Když reaktor, tak plný oblázků

Jaderná energetika je v západním světě poněkud šedivá. Pokud se nějaké reaktory staví, jsou do značné míry jeden jako druhý: vždy jde o víceméně obdobný typ „temelínských“ lehkovodních reaktorů. Ovšem i když jde o vyzkoušený a osvědčený typ, i náročností technologie jsou tyto reaktory v současné podobě prostě příliš drahé. Jak Češi ví z vlastní zkušenosti.

„Jádro“ má ovšem celou řadu různých podob, které mají své výhody – a samozřejmě i nevýhody. Možná by některý alternativní typ mohl pomoci vyřešit současný finanční problém oboru. V Evropě či USA se ovšem s netradičními typy reaktorů dnes experimentuje sporadicky. Je zapotřebí za nimi často vyrazit do vzdálenějších konců světa.

Jedním z center dnešních (řekněme rovnou, že i globálně relativně skromných) snah o hledání alternativy je Čína. Tamní firmy i instituce pracují na vývoji několika různých typů. Jeden z nich se dokončuje v elektrárně Š‘-tao-wan (pinyin přepis je Shidaowan, pod tím ho najdete v angličtině) na východním pobřeží Číny.

V elektrárně mají stát postupně dva malé modulární reaktory, každý o výkonu zhruba 200 megawattů (MW) tepla, které dohromady mají roztáčet jedinou turbínu (malé jsou reaktory s výkonem pod 300 MW, modulární znamená, že se dají jednoduše skládat do bloků.) Ta využije se zhruba poloviční účinností vyprodukované teplo k výrobě elektřiny a do sítě tak má dodávat maximálně zhruba 210 MW elektrického výkonu.

Ke startu reakce alespoň prvního reaktoru by mělo dojít údajně snad během letošního roku. Zatím v elektrárně probíhají ovšem hlavně nejaderné zkoušky. Letos v srpnu například úspěšně proběhla první provozní zkoušky turbíny. Při které byla samozřejmě poháněna “nejadernou” parou.

Ale nejaderná část zařízení by neměla představovat velký problém. Samotné reaktory mohou být větší oříšek. Čína si totiž na tomto zařízení má vyzkoušet hned dvě zajímavé technologické novinky: méně tradiční reaktor pracující s vysokou teplotou a také možnosti „skládaných“ elektráren.

Plný kuliček

Reaktor označovaný jako HTR-PM (anglicky High Temperature Gas Cooled Reactor – Pebble-Bed Module, tedy zhruba „Plynem chlazený vysokoteplotní reaktor s ,oblázkovým‘ palivem“) používá jako palivo uran, přesněji řečeno oxid uraničitý. Obsahuje 8,5 procenta aktivního uranu 238, tedy zhruba na jednotku objemu dvakrát více než u běžných komerčních reaktorů. Ještě nezvyklejší je, že palivo se do reaktoru nenakládá v podobě tyčí, nýbrž malých kuliček o průměru šesti centimetrů. Právě proto se o tomto typu reaktoru občas hovoří jako o „oblázkovém“ (doslovný překlad anglického „pebble reactor“).

V jednom jediném reaktoru v Š‘-tao-wanu má takových kuliček být nasypáno zhruba čtvrt milionu. Velkou výhodou této formy paliva, jak ukázaly jiné, menší projekty, je možnost průběžné výměny paliva za chodu reaktoru. Můžete si jednoduše představit, že reaktor je jakési velké silo, do kterého se shora sype čerstvé palivo a dole vypadává vyhořelé. Cesta jednoho „oblázku“ reaktorem přitom trvá řádově měsíce.

Každý oblázek v čínském reaktoru obsahuje sedm gramů uranu, většinu objemu kuličky totiž tvoří grafit. Ten nejen fyzicky chrání a drží pohromadě samotné palivo a vznikající jaderný odpad, ale také bude sloužit ke „zpomalování“, odborně řečeno moderování neutronů.

Obecně totiž platí, že neutrony odlétají z rozbitých jader tak rychle, že mají jen malou šanci zasáhnout další atom paliva. Udržet redakci v jaderném reaktoru tedy není jednoduché, pokud nechcete používat vysoce obohacené palivo (což s sebou nese například velká bezpečnostní rizika), nebo postavit opravdu neprakticky velký reaktor.

Reaktorová nádoba reaktoru HTR-PM před uložením na místo v roce 2017. V budově je postavena na výšku. Ta je zhruba 25 metrů, samotná aktivní zóna, kde probíhá reakce, pak 11 metrů. V její spodní části je také vidět otvor, kde se z něj odstraňuje vyhořelé palivo, nové se doplňuje shora. (foto CNC)
Reaktorová nádoba reaktoru HTR-PM před uložením na místo v roce 2017. V budově je postavena na výšku. Ta je zhruba 25 metrů, samotná aktivní zóna, kde probíhá reakce, pak 11 metrů. V její spodní části je také vidět otvor, kde se z něj odstraňuje vyhořelé palivo, nové se doplňuje shora. (foto CNC)

Většina reaktorů (ne všechny, ale to teď není důležité) tak obsahuje právě i moderátor, tedy materiál, o jehož atomy se neutrony vzniklé při reakci „zbrzďují“. V případě nejběžnějších, tzv. tlakovodních reaktorů k tomu slouží právě voda. Ovšem grafit má pro to velmi vhodné vlastnosti a v minulosti se jako moderátor mnohokrát používal. Známým příkladem je například „černobylský“ reaktor typu RBMK.

Čím tepleji, tím lépe

Ale byť v Černobylu způsobila ohromné problémy hořlavost grafenu, velkou výhodou tohoto materiálu je i to, že snáší vysoké teploty. A HTR-PM by měl být specialista na vysoké teploty. Pracovní teplota by se měla pohybovat kolem 1000 °C, což dnes nejrozšířenější moderátor, tedy vodu, samozřejmě vylučuje. (Reaktor je samozřejmě hermeticky uzavřený a atmosféra neobsahuje kyslík, jinak by to v Š‘-tao-wan vypadalo opravdu jako v Černobylu.)

Voda ovšem v tlakovodních reaktorech neslouží pouze jako moderátor, slouží také jako chladič, který odvádí vznikající teplo z aktivní zóny reaktoru ven, a k turbínám. To musí tedy u čínského modulárního reaktoru obstarat jiná látka, v tomto případě hélium.

Hélium je sice poměrně drahé, ale má celou řadu dalších výhod. Jako inertní plyn nereaguje s materiály v reaktoru dokonce ani při taktových vysokých teplotách – a ani při případných vyšších teplotách po eventuální nehodě. To z hlediska životnosti i bezpečnosti jsou kladné body, a tak i hélium už zažilo svou jadernou premiéru dávno před reaktorem HTR-PM.

Dohromady použité materiály poskytují zajímavé možnosti, které u komerčních reaktorů nenajdeme. Jde především o vysokou pracovní teplotu, která nejen zvyšuje relativní účinnost přeměny tepla v elektřinu (50 % je nadprůměrné číslo), ale také otevírá nové možnosti využití. Často se zmiňuje možnost výroby vodíku z vody pomocí tzv. jód-sirného procesu, který vyžaduje teploty právě kolem 1000 °C.

To samozřejmě otevírá možnost zapojení reaktorů do „vodíkové ekonomiky“. Ovšem nejde o triviální úkol: práce s reaktivními sloučeninami při tak vysokých teplotách není jednoduchá a klade velké nároky na používané materiály. Plynem chlazený reaktor tohoto typu má i další výhody, například je možné u něj poměrně jednoduše regulovat výkon v rozmezí řádově desítek procent, takže by měl na pružněji reagovat na požadavky regulátora. Ale nejvyšší efektivitu by měl mít stejně v režimu konstatní výroby, takže není jasné, zda se tato možnost může někdy prakticky využívat.

Zdroj s maximální výstupní teplotou kolem tisíce stupňů Celsia by ovšem samozřejmě mohl najít i jiné využití, například v petrochemii, metalurgii, snad i při odsolování mořské vody, atd. A zastánci konceptu také připomínají, že reaktory by mohly nahradit dnešní uhelné elektrárny třeba pro vytápění domácností. Může to být praktické? Netušíme, ale je jasné, že hlavní roli bude hrát cena. A tady v tomto ohledu zatím s atomovými zdroji nejsou příliš dobré zkušenosti. A s vysokoteplotními reaktory už vůbec.

Složíme se na to?

Reaktor pracující s takto vysokými technologiemi vyžaduje velmi kvalitní materiály i zpracování. Levný a jednoduchý může být těžko. Projekt Š‘-tao-wan by tento problém chtěl vyřešit způsobem, který – stejně jako chlazení héliem a oblázkové palivo – navrhovali či zkoušeli jiní, ale zatím nikdo neuspěl. Reaktory HTR-PM by se měly vyrábět sériově.

V Š‘-tao-wanu zatím mají stát pouze dva, snad už během dvou let by se měly začít stavět větší celky, ve kterých jednu turbínu má pohánět šest malých reaktorů, takže dohromady budou mít výkon zhruba 600 MW elektrických. Pokud se tak opravdu stane, čínské reaktory HTR se stanou prvním skutečným příkladem dlouho slibované třídy tzv. „malých modulárních reaktorů“. 

Uvidíme, zda bude také prvním úspěšným příkladem. Studie OECD před několika lety odhadovala, že bez sériové výroby je cena jednoho malého reaktoru na jednotku výkonu je zhruba o 50 až 100 procent vyšší než u velkých tlakovodních reaktorů. Protože HTR-PM je poměrně technicky náročný projekt, cena bude spíše vyšší. Je sice pravdou, že reálné ceny za dostavbu stejných elektráren jsou tedy podle odhadů o více než polovinu nižší než v USA a Evropě, ovšem v Číně je levnější i konkurence.

Jedinou záchranou se zdát být jen výroba ve velkém, nic jiného nedává ekonomický smysl. Ta je možná ovšem pouze v případě, že se projekt neukáže příliš technologicky náročný, uvádění do provozu proběhne bez velkých komplikací a provoz sám bude bezproblémový.

Související články

Vložit komentář...