Lehkovodní reaktory III a III+ generace

V Česku zatím neočekáváme rozšíření rychlých reaktorů, tak se zaměříme na projekty reaktorů generace III+. Nejprve si povíme něco o jejich historii a o rozdílech oproti současným reaktorům.

Rychlé reaktory, kterým jsme věnovali minulé články, jsou velmi slibné pro budoucnost jaderné energetiky, avšak v naší zemi, podobně jako v dalších zemích plánujících stavět nové bloky, nebudou součástí bezprostřední budoucnosti. Nějaký čas potrvá, než budou jejich demonstrační projekty dokončeny a vyzkoušeny v provozu. Nyní se tedy podíváme na typy reaktorů, které by mohly být potenciálně postaveny jako rozšíření Dukovany či Temelína, což jsou reaktory generace III+.

Stručná historie

V roce 1896 objevil H. A. Becquerel radioaktivitu, čili samovolné rozpadání a přeměnu prvků. V roce 1932 byly objeveny neutrony jako částice, které nemají žádný náboj, a konečně v roce 1942 byl postaven první jaderný reaktor, jednalo se o reaktor nulového výkonu postavený pod tribunami chicagského stadionu. V prosinci 1942 dokázali výzkumníci reaktor přivést do stavu kritičnosti a Enrico Fermi, vedoucí projektu, tak dokázal, že lze řídit řetězovou štěpnou reakci. Jednalo se o velmi utajovaný projekt a tak nejsou žádné fotografie, ale pouze obrázky.

První generace jaderných elektráren, tedy reaktorů určených především pro mírové využívání jaderné energie, započala proslovem prezidenta Eisenhowera „Atoms for peace“ a trvala přibližně do 70. let minulého století. Do první generace jaderných reaktorů řadíme průmyslové reaktory jako například Shippingport, Dresden, Fermi II, A1. Tyto reaktory sloužily především k vyzkoušení výroby elektřiny pomocí jádra v průmyslovém měřítku a prověření různých přístupů. Jsou již většinou trvale odstavené a zkušenosti nabyté jejich provozem se uplatnily při projektování dalších jaderných elektráren.

Současné reaktory

V rámci první generace byla vyzkoušena řada různých typů reaktorů včetně reaktorů chlazených sodíkem, olovem či plynem, jejichž pokročilejší exempláře řadíme až do IV. generace. Z experimentování s takto rozsáhlou paletou typů reaktorů vzešly jako nejúspěšnější varianta lehkovodní reaktory. Důvodem je jednoduchá konstrukce, široké znalosti o chování vody, výhodná hospodárnost provozu a možnost z použitého paliva získávat zbraňové plutonium. Smutné je to, že posledně zmíněný faktor hrál patrně největší roli. Druhou generaci, která je dnes nejrozšířenější, tedy tvoří především tlakovodní a varné reaktory.

Druhá generace přinesla mnohá vylepšení v bezpečnosti provozu a nových technologiích. Můžeme říci, že tuto skupinu tvoří většina nyní provozovaných elektráren, patří k nim i naše dvě jaderné elektrárny. Jedná se o reaktory PWR, CANDU, VVER, RBMK a mnoho dalších. Parametry jednotlivých typů reaktoru jsou různé, například tlakovodní reaktory (PWR a VVER) dosahují teplot řádově 300 až 350 °C, při vysokém tlaku v primárním potrubí, jsou provozovány s palivem o obohacení kolem 5 %. Oproti tomu reaktory CANDU pracují s těžkou vodou a přírodním uranem, čili odpadá nákladná a složitá záležitost obohacování paliva.

Třetí generace zahrnuje pokročilé lehkovodní reaktory, takzvané ALWR reaktory (z angl. advanced light water reactor). Zástupců této generace není mnoho, můžeme například jmenovat dva bloky typu ABWR v japonské elektrárně Kašiwazaki-Kariva, které byly po fukušimské havárii dlouhodobě odstaveny a nyní čekají na schválení žádosti o obnovení provozu. Půjde pravděpodobně o první varné reaktory, které v Japonsku obnoví svůj provoz. K dalším patří reaktory typu VVER-1000 stavěné v posledních letech. Jde například o indickou elektrárnu Kudankulam, čínskou Tchien-wan a íránskou Búšehr. Tyto bloky jsou stavěny podle nových projektů, do nichž byla začleněna řada bezpečnostních opatření typických pro reaktory VVER-1200 řadících se již ke generaci III+. Třetí generace je charakterizována zvýšením účinnosti celé elektrárny a to až na 42 %, prodloužením doby provozu reaktoru a to až na 60 let a snížení náročnosti výstavby. Velká vylepšení probíhají ve zvýšení bezpečnosti a to zejména v pasivní bezpečnosti, to znamená, že jaderné havárie jsou vyloučeny již z fyzikální podstaty věci. Tyto bezpečnostní prvky jsou založeny na přirozených jevech, jako je gravitace, přirozená cirkulace chladiva. Nejvyšší snahou bylo redukovat možnost nehody s roztavením paliva v aktivní zóně. Další snahou bylo zvýšení vyhořívání paliva a tím prodloužení intervalu mezi výměnou paliva.

Tři plus generace je odnož třetí generace, kdy se vývoj zaměřoval především na zdokonalení III. generace. Jedná se zejména o reaktory CANDU 6, které jsou stavěny v Kanadě  firmou AECL (Atomic Energy of Canada). Americká firma Westinghouse se zaměřila na vývoj reaktoru AP-600 a AP-1000. Čtyři reaktory typu AP-1000 jsou ve výstavbě ve Spojených státech (elektrárny A. W. Vogtle a V. C. Summer) a mají být spuštěny v letech 2019 a 2020, naproti tomu čtyři čínské bloky (San-men a Chaj-jang) stejného typu mají být spouštěny od konce letošního roku do konce roku 2017. Ve Francii se pracuje na vývoji reaktoru EPR, čili Evropského tlakovodního reaktoru o výkonu 1600 až 1750 MW elektrických, které jsou stavěny ve francouzské elektrárně Flamanville a ve finském Olkiluoto, v obou případech je spuštění plánováno na rok 2018. Výstavba dvou bloků probíhá i v čínské elektrárně Tchaj-šan a díky termínu spuštění plánovanému na roky 2016 a 2017 opět budou předstiženy nové bloky v západních zemích. Ruský Rosatom rozvíjí svůj projekt reaktorů VVER-1200, Celkem sedm bloků je stavěno v ruských elektrárnách Novovoroněžská, Leningradská a Baltická a v běloruské elektrárně Ostrovecká (spouštění prvního bloku v Novovoroněžské bude zahájeno ještě letos). Konkrétní kroky pro přípravu výstavby nových bloků s tímto typem reaktoru probíhají ve finském Hanhikivi, tureckém Akkuyu, maďarském Pakši a bangladéšském Rooppuru. Reaktory generace III+ se vyznačují vyšší bezpečností než třetí generace a tím, že mohou používat palivo MOX. Dalším požadavkem bylo prodloužení provozu reaktoru alespoň na 60 let.

Čtvrtá generace jaderných reaktorů se zaměřuje na vývoj technologií poskytující trvale udržitelné řešení energetické otázky lidstva. Ve vývoji jsou rychlé reaktory využívající roztavených kovů jako chladiva, nebo směsi solí. Reaktory IV. generace nemají být jednosměrně zaměřeny na výrobu elektrické energie, ale i výrobu vodíku, jako zásobárny energie. Výroba vodíku by probíhala termickou cestu, pomocí vysokých teplot. Proto je třeba provádět inovace a vývoj materiálů. Se zvýšením teplot v okruzích elektrárny se přirozeně zvýší i termická účinnost.

Závěr

Dnešní článek sloužil jako úvod do problematiky jaderných lehkovodních reaktorů, kdy jsem shrnul historii i budoucí řešení jaderných elektráren. V dnešní době převažují jaderné elektrárny II. generace, které by bylo vhodné v nejbližší době inovovat novými technologiemi. S tím souvisí i plánovaná výstavba nových bloků v České republice. Nyní lze říci, že se vývoj jaderných elektráren přesunul na generace III a III+, které slibují zvýšení pasivní bezpečnosti, účinnosti elektráren a zvýšení vyhořívání paliva. Což je velmi důležité pro budoucí generace. Schopnost více využívat jaderný materiál sníží množství použitého paliva a tím velmi ulehčí životnímu prostředí. Reaktory III a III+ generace jsou koncipovány tak, aby v nich mohla probíhat štěpná řetězová reakce i při použití jiného paliva, než je oxid uranu. Tyto reaktory by měly být schopné provozu při použití MOX paliva, což je směs uranu a plutonia, a tím snížit zásoby zbraňového plutonia.

V následujících článcích se proto zaměříme na situaci ohledně reaktorů III., popřípadě III+ generace, protože se jedná o nejaktuálnější téma, neboť rychlé reaktory nejsou zatím zcela připraveny pro komerční využití (Kromě reaktoru BN-600).

Zdroje: http://www.researchgate.net/

             http://www.osel.cz/

             http://vesi-elt.wz.cz/

             http://world-nuclear.org/

             http://www.areva.com/