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: 21.42 | přečteno: 1048x

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: 16.62 | Přečteno: 864 | 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: 10.13 | Přečteno: 266 | 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: 9.80 | Přečteno: 152 | Diskuse

Další články z rubriky Věda

Jan Veselý

Začalo to před padesáti lety a (ne)skončilo o tři roky později

16. července 1969 začala cesta k nepřekonatelnému milníku v historii lidstva. Šest úspěšných přistání na Měsíci zanechalo nesmazatelnou stopu v myslích lidí – i těch, kteří to vůbec nezažili.

16.7.2019 v 8:30 | Karma článku: 12.86 | Přečteno: 252 | Diskuse

Dana Tenzler

Kronika jedné katastrofy - zákaz německé jaderné energetiky

O tom, jak se jedna z evropských zemí (Německo) vzdala nejmodernějšího a nejefektivnějšího zdroje energie a snaží se ho nahradit těžkopádnými, neefektivními zdroji. (délka blogu 10 min.)

15.7.2019 v 8:00 | Karma článku: 45.12 | Přečteno: 7543 | Diskuse

Julius Maksa

Vlny a vlnění ve vesmíru.

Ve vlnění gravitonového éteru je až 96% veškeré energie vesmíru. Zbývající 4% je energie tepelná, která se generuje ve hvězdách. Zbývající energie nedosahuje ani promile. Nauka o vlnění je často opomíjená a přitom tvoří vesmír.

14.7.2019 v 23:06 | Karma článku: 8.05 | Přečteno: 258 | Diskuse

Karel Tejkal

Proč nelze diskutovat s kreacionistou

Člověk s pouhým názorem sotva může diskutovat s někým, kdo zná Pravdu. Fanatika faktická platnost argumentů nezajímá, fanatik má "axiomy".

11.7.2019 v 19:58 | Karma článku: 18.56 | Přečteno: 714 | Diskuse

Libor Čermák

Záhada českých dinosaurů

V posledním čísle časopisu ABC vyšel článek o možných nálezech fosiílií druhohorních dinosaurů z území České republiky. Když jsem se nad tím zamyslel, objevil jsem tam jednu, dalo by se říci, až archeoastronautickou záhadu.

11.7.2019 v 12:55 | Karma článku: 16.75 | Přečteno: 684 |
Počet článků 59 Celková karma 0.00 Průměrná čtenost 567

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

Najdete na iDNES.cz