Množivé jaderné reaktory

27. únor 2009 | 06.00 |

FBR reaktor

Mezinárodní agentura pro atomovou energii (MAAE)  udává zásoby "pouhých" 5,5 milionů tun uranu. Jde se o zásoby, u kterých se předpokládá, že je z nich možné vytěžit kilogram uranu za méně než 130 USD. Navíc se jedná o již zmapovaná ložiska, kde proběhl průzkum, na jehož základě je možné tuto cenu stanovit. Celkové zásoby uranu  se takto odhadují asi na 22 Mt.

V přírodě je najdeme dva izotopy uranu – 238U (99,3 %) a 235U (0,7 %). Dosud většina jaderných elektráren však využívá izotop 235U. V jejich lehkovodních reaktorech se využívá jen asi 1 % přírodního uranu. Zbylý uran zůstává v použitém jaderném palivu a v tzv. "ochuzeném uranu", který zbyl po obohacování uranu. Ale použité palivo se poté dá dále využít. Můžeme z něj oddělit izotopy plutonia a jiných transuranů, které vznikly z uranu v jaderném reaktoru a získat tak o cca 30 % více energie.   
 
Také izotop 238U je možné energeticky využít. Nejprve z něj musíme vyrobit plutonium 239Pu. Plutonium vzniká i v lehkovodních reaktorech, ale jen v malém množství. Vzniká totiž z uranu dopadem rychlých neutronů, a v lehkovodních reaktorech převládají pomalejší, tzv. "tepelné neutrony". Pokud je rychlých neutronů dostatek, vznikne v reaktoru více štěpitelných izotopů, než jich bylo třeba pro prvotní dávku rychlých neutronů, a tak se spotřebovává pouze 238U. To vše umí tzv. rychlé množivé reaktory. V nich lze ze stejného množství přírodního uranu vyrobit až 100x více energie než u lehkovodních reaktorů.

Palivem v rychlých množivých reaktorech (typu FBR) je Plutonium (Pu) ve směsi oxidu plutoničitého a uraničitého. K udržení řetězové reakce tyto reaktory používají nezpomalené neutrony, proto reaktor nemá materiál, ve kterém se neutrony zpomalují – tzv. moderátor. Pak ovšem mají rychlé neutrony menší pravděpodobnost správně "trefit" těžká jádra uranu a plutonia, proto kvůli zajištění řetězového průběhu jaderného štěpení musí palivo obsahovat větší podíl štěpitelného nuklidu. Palivo se proto obohacuje o štěpitelný izotop 239Pu či 235U na 20 - 50%. Vedle palivových článků se do různých zón reaktoru (hlavně po jeho obvodu) vkládají i články množivé, které obsahují ochuzený uran, resp. thorium, a ve kterých vzniká během provozu reaktoru štěpitelné plutonium, resp.

uran. Množivé články po jisté době poskytují surovinu k výrobě palivových článků pro rychlé i pro klasické reaktory.Vysoké procento obohacení, větší poměr objemu štěpitelného materiálu k objemu aktivní zóny a s tím související vysoké množství proběhnuvších štěpných jaderných reakcí za jednotku času vede současně k mnohem intenzivnějšímu uvolňování tepla v daném objemu aktivní zóny, než je tomu u pomalých reaktorů. To s sebou přináší značné požadavky na výkon chladicího systému reaktoru. Voda ani žádný plyn takové množství tepla nemohou odvádět. Navíc voda by zpomalovala neutrony a sloužila by jako moderátor. Proto se jako chladivo používá lehký alkalický kov - sodík, který je při teplotách nad 100°C tekutý. Sodík má mnohem lepší tepelnou vodivost než voda a ve srovnání s ní také mnohem vyšší teplotu varu (téměř 900°C při atmosférickém tlaku). Teplota sodíku se na výstupu rychlého reaktoru pohybuje obvykle kolem 550 °C, takže chladivo je na rozdíl od tlakovodních reaktorů hluboko pod bodem varu. To je z hlediska bezpečnosti výhodné. 

FBR bazénovýU rychlého množivého reaktoru smyčkového typu je sodíkem jako chladicí kapalinou obklopena aktivní zóna reaktoru (jako součást prvního sodíkového okruhu), oběhová čerpadla a další prvky pro zajištění a řízení chodu reaktoru jsou umístěny v reaktorové nádobě odděleně (u reaktorů bazénového typu jsou všechny komponenty včetně čerpadel ponořeny do nádrže naplněné sodíkem). Ohřátý sodík proudí do výměníku tepla, kde proběhne tepelná výměna s chladnějším sodíkem proudícím ve vedení vloženého sodíkového okruhu. Sodík v rámci vloženého sodíkového okruhu proudí do parogenerátoru, kde tepelnou výměnou ohřívá vodu a mění ji na páru. Pára v rámci oběhu třetím okruhem roztáčí parní turbínu, na ni napojené alternátory generují elektrické napětí.

FBR smyčkovýZásadním problémem při použití sodíku jako chladicí kapaliny je jeho velká chemická reaktivita s kyslíkem na oxid a s tím související nebezpečí požáru při jeho úniku. Nebezpečná je také reaktivita sodíku s vodou vedoucí vzniku molekul vodíku. Proto musí být zajištěno co nejbezpečnější oddělení sodíkového okruhu od vody i vzduchu a instalován mimořádně spolehlivý protipožární systém. Navíc se sodíkový okruh zpravidla zdvojuje, aby nedošlo ani při nepravděpodobné havárii s požárem k úniku aktivity. Konstrukce reaktoru musí respektovat skutečnost, že sodík po odstavení reaktoru za běžné teploty ztuhne a změní svůj objem. Sodík obsažený v primárním okruhu reaktoru se stane radioaktivním.

Zvláštností rychlých reaktorů s plutoniovým palivem je jejich množivý charakter. Při jaderných reakcích se uvolňuje spousta neutronů, část z nich udržuje řetězový průběh štěpení a tedy chod reaktoru, zbylá část může posloužit k transmutaci konkrétních radioizotopů. Cílem je získat vhodné radioizotopy jiných prvků, vhodných pro použití v pomalých reaktorech jaderných elektráren. Při štěpení jádra 239Pu vzniká totiž více neutronů než v případě uranu (rozštěpením uranu vznikne průměrně přibližně 2,5 nových neutronů, při štěpení plutonia rychlými neutrony jsou to 3,02 nové neutrony). Průměrně dva neutrony se spotřebují na další štěpení a zbytek, což je více než jeden neutron, je zachycen jádry U238, z nichž se stává U239. Takové jádro je nestabilní, výsledným produktem následujících jaderné přeměny je izotop plutonia Pu239 (následným pohlcením neutronu mohou vzniknout rovněž izotopy Pu240 a Pu242). Proto při provozu těchto reaktorů vzniká významně více plutonia, než se spotřebuje k výrobě paliva pro samotný reaktor FBR. Proto pro získání plutonia je aktivní zóna obklopena tzv. plodivou zónou, která sestává z tzv. množivých článků (vyrobených např. z ochuzeného uranu, obsahujícího v maximální míře izotop U238). Díky tomuto jevu mohou FBR reaktory produkovat materiál vhodný pro výrobu další generace jaderného paliva využitím "vyhořelého paliva" z lehkovodních reaktorů používajících moderátor.

Reaktory typu FBR by tak v rámci jednoho komplexního cyklu produkovaly ve svých množivých článcích materiál (obsahující plutonium) pro výrobu jaderného paliva určeného nejen pro jejich vlastní provoz, ale také materiál pro výrobu paliva určeného pro jiné zmíněné typy energetických reaktorů. Pro výrobu jaderného paliva pro reaktory FBR je možné kromě plutonia separovaného z vyhořelého jaderného paliva energetických reaktorů s pomalými neutrony také využít zásoby plutonia Pu239 z arzenálů jaderných zbraní. Jako zdroj izotopu U238 pro tzv. množivé články lze použít také skladované zásoby ochuzeného uranu, produktu z procesu obohacování přírodního uranu.


Z řady demonstračních elektráren s rychlými reaktory, které pracovaly či ještě pracují mj. v Rusku, USA, Francii, Německu, Velké Británii či Japonsku, jmenujme alespoň dvě největší.
V dubnu 1980 byl k ruské energetické síti přiřazován třetí blok Bělojarské jaderné elektrárny o elektrickém výkonu 600 MW s rychlým množivým reaktorem BN-600. Dosud největším rychlým reaktorem je pak francouzský Superphénix. Je umístěn v jednoblokové demonstrační elektrárně o výkonu 1200 MW mezi Ženevou a Lyonem. Pro tento reaktor je typický experimentální provoz při sníženém výkonu, s častými odstávkami a testy.
Země, které mají zkušenosti s provozem rychlých reaktorů, pracují zpravidla i na projektech budoucích elektráren s rychlými reaktory. Konstruktéři se přitom zaměřují především na snížení ceny a na co největší zajištění bezpečného provozu reaktoru. V současné době přesto nelze širší použití rychlých reaktorů očekávat. Jejich provoz je technologicky velmi náročný, a v důsledku toho vychází dobývání přírodního štěpitelného paliva podstatně levněji než jeho výroba v rychlých reaktorech. Kromě toho existují vážné obavy z úniku plutonia či z jeho zneužití k vojenským nebo teroristickým účelům. Také z hlediska bezpečnostního a ekologického přinášejí zatím rychlé reaktory a zejména provozy následné výroby plutoniového paliva řadu komplikací.

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 1.27 (33x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Komentáře