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: 20.10 | přečteno: 945x


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: 15.32 | Přečteno: 765 | 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: 8.42 | Přečteno: 241 | 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: 8.49 | Přečteno: 135 | Diskuse

Další články z rubriky Věda

Jan Mestan

Proč nekráčíme po deskách, ale ve skutečnosti po kontinentálních krách?

Pojem zemská kůra může být dosti zavádějící. Když se řekne kůra, představíme si třeba kůru pomeranče. Ve skutečnosti se oné kůře podobá jen ta oceánská, ta kontinentální jako kůra nevypadá. Jde o poměrně hlouběji uložené kořeny.

20.10.2018 v 5:23 | Karma článku: 13.91 | Přečteno: 241 | Diskuse

Jan Mestan

Stane se raketová doprava konkurencí pro tu letadlovou?

Vývoj systému BFR firmy SpaceX nabídl zajímavou otázku - mohla by se raketová doprava stát konkurencí pro tu letadlovou? Pro rychlou přepravu nákladů si to určitě lze alespoň trochu představit.

18.10.2018 v 18:18 | Karma článku: 10.10 | Přečteno: 186 | Diskuse

Dana Tenzler

Záhada “Wow!” signálu pravděpodobně rozluštěna

Mám pro vás jednu dobrou a jednu dobrou zprávu. Po čtyřiceti letech se podařilo identifikovat zdroj pověstného “Wow!” signálu. Jeho zdrojem nebyli mimozemšťané, což je další dobrá zpráva. (délka blogu 3 min.)

18.10.2018 v 8:00 | Karma článku: 25.28 | Přečteno: 848 | Diskuse

Zdenek Slanina

Sedmnáct zastavení s mým OUDem (čti Osobním UDavačem): Další HAIKU opěvují jeho čacké činy

Letos si naše akadéma připomíná 30 let od olbřímího lidského selhání jednoho ze svých 'čestných' předsedů (a na r. 2019 připadá 333. výročí haiku o žábě). To naše haikuisty inspirovalo k oslavám mýho OUDa neboli Osobního UDavače.

17.10.2018 v 10:17 | Karma článku: 28.08 | Přečteno: 6551 |

Jan Fikáček

Pochopte čtyřrozměrný prostor za pár minut

Existuje asi jediné názorné a intuitivně přístupné přiblížení čtyřrozměrného prostoru, po kterém budeme za pár minut alespoň částečně chápat, co to znamená 4-rozměrný prostor, tedy 4D prostor. Velké D tady znamená dimenzi.

17.10.2018 v 9:07 | Karma článku: 33.61 | Přečteno: 1806 | Diskuse
Počet článků 59 Celková karma 0.00 Průměrná čtenost 527

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





Najdete na iDNES.cz