Solné reaktory - minulost, nebo budoucnost?

6. 03. 2018 18:50:12
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

Autor: Pavel Suk | úterý 6.3.2018 18:50 | karma článku: 20.31 | přečteno: 969x

Další články blogera

Pavel Suk

Solné reaktory – řešení energetického problému lidstva?

V minulém článku byly shrnuty základní informace o reaktorech s roztavenými solemi, v následujících odstavcích si můžete přečíst současný vývoj těchto reaktorů, hlavně reaktoru Integral MSR.

7.3.2018 v 16:30 | Karma článku: 15.86 | Přečteno: 802 | Diskuse

Pavel Suk

NUSIM2017: Zachování know-how jako klíčová dovednost pro existenci jadrných elektráren?

Nábor nových pracovníků Slovenských elektráren a skupiny ČEZ není jednoduchá práce. Řešení a názory jak personalistů, tak vědeckých odborníků si můžete přečíst v následujícím článku, na závěr pohled analytika z Jobs.cz

5.12.2017 v 20:51 | Karma článku: 9.42 | Přečteno: 249 | Diskuse

Pavel Suk

NUSIM2017: Role design authority a zvládání těžkých havárií na jaderných elektrárnách

V druhé části konference NUSIM byly řešeny problémy design authority s hlavním tématem udržení plánů jaderných elektráren ve shodě s projektem, a také bezpečnostní systémy pro reaktory generace II ke zvládání těžkých havárií.

5.12.2017 v 18:19 | Karma článku: 9.12 | Přečteno: 140 | Diskuse

Další články z rubriky Věda

Jan Fikáček

Nejsou barvy a zvuky pouhá iluze? Něco, co v realitě vůbec neexistuje?

Snad žádný člověk nepochybuje o tom, že existují barvy. Třeba že jablko, na které koukáme, je skutečně červené. Který blázen by si dovolil tvrdit, že červená barva neexistuje. S její existencí to však není až tak jednoduché.

21.1.2019 v 9:11 | Karma článku: 20.37 | Přečteno: 549 | Diskuse

Dana Tenzler

Proč nám vítr obrací deštník naruby?

Co má společného polámaný deštník a přibouchnuté dveře? Za to, že vám vítr obrátil deštník naruby, nemůže zákon schválnosti - ale zákony fyziky. (délka blogu 8 min.)

21.1.2019 v 8:00 | Karma článku: 19.94 | Přečteno: 316 | Diskuse

Alexandra Bolková

Zastoupení leváků v populaci

Celosvětově je více než 90 % lidí praváků. Dominance jedné „výhodnější“ strany je nejsilnější populační předpojatostí pro všechny primáty. Větší procento leváků je zastoupeno běžněji v bělošské, asijské a hispánské populaci.

20.1.2019 v 12:31 | Karma článku: 13.01 | Přečteno: 293 | Diskuse

Libor Čermák

Co když je na islámském symbolu znázorněné UFO?

Souvislostí mezi UFO a našim Měsícem je celá řada. Mluví se o záhadných světlech na Měsíci i o setkání astronautů s UFO. Pojďme se na tyto všechny záhady podívat trošku podrobněji. A závěr bude trošku archeoastronautický.

20.1.2019 v 5:13 | Karma článku: 21.03 | Přečteno: 657 |

Jan Mestan

Re: Zeptali jsme se vědců (LIDOVKY.cz)

Na webu 'Lidovek' se lze v rubrice 'Zeptali jsme se vědců' mj. dočíst o tom, jak že se má chovat Země. Odpovídali pan Trubač a Goliáš, zaměstnanci Univerzity Karlovy - Přírodovědecké fakulty. Zkusím trochu reagovat.

19.1.2019 v 19:28 | Karma článku: 13.07 | Přečteno: 437 | Diskuse
Počet článků 59 Celková karma 0.00 Průměrná čtenost 541

Jmenuji se Pavel Suk, je mi 24 let, studuji ČVUT, fakultu jadernou a fyzikálně inženýrskou, studijní obor Jaderné inženýrství.

Najdete na iDNES.cz