Solné reaktory - minulost, nebo budoucnost?

Jsou všechny koncepty jaderných reaktorů podobné tlakovodním reaktorům? Může být jaderné palivo v tekuté formě? Historii i princip fungování solných reaktorů si můžete přečíst v následujícím článku.

Solné reaktory, nebo přesněji reaktory chlazené roztavenými solemi (MSR – molten salt reactor), jsou jedinečným v minulosti úspěšně otestovaným konceptem. Nikdy však nebyla realizována komerční jaderná elektrárna. Jedná se o reaktorový systém, kdy v primárním okruhu koluje spolu s chladivem také palivo ve formě homogenní směsi.

Princip fungování, výhody a nevýhody

Palivo s chladivem cirkuluje primárním okruhem a pouze v reaktorové nádobě jsou uzpůsobeny takové podmínky, aby v palivu probíhala štěpná řetězová reakce. Jedná se o velmi složitý koncept zejména z důvodu řízení reaktoru. Stávající reaktory jsou řízeny na základě neutronů, které se ze štěpení uvolňují až po určité době (zpožděné neutrony). Zpožděných neutronů je v jaderném reaktoru pouze přibližně 0,7 %, přičemž zpoždění neutronů může být až 50 sekund. Když ale palivo koluje v primárním okruhu, jsou zpožděné neutrony uvolňovány i v jiných komponentách, než v reaktorové nádobě.

Druhým podstatným problémem jsou produkty ze štěpení, které se z paliva uvolňují nejčastěji jako plynné produkty. Jelikož zde chybí prakticky 2 bariéry (samotná palivová peleta a pokrytí palivových proutků), jsou plynné štěpné produkty uvolňovány přímo do primárního okruhu. Součástí solných reaktorů musí být separační zařízení, kde se tyto produkty ze štěpení separují a odstraňují. Na reaktory s roztavenými solemi je proto třeba se dívat jako na chemicko-inženýrské systémy.

Reaktory s roztavenými solemi však skrývají také řadu výhod. První výhodou je jejich „samoregulační“ schopnost. Jak je známo, štěpná řetězová reakce závisí na geometrii paliva, respektive na hustotě paliva a zejména pak hustotě štěpného materiálu. Když je reaktor nadkritický (výkon reaktoru roste), zvyšuje se také teplota paliva, díky tomu se snižuje hustota paliva a molekuly paliva jsou od sebe více vzdáleny. Při větší vzdálenosti mezi molekulami se snižuje míra pravděpodobnosti štěpení dalších jader a tím je potlačena štěpná řetězová reakce.  

Vzhledem k tomu, že je palivo v tekuté formě, může probíhat výměna paliva za provozu. Část chladiva se při výměně odpustí a nahradí se chladivem s čerstvým palivem. Při online výměně paliva se v primárním okruhu udržuje pouze takové množství štěpného materiálu, aby byl umožněn provoz reaktoru. Nejsou zde zapotřebí vyhořívající absorbátory, či složky potlačující prvotní zvýšenou reaktivitu systému. Na druhou stranu, s tekutým palivem může být spojena obava ze zneužití jaderných materiálů.

V porovnání s klasickým chladivem jaderných reaktorů (lehkou vodou) mají solné reaktory výhodu zejména v pouze malém tlaku v primárním okruhu. Tlakovodní jaderné elektrárny musí v primárním okruhu udržovat tlak přibližně 15 MPa, aby nezačala chladicí voda vřít, a i tak jsou parametry výstupní vody omezeny na přibližně 330 °C. Naproti tomu mají roztavené soli bod tání přibližně 450 °C, přičemž reaktory byly provozovány při teplotách kolem 650 °C při přetlaku 13 Pa (oproti atmosférickému tlaku) v primárním okruhu.

Historie MSR

Původní nápad vytvořit homogenní reaktor se zrodila v raných dobách jaderné energetiky. Ve 40. letech se Eugine Wigner a Harold Urey snažili prosadit myšlenku chemicko-inženýrských jaderných systémů. V roce 1948 byla v národních laboratořích Oak Ridge iniciována studie homogenního reaktoru s palivem ve formě roztavených solí.

Z původní studie se později v laboratoři začaly řešit složité reaktorové systémy pro letecký průmysl a v roce 1946 vznikl projekt Aircraft Nuclear Propulsion (ANP). V roce 1953 navrhli model reaktoru ARE s palivem ve formě tetrafluoridu uranu, rozpuštěného v tavenině na bázi sodíku, zirkonia a fluoru. Maximální tepelný výkon reaktoru byl 2,5 MW. Teplo generované reaktorem bylo přes sekundární, heliový, okruh odváděno pryč. Zahájení provozu reaktoru proběhlo 3. listopadu 1954 a byl provozován 1000 hodin.

Na základě dobrých provozních zkušeností s reaktorem ARE byl v roce 1955 navržen prototyp reaktoru pro letecké účely ART-Fireball, dosahující výkonu 60 MW s maximální objemovou hustotou výkonu až 1,3 MW/litr. V letech 1955-1957 proběhla instalace reaktorů do 2 letounů B-36 Convair. Testování jaderných bombardérů mělo přinést užitek zejména při vývoji stínění před radioaktivním zářením, aby posádky letadel byly dostatečně chráněny. V roce 1960 byl program Aircraft Nuclear Propulsion zrušen.

Přestože došlo ke zrušení původního záměru, totiž konstruovat pohonné systémy pro dálkové lety letadel, získané znalosti vědci uplatnili při návrhu testovacího reaktoru. V roce 1960 tak vznikl program Molten Salt Reactor Experiment (MSRE). Výstavba MSRE probíhala v letech 1960 až 1964. Spuštění reaktoru o výkonu 8 MW tepelných proběhlo v roce 1965, přičemž byl úspěšně provozován 5 let. Během provozu došlo ke zdařilé demonstraci technologie odstraňování štěpných produktů a také možnosti využívání různých paliv (U-233, U-235, Pu-239). MSRE se stal posledním provozovaným projektem solného reaktoru a byl později ukončen zejména z důvodu nízké produkce Pu pro vojenské účely.

Znalostní báze, kterou inženýři získali studiem solných reaktorů, nebyla prozatím zužitkována v žádné komerční jaderné elektrárně, ačkoliv je tento koncept zařazený mezi šestici konceptů reaktorů generace IV. V příštím díle budou shrnuty nejzajímavější stávající projekty solných reaktorů i jejich stupeň vývoje.

Zdroje: http://web.utk.edu/~ochvala