Malé jaderné reaktory

Velké jaderné elektrárny jsou už desítky let běžnou součástí života v mnoha zemích, mají výkony v řádu stovek až tisíců megawattů. Mnohem méně známé jsou jejich "menší bratři" - jaderné reaktory o malých výkonech v řádech desítek až stovek megawattů. Prim v jejich vývoji hrály za studené války Spojené státy a Sovětský svaz, které s nimi poháněly jaderné ponorky. Za dva roky však má na trh přijít první komerční malý reaktor - ruský SVBR-100. Možnosti jeho uplatnění jsou přitom poměrně široké.

Nesou označení SVBR-100 a mají mít výkon 100 MWe. Někteří je považují za průlomový nápad, který bude mít velký ohlas a v budoucnu se s nimi budeme ve značné míře potkávat. Prý by dokonce mohly najít využití při odsolování mořské vody a výrobě vodíku. Jak vlastně fungují a co vše od nich můžeme očekávat? Bez zájmu by nemělo zůstat ani to, že se na jejich vývoji podílí řada českých firem.  

Princip reaktoru chlazeného tekutým olovem

Reaktor SVBR-100 (Svincovo-Vismutovyi Bystryi Reaktor, neboli olovo-bismutový rychlý reaktor) je rychlý reaktor chlazený tekutým olovem (LFR – Lead-cooled Fast Reactor). Jak už název napovídá, k chlazení se používá tekuté olovo nebo eutektická slitina olova a bismutu. (Eutektická směs značí, že látky jsou míseny v takovém poměru, že teplota tuhnutí je nejmenší možná ve srovnání se všemi ostatními směsmi těchto látek. Smícháním dvou látek ve správném poměru, dosahujeme toho, že teplota tuhnutí výsledné směsi se sníží. Tohoto jevu se typicky využívá v zimě při solení silnic. Takto lze teplotu tuhnutí vody osolením snížit pod 0 °C, v případě eutektické směsi i mnohem níže.) Mezi vlastnosti jak olova, tak bismutu patří nízká absorpce neutronů a relativně nízké teploty tání (Pro samotné olovo je to 327,5 °C a pro slitinu Pb-Bi tato teplota klesá až k 123,5 °C.). Dále mají poměrně těžká jádra, která nezpomalují neutrony tak jako lehká jádra. Proto používané látky nelze nazvat moderátory a reaktor označujeme jako rychlý. Výstupní teplota reaktoru dosahuje 550°C a teoreticky je možné ji zvýšit až na zhruba 800°C. Tato teplota je vhodná pro výrobu vodíku, neboť umožňuje průběh složitých termochemických procesů, při nichž se voda rozkládá na kyslík a vodík. Ovšem vyžaduje další výzkum v oblasti materiálů, protože současná nerezová ocel tyto teploty dlouhodobě nevydrží.

Důležitým principem uplatněným v reaktorech chlazených tekutým olovem je právě chlazení těžkou kovovou látkou. Využívá se sice stejně jako u tlakovodních reaktorů šíření tepla prouděním, ale díky vyšší teplotě varu, není nutné uvnitř reaktoru dosahovat vysokých tlaků. Také odpadají problémy s úniky radioaktivní vodní páry, která není v primárním okruhu. Navíc přirozená cirkulace chladící látky je dostatečná k pasivnímu zchlazení reaktoru po odpojení od sítě a tím chrání jádro reaktoru před velice rizikovým přehřátím. Tento bezpečností argument nabývá svého významu obzvláště po nehodě ve Fukušimě.

Dosavadní využití našel tento typ reaktorů na ruských jaderných ponorkách v 70. letech. Celkem bylo na 15 ponorkách dosaženo 80 reaktorových let provozu. Díky tomu máme dnes zkušenosti s tekutým olovem chlazenými reaktory. K jejich výhodám patřila možnost rychlého snížení výkonu z maximálního na nižší, při němž systémy v ponorce vytvářely co nejméně „hluku“. Tímto způsobem se ponorka snaží na sonaru splynout s prostředím, a ukrýt se tak před nepřítelem.

Schéma reaktoru chlazeného tekutým olovem (zdroj: http://en.wikipedia.org)

Control Rods – Kontrolní tyče

Header – Sběrač chladicí kapaliny

U-Tube heat exchanger modules – Moduly tepelného výměníku s trubkami tvaru U

Reactor module/fuel cartridge (removable) – Vyjmutelný reaktorový modul/palivová kazeta

Coolant module – Modul chlazení

Coolant – Chladící látka

Reactor Core – Reaktorové jádro

Inlet distributor – Vstupní rozvaděč

Reactor – Reaktor

Generator – Generátor

Electric power – Elektrický proud

Turbine – Turbína

Recuperator – Rekuperátor

Compressor – Kompresor

Heat sink – Odvod tepla

Precooler – Chladící předstupeň

Intercooler – Chladící mezistupeň

Výhody reaktory SVBR-100

Hlavním motivem konstrukce reaktoru SVBR-100 je modulárnost. To znamená, že veškeré zařízení je rozděleno do několika modulů. Nejvýznamnějším modulem je aktivní zóna, která se dá vyjmout z dalšího modulu, kterým je obal reaktoru spolu s chladící látkou a tepelným výměníkem. Je plánováno, že se bude dodávat v několika verzích lišících se výkonem. Mělo by to být 100 MWe až 600 MWe odstupňováno po 100 MWe. Všechny části primární zóny budou v jednom jediném modulu bez značného množství různých trubek a podobných věcí, na které jsme u jaderných reaktorů zvyklí. Celý modul bude zapouzdřený, takže k jednotlivým částem nebude mít zákazník přístup a servis bude svěřen speciální společnosti. Stejně tak i výměna paliva bude probíhat pod dohledem odborníků, dokonce přímo u výrobce. Odeslání celého modulu k výrobci je opět možné díky oné modulárnosti. Reaktor bude možno přepravit jednoduše nákladním autem či vlakem. Výhodou použitých technologií je dlouhý palivový cyklus, který dosahuje sedmi až osmi let.

Možnosti uplatnění jsou široké. Jsou malé a nepředstavují velkou investici. Modulárnost je výhodou pro politicky rizikové země, které nemají důvěru mezinárodních regulačních organizací a nenalezly by podporu při stavbě velké jaderné elektrárny. Riziko šíření jaderného materiálu je sníženo na minimum. A v neposlední řadě má SVBR-100 výhodu v široké paletě svých produktů. Do velkých podniků se hodí díky tomu, že produkuje elektřinu, teplo a páru. Odlehlým oblastem stačí menší výkon a kromě výroby elektřiny jim bude reaktor vyrábět teplo a odsolovat vodu. Reaktor zvládne odsolit i několik set tisíc tun vody denně v závislosti na svém výkonu. Jako další využití se nabízí nahrazení elektráren spalujících fosilní paliva. Díky rozpětí možných výkonů je možné si vybrat ten správný reaktor.

V otázce bezpečnosti by nás zajímalo několik vlastností reaktoru SVBR-100. Chladící látky mají velmi vysokou teplotu varu. Ta dosahuje až 1670 °C. Operační teploty 550 °C až 800 °C jsou od ní více než dostatečně vzdálené. Díky použití kovů v kapalném stavu jako chladicích látek není potřeba dosahovat vysokých tlaků, aby bylo možno dosáhnout potřebné teploty chladící směsi. Samozřejmostí jsou pasivní ochranné systémy. V poslední době se nabízí srovnání s tlakovodními reaktory. Oproti nim nevzniká uvnitř reaktoru během provozu vodík, takže odpadají starosti s jeho případným hromaděním. Další věcí, která při provozu nevzniká je radioaktivní vodní pára, takže nehrozí její úniky do ovzduší.

Nabízíme-li různým subjektům celý jaderný reaktor včetně štěpného materiálu, máme právo se obávat zneužití tohoto materiálu. Opět je dobré poznamenat několik faktů. Palivo se mění jednou za dlouhou dobu (7-8 let), a to přímo u výrobce, takže se minimalizuje možnost jeho odcizení. Dále během provozu nevzniká izotop plutonia ²³⁹Pu, který je oblíbeným vojenským jaderným materiálem. A v poslední řadě reaktor používá palivo obohacené méně než na 20%. Tato úroveň obohacení je velice vzdálena té, která je potřeba pro výrobu jaderné bomby.

Reaktor SVBR-100 je schopen spalovat různé druhy paliv - obohacený uran, smíšené oxidové palivo a nitridové palivo. Je možné ho umístit poblíž osídlených oblastí (i blíže než jeden kilometr). Pro jeho uvedení do provozu není nutné budovat rozsáhlou infrastrukturu, jako to známe z velkých elektráren. Životnost reaktorové nádoby a ostatních součástí by měla být 60 let.

Celková sestava reaktoru SVBR-100 (zdroj: http://www.akmeengineering.com)

Reactor compartment – Reaktorová komora

Cylinder separator – Válcový odlučovač

Support structure – Podpůrná konstrukce

Concrete vault – Betonová šachta

Reactor monoblock – Reaktorový modul

PHRS tank (Passive Heat Removal System) – nádrž systému pasivního chlazení

pozn: Právě tato nádrž odebírá teplo z přirozeně obíhajícího chladiva v reaktoru a dochlazuje primární okruh. Díky tomu se reaktor zvládne uchladit sám a nedochází k problémům při odpojení od sítě.

Účast českých firem

Vývoj malých jaderných reaktorů je cílem společnosti AKME-Engineering. Ta byla založena roku 2009 dvěma velkými společnostmi Rosatom a JSC EuroSibEnergo. V roce 2011 převzala podíl druhé jmenované společnosti společnost JSC Irkutskenergo. Podíly jsou rozloženy v poměru 1:1 mezi obě společnosti. Společnost AKME-Engineering se má zabývat vývojem a později i výrobou malých a středních jaderných reaktorů o výkonu 100 – 600 MWe. Při tom spolupracuje s mnoha firmami z Ruska i ze zahraničí. Z českých podniků podepsaly memoranda o spolupráci tyto: Škoda JS a.s, Vítkovice a.s., Sigma Group a.s, Modřany Power a.s, MPower Engineering a.s., Promont a.s, ETD Transformátory a.s., Arako spol. s r.o, Chemcomex Praha a.s., Chladící věže Praha a.s., ZAT a.s., ZVVZ-Enven Engineering a.s. a Sandvik Chomutov Precision Tubes spol. s r.o. K podpisu dokumentů došlo během mezinárodního fóra pro jaderný průmysl Atomex-Europe 2012, které se konalo 9. - 10. října 2012 v Praze.

Modul primárního okruhu reaktoru SVBR-100 (zdroj: http://www.akmeengineering.com)

Na závěr zbývá jen říci, kdy se tohoto typu reaktoru dočkáme. Od roku 2010 do roku 2014 je plánován výzkum a vývoj potřebných materiálů. Dále probíhají práce na designu celého reaktorového bloku a pilotního reaktoru. V letech 2015 – 2016 proběhne výroba komponent pilotního reaktoru a v roce 2017 by měl být spuštěn. O dva roky později se počítá se sériovou výrobou. Budoucí výrobce AKME-Engineering odhaduje, že do roku 2040 bude vyrobeno 500 – 1000 těchto reaktorů v různých výkonových variantách. To by mělo představovat trh o objemu 300 – 600 miliard dolarů. V současné době existuje jen málo projektů malých či středních jaderných reaktorů, takže se Rusko může dostat na vedoucí pozici v jaderné energetice.

Zdroje, z nichž jsem čerpal při studování problematiky:  

http://www.akmeengineering.com

http://www.allforpower.cz

http://en.wikipedia.org