PBMR (i.k. Pebble Bed Modular Reactor) on arenduses olev III+ põlvkonna reaktor elektrilise võimsusega 165 MWe (mõnedel andmetel 110 MWe). PBMR töötab aeglastel neutronitel, ta on kõrgtemperatuurne, gaasjahutuse ja grafiitaeglustiga. Reaktori iseärasuseks on kõrge passiivne ja sisemine ohutus, lihtne juhtimine ja hooldus. Puudub vajadus mitmete muudele reaktoritüüpidele iseloomulike ohutus- ja tugisüsteemide järele – lihtsam konstruktsioon. Isegi halvima mõeldava avariistsenaariumi puhul ei vaja ta inimese kohest sekkumist.

Erinevalt praegusest üha suurema võimsusega reaktorite arendamise trendist, võib selle reaktoritüübi ja teiste väikereaktorite (nt, IRIS) baasil areneda  välja nn moodulkontseptsioon, kus tuumajaam koostatakse mitmest väikese võimsusega reaktorist. Väikereaktorite võimsus on paremini sobitatav väikeriikide ja vähearenenud riikide elektrisüsteemidega. onkurentsivõimelisus ja säästlikkus loodetakse saavutada moodulite seeriaviisilise valmistamisega tehases, lühema ehitusajaga, väiksemate ehituskulude, ühiste abi- ning juhtimissüsteemide kasutamisega. Arendajad väidavad, et reaktori võimsust saab reaalajas kiiresti reguleerida. Nii saaks neid kasutada elektri tipptarbimise kompenseerimisel, kus siiani gaasi- või hüdrojaamu kasutatakse. Neil asjaoludel peaks alltoodud põhjalikum käsitlus õigustatud olema.

Surveanum

Reaktori 27 m kõrguse terasest surveanuma (joonis 1) siseläbimõõt on 6,2 m. Seest on surveanum vooderdatud 1 m paksuse grafiidiga, mis töötab neutronite peegeldina ja  passiivse soojusjuhina. Neutronite peegeldiks on ka surveanuma teljel asuvat metall-tugisammast ümbritsev vertikaalne grafiitsilinder. Grafiitvoodrisse ja  grafiitsilindrisse on puuritud vertikaalkanalid juhtvarraste ja muude kontrollelementide tarvis. Välisvoodri ja grafiitsilindri vahelise ruumi täidab reaktorisüdamik – tuumkütuseveerised. Nii saavutatakse südamiku suur pindala ruumalaühiku kohta ja tulemusena soojuse hea ärajuhtimine vähetõenäolise jahutussüsteemi avarii korral.  „Jahutusgaasi torustiku“ moodustavad avaused veeriste vahel, millest jahutusgaas läbi juhitakse.

Kütus

PBMR tuumkütus erineb oluliselt enamikus praegustes reaktorites kasutatavatest kütusevarraste komplektidest. Kütuseks on rikastatud (9 % ²³⁵U) keraamilise uraandioksiidi mitmekihilise erikattega terakesed grafiidist tennisepalli suuruses kütusekeras – veerises (joonis 2). Kütuse valmistamise eeskujuks on Saksamaal väljaarendatud nn TRISO-tehnoloogia.

Uraandioksiidi terake kaetakse 3 süsiniku- ja ühe ränikarbiidikihiga. 1 mm diameetriga kütuseterake hoiab mistahes mehaaniliste ja termiliste mõjustuste puhul tuumkütuse ja lõhustusproduktid kindlalt endas. Umbes 15000 sellisest kütuseterakesest vormitakse grafiitkera, mis kaetakse veel 5 mm paksuse vastupidava puhta süsinikuga. Saadakse 60 mm diameetriga veeris massiga 210 g, kus grafiit toimib neutronite aeglustina. Kütus talub kahjustusteta kuumutamist kuni 2000 ⁰C, mis on kõrgem reaktoris maksimaalselt võimalikust – 1600 ⁰C. Uraani on igas veerises ainult 9 g ja reaktorisüdamikku peab kriitilisuse saavutamiseks panema 456000 veerist kogumassiga 4,1 t. Tulemuseks on ohutuse seisukohalt oluline südamiku üliväike võimsustihedus - ainult 1/30 PWR reaktorite omast.

Reaktorisse saab täisvõimsusega töötamise ajal lisada värskeid või taaskasutatavaid veeriseid. Langeb ära praegustele reaktoritele omane vajadus iga 12-18 kuu järel reaktor kütusevahetuseks peatada. Kasutatud veeris eemaldatakse reaktori alaosast, kontrollitakse tema ”ärapõlemist” ja suunatakse automaatselt jäätmetesse või taaskasutuse järgmisse tsüklisse reaktori pealt. Iga veeris teeb 6 tsüklit, igaüks 6 kuud, seega töötab kütus kokku 3 aastat. Loodetakse saavutada kõrge kasutusfaktor - pidev töötamine 6-aastaste järjestikuste tsüklitena, mille vahel lühikesed hooldusperioodid. Kütuse ”ärapõlemine” (kuni 80000 MWd/t) on kõrge  ja kasutatud kütus suunatakse otse jäätmetesse.

Kasutatud kütuseveeriseid plaanitakse hoida 80 aastat reaktori-lähedases kuivhoidlas ja seejärel paigutada maa-alusesse lõppladustuspaika. Hinnangud ja katsetused näitavad, et tugev kate takistab kütuse radioaktiivsete ainete pääsu keskkonda paljude aastatuhandete kestel.

Kütuse vorm välistab praktiliselt täielikult kasutatud kütuse ümbertöötlemise ja on ühtlasi efektiivseks kaitseks, et tõkestada katsed tuumarelva valmistada nii enne reaktoris kasutamist kui pärast seda.

Jahutusgaas

Heelium toimib jahutusgaasi ja energiaülekande keskkonnana, et elektrit toota. Heelium on inertgaas, ei põle, ei muutu neutronite voos radioaktiivseks ega moodusta keemilisi ühendeid, samuti takistab südamiku ja detailide korrosiooni. Kuna reaktoris ei kasutata vett, pole ka auruplahvatuse ohtu.

Töö

Surveanumasse juhitakse heelium temperatuuril 500 ⁰C ja rõhul 9 MPa (~90 at) (Joonis 3). Läbi kuumade kütuseveeriste alla liikudes kuumeneb gaas 900 ⁰C ja juhitakse siis otse Braytoni tsüklis töötavasse gaasiturbiini. Viimane on mehaaniliselt ühendatud generaatori ja kompressoritega. Magnetlaagritega turbogeneraator kaalub 28 t. Turbiinist väljub heelium 500 ⁰C ja 2,6 MPa (26 at) juures, seejärel ta jahutatakse, surutakse uuesti kokku, eelsoojendatakse ja juhitakse tagasi reaktorianumasse. Jahutusvett kasutatakse ainult heeliumi jahutamisel. Kõrge temperatuuri tõttu loodetakse soojuslik kasutegur viia 42 % (edasise arenduse tulemusena isegi 50 %). PBMR reaktorile on omane füüsikaline – Doppleri efektiga tagatav – negatiivne tagasiside, mis temperatuuri tõusul vähendab ahelreaktsiooni kiirust ja peatab võimsuse genereerimise. Selle asjaolu ja lisaks kütuse suure soojusmahtuvusega välditakse võimsuse kontrollimatu tõus jahutussüsteemi tõrke puhul. Sõltuvus temperatuurist võimaldab ka reaktori võimsust efektiivselt ja kiiresti juhtida. Nii kasutataksegi PBMR juhtimisel rohkem jahutusgaasi voolukiiruse muutmist kui juhtvarraste liigutamist.

Reaktori kaitsekest. Reaktor paigutatakse 1 m paksuste raudbetoonist seinte ja laega 42 m kõrgesse hoonesse mõõtmetega 50 m x 26 m, pindalalt umbes pool jalgpalliväljakut. Järgmiseks kaitsebarjääriks on  reaktorit ja turbogeneraatori süsteemi ümbritsev 2,2 m paksune raudbetoonkest. Nii tagatakse nõutav tornaado-, maavärina-, lennuki- ja terrorikindlus, rääkimata töötajate ja elanike kiirguskaitsest. Hoones paikneb ka tulekustutussüsteem, kuigi hinnangud kinnitavad, et grafiidi süttimisrisk on peaaegu olematu.

Reaktoritüübi pakkus välja Rudolf Schulten 1950-ndatel aastatel Saksamaal, kuid seal peatati arendustöö. Ainuke sellise reaktori töötav prototüüp HTR-10 asub Hiinas. PBMR valmib aktiivses  rahvusvahelises koostöös (USA, Hiina, Holland, LAV) Lõuna-Aafrika Vabariigis. 2004.a. teatas Eskom 110 MWe demoreaktori ehitamisest Koebergi, LAV. Ehitus pidi algama 2007. a. Kohalikud tuumavastased grupid alustasid tavapärase retoorikaga proteste ja aktsioone selle takistamiseks. Praeguste plaanide kohaselt peab ehitus algama 2009. a., ja jõudma nelja aasta pärast kütuse laadimiseni reaktorisse. Kolm aastat hiljem on oodata tööstusliku PBMR reaktori valmimist.

Põhjalikumat teavet leiab:

http://www.pbmr.com/

http://www.eskom.co.za/nuclear_energy/pebble_bed/pebble_bed.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Pebble_bed_reactor