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: 21.24 | přečteno: 989x

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: 16.37 | Přečteno: 821 | 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: 256 | 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: 143 | Diskuse

Další články z rubriky Věda

Dana Tenzler

Černobyl - před 33 lety

Co by se stalo kdyby... kdyby před 33 lety obsluha čtvrtého bloku černobylské elektrárny odmítla dělat testy parogenerátoru... kdyby následná exploze nikdy neprověřila akceschopnost Sovětského Svazu. (délka 15 min.)

25.4.2019 v 8:00 | Karma článku: 37.12 | Přečteno: 2371 | Diskuse

Jan Mestan

Proč v systému NAD83 nevidíme pohyb desek, ale v systému ITRF08 (IGS08) ano?

Několik mých posledních textů přineslo zajímavé diskuse ohledně referenčních rámců užívaných v geodézii. Podíval jsem se na věc podrobněji a stále to vypadá tak, že deskový tektonik si myslí, že GPS automaticky nepozná pohyb...

24.4.2019 v 23:59 | Karma článku: 15.49 | Přečteno: 442 | Diskuse

Julius Maksa

Max Planck, zakladatel kvantová teorie.

Vysvětluje kvantová teorie objektivně děje v mikrosvětě? Mohou se chovat gravitony ( fotony) jako vlny i jako částice? Byla kvantová teorie potvrzena i experimentálně a jak? Na tyto a jiné otázky se pokusím odpovědět.

24.4.2019 v 16:39 | Karma článku: 8.36 | Přečteno: 355 | Diskuse

Jan Mestan

Něco málo o trackingu objektů aneb nemohu trackovat něco, co se neděje

Když zaměříte fotoaparát na noční nebe a ponecháte jej v tzv. dlouhé expozici, na políčko filmu či fotočip se propíší hvězdy coby kružnice. Jaký to má vztah k terestrickým rámcům deskové tektoniky?

23.4.2019 v 15:27 | Karma článku: 13.89 | Přečteno: 234 | Diskuse

Dana Tenzler

Proč jsou letos velikonoce v dubnu a ne v březnu?

Říká se mu velikonoční paradoxon. Je to jev, který přesouvá velikonoční svátky v některých letech na úplně jiný den, než by vycházely podle pravidel. (délka blogu 5 min.)

22.4.2019 v 8:00 | Karma článku: 28.34 | Přečteno: 1054 | Diskuse
Počet článků 59 Celková karma 0.00 Průměrná čtenost 548

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

Najdete na iDNES.cz