan ini membawa beberapa kesan. Bahan api boleh digunakan dengan lebih menyeluruh sebelum habis. Persekitaran yang kaya dengan neutron menyokong kitaran bahan api tertutup, iaitu reaktor menghasilkan bahan fisil baharu daripada uranium 238 yang banyak terdapat. Apabila bahan baharu itu diasingkan dan dikitar semula, atom yang sama boleh menyokong penjanaan kuasa berulang kali. Proses ini juga boleh menggunakan sebahagian sisa jangka hayat panjang daripada reaktor konvensional, sekali gus mengurangkan beban sisa jangka panjang jika seluruh kitaran dilaksanakan pada skala besar.

Pembiakan bahan api, pemprosesan semula dan kitaran tertutup

Pembiakan bahan api merujuk kepada penghasilan bahan api fisil baharu di dalam reaktor. Dalam susunan lazim, uranium 238 menangkap neutron dan, melalui beberapa siri pereputan, menjadi plutonium 239. Apabila pereka bentuk mengelilingi teras dengan selimut bahan subur, loji boleh menghasilkan bahan api baharu yang mencukupi untuk menggantikan bahan yang digunakan oleh teras. Nisbah itu, iaitu nisbah pembiakan, menentukan jumlah bahan baharu yang tersedia untuk muatan bahan api seterusnya.

Untuk menutup kitaran itu, bahan api perlu diproses semula. China mempunyai usaha pemprosesan semula berskala rintis dan demonstrasi serta telah meneroka projek perindustrian bersama rakan kongsi. Bahan api oksida campuran, iaitu gabungan plutonium dan uranium, telah digunakan dalam reaktor pantas dan juga beberapa loji konvensional. CNNC turut menyebut bahan api logam untuk peringkat program yang lebih lanjut. Setiap pilihan mempunyai pertukaran dari segi prestasi, pengendalian bahan dan kerumitan proses kitar semula.

Mengapa natrium cecair penting dalam reka bentuk ini

Natrium cecair menjadi pilihan utama sebagai bahan penyejuk reaktor pantas kerana ia tidak memperlahankan neutron dan memindahkan haba dengan sangat baik. Ia kekal cecair dalam julat suhu yang luas dan mendidih pada suhu sangat tinggi, maka reaktor boleh beroperasi pada tekanan hampir atmosfera. Operasi pada tekanan rendah mengurangkan tekanan pada paip dan bekas serta menghapuskan risiko letupan stim besar yang menjadi punca beberapa senario kemalangan dalam loji berpenyejuk air.

CFR 1000 akan menggunakan susun atur jenis kolam menurut penerangan awam mengenai projek-projek China dalam bidang ini. Teras, pam dan penukar haba ditempatkan dalam sebuah bekas besar berisi natrium. Haba bergerak dari gelung natrium primer ke gelung natrium sekunder, kemudian ke sistem air atau karbon dioksida superkritikal yang memacu turbin. Pendekatan tiga peringkat ini direka untuk menjauhkan sebarang kebocoran stim daripada gelung primer radioaktif.

Pengendalian natrium dengan selamat

Pengendalian natrium ialah aspek penting dalam operasi loji jenis ini. Logam itu bertindak balas dengan air dan oksigen. Pereka bentuk menanganinya melalui sistem gas penutup tertutup, biasanya argon, ruang bebas udara, pengesanan kebocoran pantas serta peralatan yang memastikan kandungan oksigen dalam natrium amat rendah bagi mengehadkan kakisan. Penjana stim dibina menggunakan bahan yang tahan tindak balas dan dilengkapi pemantauan untuk mengesan pemindahan hidrogen yang sangat kecil jauh sebelum tiub pecah.

Perlindungan kebakaran berbeza daripada loji air. Pengendali membuat persediaan menghadapi tumpahan natrium yang boleh mengeluarkan asap atau terbakar jika terdedah kepada udara. Bilik berisi gas lengai, dulang tadahan dan bahan pemadam kebakaran khas merupakan amalan lazim berdasarkan pengalaman loji terdahulu di Rusia, Perancis, Jepun dan Amerika Syarikat. Rekod operasi global merangkumi pengajaran daripada insiden, dan reka bentuk moden berusaha menerapkan pengalaman itu dalam susun atur serta prosedur operasi.

Persoalan keselamatan untuk pengawal selia

Reaktor pantas menggunakan prinsip fizik yang berbeza daripada unit konvensional, menyebabkan pengawal selia menumpukan perhatian pada beberapa persoalan berulang. Antaranya ialah tingkah laku reaktor jika bahan penyejuk mendidih atau aliran terhenti. Pereka bentuk berusaha memastikan tindak balas kereaktifan negatif yang kuat supaya tindak balas berantai menjadi perlahan apabila suhu meningkat. Satu lagi keutamaan ialah penyingkiran haba pereputan selama berhari-hari tanpa tindakan pengendali. Reka bentuk pantas moden merangkumi sistem pasif yang bergantung pada perolakan semula jadi dan penukar haba yang terendam dalam bahan penyejuk.

Tindak balas antara natrium dengan air juga menjadi tumpuan. Walaupun gelungnya berasingan, kebocoran pada penjana stim boleh menyemburkan air ke dalam natrium panas. Ini menghasilkan haba dan hidrogen. Loji dibina dengan tiub berdiameter kecil, injap pengasingan yang ditutup dengan pantas dan tangki saliran yang boleh mengeluarkan natrium daripada penjana dalam beberapa saat. Langkah ini mengurangkan kemungkinan tiub gagal dan mengehadkan akibat jika kegagalan berlaku.

CNNC menyatakan teknologi itu memenuhi matlamat generasi keempat dari segi keselamatan, sisa dan ekonomi. Pengawal selia China akan menguji dakwaan tersebut melalui penilaian pelesenan rasmi. Pengalaman daripada China Experimental Fast Reactor, unit elektrik 20 megawatt berhampiran Beijing, dan unit demonstrasi CFR 600 di Fujian akan menyumbang kepada hujah keselamatan bagi loji yang lebih besar. Pakar antarabangsa akan memerhatikan proses itu dan membandingkannya dengan piawaian masing-masing.

Peta jalan China, daripada eksperimen ke skala komersial

Kerja reaktor pantas di China bermula sejak 1960-an. China Experimental Fast Reactor mencapai kekritikan pertama pada 2010 dan menjalani beberapa siri ujian kuasa dalam beberapa tahun berikutnya, termasuk operasi kuasa penuh berterusan. Reaktor itu menyokong penyelidikan dan kadangkala disambungkan kepada grid. Langkah seterusnya ialah CFR 600, sepasang unit demonstrasi di Daerah Xiapu, Wilayah Fujian. Peralatan dan bekalan bahan api untuk unit-unit itu melibatkan kerjasama dengan firma Rusia.

Dokumen perancangan awam menggambarkan CFR 1000 sebagai peringkat komersial. Maklumat daripada Persatuan Nuklear Dunia menunjukkan pembinaan mungkin bermula sebelum penghujung dekad ini, dengan operasi sekitar 2034. CNNC menyatakan pihaknya telah membina rantaian bekalan domestik untuk reaktor pantas besar, merangkumi kod reka bentuk, alat analisis keselamatan, pembuatan peralatan, fabrikasi bahan api dan pengurusan projek. Syarikat itu belum mendedahkan tapak muktamad bagi CFR 1000 yang pertama.

Bahan program menyebut penggunaan bahan api logam pada peringkat komersial dengan sasaran kadar pembakaran sekitar 120 hingga 150 gigawatt hari per tan. Angka itu lebih tinggi berbanding nilai lazim bagi loji terma. Kadar pembakaran lebih tinggi mengurangkan kekerapan pengisian semula bahan api, mengurangkan jisim bahan api terpakai bagi setiap unit elektrik dan menggunakan sumber uranium dengan lebih menyeluruh.

Peta jalan itu mencerminkan strategi tiga langkah yang sering disebut pegawai China. Pertama, reaktor terma berasaskan air bertekanan membekalkan kapasiti pada skala besar. Kedua, reaktor pantas meningkatkan kecekapan bahan api dan menyediakan asas untuk kitaran tertutup. Ketiga, pelakuran menjadi sebahagian daripada gabungan tenaga dalam jangka masa lebih panjang. Peringkat reaktor pantas bertujuan memanjangkan penggunaan sumber uranium, mengurangkan beban terhadap repositori sisa serta menambah pilihan bagi haba industri dan pengeluaran isotop yang fleksibel.

Kitaran bahan api, sisa dan antiproliferasi

Pemprosesan semula bahan api terpakai untuk mengekstrak bahan yang boleh digunakan ialah teras hujah reaktor pantas mengenai sisa. Dengan mengasingkan plutonium dan baki uranium, serta mengembalikan aktinida berjangka hayat panjang ke dalam teras, sistem itu boleh mengurangkan jumlah dan radiotoksisiti bahan yang dihantar untuk pelupusan jauh di bawah tanah. Gambaran itu bergantung pada kemudahan pengasingan berskala industri dan barisan fabrikasi bahan api yang mampu mengendalikan campuran baharu serta medan sinaran yang lebih tinggi.

China mengendalikan barisan pemprosesan semula berskala rintis dan telah meneroka projek besar bersama rakan antarabangsa. Negara itu sudah memfabrikasi bahan api MOX dan sedang membangunkan keupayaan menghasilkan bahan api logam yang sesuai dengan teras reaktor pantas pada peringkat kemudian. Setiap langkah tertakluk pada perlindungan di bawah Perjanjian Pengawalan Senjata Nuklear. Pemeriksa mengakaunkan bahan nuklear khas dan mengesahkan bahawa bahan api digunakan untuk tenaga, bukan senjata.

Perbahasan antiproliferasi sering tertumpu pada plutonium. Reaktor pantas boleh menghasilkan plutonium 239 berkualiti tinggi. Hakikat itu tidak menjadikan program kuasa sebagai program senjata, tetapi ia memerlukan pengakaunan yang teguh, perlindungan fizikal dan rangka kerja dasar yang kukuh. Perjanjian bekalan China dengan rakan Rusia bagi bahan api diperkaya dan teknologi turut mendapat perhatian di luar negara, memandangkan ketegangan geopolitik yang lebih luas. Pelaporan telus dan kerjasama dengan badan antarabangsa akan menjadi sebahagian daripada sebarang rancangan untuk memperluas armada ini.

Kedudukan projek dalam persaingan global

China bukan satu-satunya negara yang kembali membangunkan reaktor pantas. Rusia mengendalikan BN 800 di Beloyarsk dan sedang membangunkan unit BN 1200 yang lebih besar dengan sasaran serupa, iaitu 1.2 gigawatt. India meneruskan pembangunan reaktor pembiak pantas 500 megawatt di Kalpakkam dengan strategi yang menggunakan torium pada peringkat kemudian dalam kitaran. Perancis dan Jepun membina beberapa loji sebelum menutupnya selepas mengalami masalah teknikal dan tekanan kos. Amerika Syarikat menamatkan program Integral Fast Reactor pada 1990-an dan kini tidak mengendalikan reaktor pantas penjana kuasa.

Reka bentuk baharu sedang dimajukan. TerraPower dan GE Hitachi sedang membina reaktor berpenyejuk natrium di Wyoming yang menggabungkan unit nuklear 345 megawatt dengan penyimpanan tenaga garam lebur untuk menghasilkan bekalan fleksibel. Beberapa firma swasta di Eropah, Jepun dan Amerika Utara menyasarkan reka bentuk yang menggunakan plumbum cecair, turbin karbon dioksida superkritikal dan inovasi lain. Kebanyakan projek ini menyasarkan unit modular kecil, manakala China dan Rusia cenderung memilih loji berkapasiti gigawatt.

Program-program ini mencerminkan perbezaan keutamaan. Sesetengah pasukan mengejar kos lebih rendah dan pembinaan lebih mudah dengan unit kecil. Pasukan lain melihat nilai pada loji beroutput sangat tinggi yang menggantikan unit arang batu besar dan memenuhi permintaan industri berat. Hasilnya bergantung pada prestasi keselamatan, kawalan kos dan seberapa pantas setiap negara beralih daripada projek sulung kepada pembinaan berulang. Forum Antarabangsa Generasi IV, sebuah gabungan penyelidikan kerajaan dan makmal, menyenaraikan reaktor pantas berpenyejuk natrium, plumbum dan gas sebagai antara bidang keutamaan bagi pembangunan jangka panjang.

Ekonomi dan peranan dalam grid China

Loji 1.2 gigawatt memerlukan kos yang besar, walaupun CNNC belum menerbitkan angkanya. Kos modal, kemudahan kitaran bahan api dan syarat pembiayaan akan menentukan sama ada CFR 1000 mampu bersaing dengan reaktor air bertekanan maju, arang batu dengan penangkapan karbon dan tenaga boleh baharu berskala besar yang dipadankan dengan penyimpanan. Penyokongnya berhujah bahawa kos bahan api boleh menurun dan keselamatan bekalan bahan api meningkat apabila kitaran ditutup, memandangkan sebahagian besar tenaga datang daripada uranium 238 yang banyak terdapat.

China sedang membina grid yang sangat besar, dengan banyak pusat industri pesisir pantai dan bandar pedalaman yang berkembang pesat. Unit nuklear beroutput tinggi boleh menyokong industri berat dan pengeluaran hidrogen. Reaktor pantas juga beroperasi pada suhu lebih tinggi berbanding reaktor air, yang boleh meningkatkan kecekapan penjanaan elektrik dan membuka pilihan untuk penggunaan haba industri. Integrasi dengan tapak sedia ada yang menempatkan reaktor air bertekanan akan membolehkan perkongsian infrastruktur dan bekalan berterusan bahan api terpakai untuk dikitar semula.

Lokasi akan memainkan peranan penting. Tapak pesisir pantai memudahkan pelepasan haba dan logistik bagi komponen berat. Tapak pedalaman pula menghadapi kekangan pengurusan air dan pertimbangan seismik. Pemilihan tapak juga sebahagian daripada penilaian pengawalseliaan kerana loji itu menimbulkan persoalan keselamatan baharu untuk perancangan kecemasan dan penilaian alam sekitar khusus berkaitan pengendalian natrium.

Laluan kawal selia dan jadual masa

CNNC menyatakan reka bentuk awal telah siap dan projek itu memasuki fasa pelesenan. Di China, reaktor besar perlu melalui penilaian berperingkat yang merangkumi keselamatan asas reka bentuk, pengurusan kemalangan teruk, kesan alam sekitar dan jaminan kualiti di seluruh rantaian bekalan. Bagi reaktor pantas, pengawal selia akan menilai fizik teras, tingkah laku bahan penyejuk dalam keadaan luar biasa dan keteguhan sistem penyingkiran haba pereputan.

Petunjuk jadual menunjukkan keputusan pembinaan dijangka dibuat pada penghujung dekad ini, dengan sasaran penjanaan kuasa sekitar 2034 jika pencapaian penting dipenuhi. Ujian di unit CFR 600 akan membekalkan data mengenai tingkah laku bahan api, bahan dan prosedur operasi. Kerjasama antarabangsa boleh memendekkan tempoh pembelajaran, dan pasukan China sudah bekerjasama dengan rakan Rusia mengenai bahan api dan peralatan untuk peringkat demonstrasi.

Komunikasi awam akan membentuk penerimaan. Pelan telus mengenai keselamatan natrium, aliran sisa dan perlindungan akan membantu projek itu menangani kebimbangan dalam dan luar negara. Jika pengawal selia meluluskan pembinaan, tahun-tahun pertama operasi akan diperhatikan rapi oleh jurutera dan pelabur yang sedang menentukan projek mana untuk disokong dalam teknologi nuklear generasi seterusnya.

Perkara Utama

• CNNC memperkenalkan reka bentuk reaktor neutron pantas CFR 1000, dengan sasaran kapasiti sehingga 1.2 gigawatt dan operasi sekitar 2034.
• Reaktor itu menggunakan bahan penyejuk natrium cecair, beroperasi pada tekanan rendah dan mempunyai suhu keluaran lebih tinggi berbanding unit berpenyejuk air.
• Fizik reaktor pantas membolehkan kitaran bahan api tertutup yang menghasilkan bahan api baharu daripada uranium 238 dan boleh mengurangkan sisa berjangka hayat panjang.
• Fokus keselamatan termasuk penyingkiran haba pereputan, tindak balas natrium-air dalam penjana stim dan tindak balas kereaktifan negatif yang kuat.
• China bergerak daripada eksperimen CEFR kepada unit demonstrasi CFR 600, kemudian kepada CFR 1000 komersial.
• Isu kitaran bahan api dan antiproliferasi akan terus menjadi tumpuan kerana reaktor pantas menghasilkan plutonium yang perlu dilindungi.
• Rusia, India dan firma swasta di Amerika Syarikat turut memajukan projek reaktor pantas, sekali gus mewujudkan medan persaingan baharu.
• Pembiayaan, kelulusan kawal selia dan kawalan kos akan menentukan sama ada teknologi ini dapat diperluas dalam grid China.