Rychlý jaderný reaktor BN600 – spolehlivý civilní služebník

Vladimír Wagner

ÚJF AVČR Řež a FJFI ČVUT Praha

Úspěšně provozovaný rychlý reaktor BN-600 a budovaný reaktor BN-800 v Bělojarské jaderné elektrárně jsou na dobré cestě stát se počátkem intenzivního využití rychlých množivých reaktorů pro ekonomickou výrobu elektrické energie a startem efektivního využití veškerého potenciálu ukrytého v přírodním uranu.

V diskuzi k mému povídání „Jaderná fyzika a kulturní dědictví“ mě jeden z čtenářů požádal o napsání článku věnovaného ruským rychlý reaktorům BN600 a BN800. Rád jsem jeho přání vyhověl, protože si myslím, že hlavně ruský reaktor BN600 si pozornost nesporně zaslouží. Pro stabilní dlouhodobé využití jaderné energetiky je nutné začít intenzivně využívat rychlé reaktory, které mohou být postaveny i jako množivé tak, že dokáží efektivně transmutovat uran 238 na plutonium 239, které lze následně použít jako palivo v rychlých i klasických reaktorech. Ve světě funguje řada experimentálních a zbrojních rychlých reaktorů, větší množství jich pracuje i na ponorkách. Ovšem v civilní službě ve funkci zdroje elektrické energie je jich jen velmi málo. Fungující prototypy energetických rychlých reaktorů jsou v současnosti pouze tři. Reaktor Phoenix ve Francii však funguje častěji v testovacím režimu. Je velmi důležitým prostředkem pro studium práce rychlých reaktorů, ale jeho využití pro výrobu elektrické energie je relativně omezenější. Rychlý reaktor Monju v Japonsku se zatím nevyhrabal z počátečních problémů a po nehodě v roce 1995, kdy po úniku sodíku v sekundárním okruhu vznikl požár, se v současnosti stále rekonstruuje. Jeho opětné spuštění se plánuje až v roce 2009. Jediným energetickým reaktorem, který spolehlivě již léta dodává elektrickou energii do rozvodné sítě, je ruský reaktor BN-600, který je třetím blokem fungujícím v Bělojarské jaderné elektrárně.

Princip rychlého reaktoru

Nejdříve si rychle připomeneme funkci rychlého reaktoru. O principech, na kterých je postavena jaderná energetika, a důležitosti využití rychlých množivých reaktorů jsem už na Oslovi psal. Hlavním rozdílem rychlého jaderného reaktoru oproti klasickému je, že se nezmenšuje energie (rychlost) neutronů, které vznikají při štěpení (neutrony se nemoderují). Pravděpodobnost, že rychlý neutron způsobí štěpnou reakci, je mnohem nižší než u neutronu pomalého. Aby se udržela řetězová štěpná reakce, musí tak být v rychlých reaktorech těchto neutronů mnohem více. To však znamená, že musí docházet k daleko většímu počtu štěpení. To má řadu výhod, ovšem přináší to i některé problémy. Takový reaktor musí mít větší obohacení štěpných izotopů, tedy uranu 235 nebo plutonia 239. Například v reaktoru BN-600 se používají články z obohacením od 17 do 26 % (klasické reaktory mají obohacení 3 až 4 %). Větší počet štěpení vede i k většímu vývoji tepla. Rychlý reaktor tak může být při daném výkonu kompaktnější, ale potřebuje také daleko efektivnější chlazení než klasický. Proto se velmi často chladí tekutým sodíkem. Běžné je i chlazení tekutým olovem. My se však v tomto článku budeme zabývat reaktory chlazenými právě sodíkem. Při reakcích neutronů se stabilním sodíkem 23 vzniká radioaktivní sodík 24 s poločasem rozpadu zhruba 15 hodin. I proto je rozumné, aby se teplo z primárního sodíkového okruhu přenášelo do dalšího sodíkového obvodu a teprve ve třetí sérii výměníků tepla se vyráběla pára pro pohon turbín.

Elektrárna v Aktau (Ševčenku) s rychlým  reaktorem BN-350 (zdroj IAEA).

Uran 238 se nedá v reaktoru štěpit a nedá se použít jako palivo. V reakcích neutronů s jádry uranu 238 se však produkuje uran 239, který se v rozpadu beta přeměňuje na plutonium 239. To už se štěpí a dá se použít jako palivo jak v klasickém tak i rychlém reaktoru. Uran 238 se přeměňuje na plutonium 239 i v klasickém reaktoru, ale pouze v malém množství. V rychlém reaktoru se produkuje velmi vysoká intenzita pole neutronů a dochází i k intenzivní přeměně uranu 238 na plutonium 239. Při vhodné konfiguraci dochází k větší produkci plutonia než je jeho spotřeba. Takovému reaktoru se říká množivý. Produkuje pak palivo i pro klasické reaktory. Vzhledem k tomu, že v přírodě je jen 0,7 % uranu 235 a více než 99 % uranu 238, umožňují rychlé množivé reaktory radikálně zvýšit využití přírodního uranu. Jeho efektivita vzroste zhruba padesátinásobně.

Ustavování reaktorové nádoby reaktoru BN-350 během výstavby (zdroj IAEA).

Nejdříve o jeho předchůdci - reaktoru BN-350.

Než se blíže podíváme na reaktor BN-600, připomeňme si jednoho z jeho předchůdců, který se také v civilní službě vyznamenal. Jedná se o rychlý reaktor, který byl postaven ve městě Aktau (dříve Ševčenko) na poloostrově Mangyšlak na břehu Kaspického moře. Reaktor se stavěl v letech 1965 až 1971, v roce 1972 se poprvé spustila stabilní řetězová reakce a od roku 1973 začal fungovat jako zdroj energie. Mezi léty 1973-75 běžel na tepelný výkon 300 MW_t, Od března 1975 pak na tepelný výkon 650 až 750 MW_t. Elektrický výkon dodávaný do sítě byl 150 MW_e. Jeho nejdůležitějším úkolem však bylo odsolování mořské vody. Produkoval okolo 120 000 tun destilované vody denně. Původní předpokládaná životnost reaktoru do roku 1993 byla prodlužována a spolehlivě pracoval až do roku 1999. Během čtvrtstoletí své práce významně přispěl k rozvoji této oblasti Kazachstánu, která je bohatá na suroviny, ale má velký nedostatek sladké vody.

Odsolovací jednotka elektrárny v Ševčenku dokázala produkovat 100 000 tun destilované vody denně (zdroj IAEA).

Bělojarská jaderná elektrárna a reaktor BN-600

Bělojarská jaderná elektrárna se nachází ve Sverdlovské oblasti ve městě Zarečnyj. Nejbližším velkým městem je Jekatěrinburg. Elektrárna byla první, ve které pracovaly reaktory moderované grafitem. Byly dva a v současné době jsou už oba odstaveny. Dnes tam funguje právě zmíněný rychlý reaktor BN-600, který je jako třetí reaktor v daném místě také označován jako Bělojarsk-3. K rozběhnutí stabilní řetězové reakce došlo 26. února 1980 a první energie byla do sítě dodána již 5 dubna 1980. Postupně se dosáhlo plánovaných hodnot tepelného výkonu 1470 MW_t a elektrického výkonu 560 MW_e. Práce reaktoru je stabilní a nyní se jeho výkon pohybuje mezi 580 až 610 MW_e. Jeho využití se pohybuje mezi 70 až 75 %, ztráty jsou dány hlavně plánovanými výměnami paliva a údržbou. Pouze zhruba 2 % nevyužité kapacity času a výkonu připadá na neplánované události. Do konce roku 2004 byla elektrárna v činnosti zhruba 170 000 hodin a dodala do sítě 91 milionů MWh. Nejčastěji se problémy u tohoto typu rychlých reaktorů objevují v souvislosti s chladícím systémem. Reaktor BN600 měl pouze 12 úniků chladiva na parogenerátoru a z toho polovina se objevila v prvním roce. Celkově došlo k 27 únikům sodíku, některé i s menším požárem. Všechny však byly klasifikovány nejnižším stupněm na mezinárodní stupnici jaderných událostí a neměly vliv na provozování reaktoru. Jinak jsou zkušenosti s elektrárnou velmi dobré.

Bělojarská jaderná elektrárna (zdroj IAEA).

Reaktorová sestava je umístěn v betonové budově a je vybavena zařízením, které zabraňuje úniku plynů. Jádro reaktoru má výšku 1,03 m a průměr 2,05 m. Obsahuje 369 palivových kazet. Jak už bylo zmíněno obohacení paliva je 17–26% uranu 235. Teplota sodíku dosahuje v reaktoru 550^oC.

Kontrolní a havarijní systém obsahuje 27 prvků, zde je detail část kontrolních a havarijních tyčí (zdroj IAEA)

Získané zkušenosti s provozem reaktoru BN-600 jsou velmi cenné nejen pro ruskou jadernou energetiku. Obrovský zájem o ně má i Japonsko, které nakoupilo technickou dokumentaci tohoto reaktoru. V posledních letech se velmi intenzivně pracuje na vylepšení efektivity jeho činnosti a možnosti jeho využití pro spalování zbrojního plutonia, o kterém se podrobněji zmíním za chvíli. Na těchto studiích se podílí i japonští, evropští i američtí odborníci. Prodlužuje se doba mezi výměnami paliva, ta zatím probíhala zhruba dvakrát ročně. Jeho životnost byla plánována na třicet let a reaktor by tak měl být odstaven v roce 2010. V současnosti se však vedou intenzivní práce na tom, aby se jeho životnost mohla prodloužit o dalších 10 až 15 let.

Pro zajímavost se můžeme podívat, co se na reaktoru děje právě teď. Od konce letošního března (2008) je reaktor odstaven kvůli výměně paliva a plánovaným generálním opravám, údržbě a kontrole. Tato odstávka bude trvat do konce května a jeho opětné spuštění se plánuje na 2. června. Během odstávky se plánuje výměna parogenerátorů, generální oprava a modernizace turbogenerátoru i materiálové testy. Tyto činnosti souvisejí se zmíněným plánem na prodloužení životnosti tohoto bloku.

Schématický náčrt Bělojarské jaderné elektrárny. Označení: 1 reaktor, 2 reaktorová hala, 3 pumpa sekundárního okruhu, 4 jeřáb, 5. ventilační systém, 6. zásobník vody, 7 kontejner na přepravu vyhořelého paliva, 8 nádrž na sodík, 9 kontrolní systém, 10 hala pro turbíny, 11 kontrolní a bezpečnostní systém, 12 parogenerátor, 13 jeřáb pro parogenerátor (zdroj IAEA).

Spalování plutonia

V předchozím části byla zmíněna možnost využití reaktoru BN-600 pro spalování plutonia. Jak bylo řečeno v úvodu, vzniká toto plutonium záchytem neutronu na uranu 238 i v klasických reaktorech. Při přepracování vyhořelého paliva z nich se odděluje od sebe toto plutonium, uran 235 a 238 i další transurany vznikající záchytem neutronu uranem. Všechny tyto složky se v principu dají využít jako zdroj energie, i když u některých je třeba vytvořit speciální podmínky. Dále je třeba také vydělit produkty vzniklé štěpením, které se dále využít nedají. Z uranu a plutonia se dá připravovat nové palivo pro klasické i rychlé jaderné reaktory.

Reaktorový sál Bělojarské jaderné elektrárny (zdroj IAEA).

Daleko více plutonia 239 vzniká v rychlých reaktorech. Proto se speciální rychlé reaktory využívaly při produkci plutonia pro jaderné zbraně. S koncem studené války se zredukoval počet jaderných hlavic v USA a Rusku. Navíc se kvůli nebezpečí terorismu objevuje snaha o likvidaci přebytečných zásob zbrojního plutonia, které obě velmoci mají. V roce 2000 bylo dosaženo dohody, že každá ze stran využije v civilních reaktorech jako palivo 34 tun zbrojního plutonia.

Vlastnosti plutonia 239 a uranu 239 se však liší, takže využívání plutonia není možné ve všech klasických reaktorech. Řada z nich však byla pro palivo s obsahem plutonia uzpůsobena. Pro jeho přípravu se plutonium, které se získá z přepracování vyhořelého paliva, přimíchává k uranu 235 a uranu 238 a vytváří se směs, která se označuje jako MOX (Mixed OXide). Jedná se o směs oxidů plutonia a různých izotopů uranu. V Evropě se takové palivo běžně používá. Spojené státy přepracování vyhořelého paliva neprováděly a teprve nyní staví velkou přepracovací kapacitu v Jižní Karolíně, která by připravovala palivo MOX i ze zbrojního plutonia. Toto palivo bude využíváno uzpůsobenými klasickými reaktory. Rusko přepracovací kapacity má. Přepracováním vyhořelého paliva se v něm nashromáždilo 32 tun plutonia a téměř 2500 tun uranu pro využití k přípravě směsi MOX nebo paliva pro rychlé reaktory. K nim se ještě přidalo již zmíněných 34 tun zbrojního plutonia z vojenských zásob. Předpokládá se, že se spotřebuje v reaktorech VVER-1000 a hlavně v rychlých reaktorech.

Rychlé neutrony jsou daleko vhodnější pro štěpení plutonia i dalších transuranů vznikajících v reaktorech. Proto mají lepší podmínky pro využití přepracovaného paliva i zbrojního plutonia. Ovšem možnosti reaktoru BN-600 jsou v tomto směru omezené. Konfigurace rychlého reaktoru může být totiž různá. Takže může být nastaven na efektivní produkci plutonia nebo jeho efektivní spalování. Nově budovaný reaktor BN-800 je projektován tak, aby mohl používat různé palivo. Proto se využití energetického potenciálu plutonia očekává od tohoto nového rychlého reaktoru.

Turbíny elektrárny Bělojarsk-3 (zdroj IAEA)

Následovníkem bude reaktor BN-800

Rychlý reaktor BN-800, označovaný také jako Bělojarsk-4, by měl nahradit (případně doplnit) reaktor BN-600. Stejně jako reaktor BN-600 bude i reaktor BN-800 chlazených tekutým sodíkem. Měl by mít výkon 880 MW_e, tedy o 320 MW_e více. Zajímavé je, že původně měl mít výkon 800 MW_e, ovšem díky pokroku ve vývoji turbín v posledních desetiletích se efektivita produkce elektrické energie zlepšila o deset procent. BN-800 patří do kategorie pokročilých reaktorů. Oproti typu BN-600 nabízí výrazné vylepšení. Došlo ke zdokonalení sekundárního jaderného okruhu a používá se v něm kvalitnější materiál. To je důležité, protože právě chladící okruhy spojené s tekutým sodíkem jsou kritickým místem tohoto typu rychlých reaktorů. Při jeho vývoji byl kladen velký důraz na dvě věci. Obrovskou výhodou reaktoru BN-800 bude možnost použití více druhů paliv. Díky vylepšenému palivu je možné jeho výměnu provádět až po 560 dnech. Reaktor bude daleko efektivněji spalovat plutonium, takže se předpokládá, že by mohl za rok využít až dvě tuny plutonia získaného z vojenských zbraní. Zároveň by měl využívat uzavřeného palivového cyklu, který zahrnuje popisované přepracování vyhořelého paliva a opětovné využití takto získaného uranu a plutonia při přípravě nového paliva. Program uzavřeného palivového cyklu tak odpovídá celosvětovým požadavkům na hospodárné využívání přírodních zdrojů uranu. Měl by přinést zlepšení také v oblasti finanční návratnosti nákladů. Podle odhadů budou výdaje na jeho výstavbu jen o 15 % vyšší než u konstrukce běžného tlakovodního reaktoru VVER, který známe z Temelína. A právě finance pro jeho vybudování byly doposud hlavním problémem.

Jak s financemi?

Práce nad projektem reaktoru začaly už v osmdesátých letech. Velkým problémem při dokončování reaktoru BN-800 i řady dalších, které se rozestavěly v té době, bylo zajištění financování. Po kolapsu hospodářství Sovětského svazu v devadesátých letech nebyly finance na jejich dokončení. Pokles hospodářství přinesl i snížení požadavků na produkci elektrické energie. U projektu bloku Bělojarsk-4, který byl zahájen v roce 1984, to znamenalo zastavení ve fázi přípravy staveniště a zemních prací v roce 1986. I když se už koncem devadesátých let a na počátku tohoto desetiletí uvažovalo o pokračování výstavby tohoto reaktoru, stále chyběly finance.

To se však už od počátku století začalo měnit. Konsolidace a opětný rozvoj průmyslu v Rusku začal zvyšovat energetické požadavky. Stále se zvyšující cena ropy, plynu i dalších surovin umožnila získávat značné prostředky. Ruskému plynárenskému gigantu Gazprom se začíná vyplácet pomoc při financování dostavby rozestavěných jaderných elektráren. Provoz jaderných elektráren je totiž relativně velmi laciný. Elektřina z nich nahradila elektřinu ze stávajících plynových elektráren a ušetřený plyn lze výhodně prodat do zahraničí. To je důvodem, proč je snaha o finanční spolupráci mezi plynařskými podniky a jaderným průmyslem, konkrétně s organizací Rosenergoatom. Také samotný stát má větší finanční prostředky pro podporu jaderného energetického sektoru. Nárůst průmyslové produkce silně zvýšil požadavky na dodávky elektrické energie. O výstavbu jaderných zdrojů mají obrovský zájem například i výrobci hliníku (což je energeticky velmi náročné odvětví), kteří těží z průmyslového rozvoje hlavně asijských zemí. Také samotný jaderný průmysl se finančně konsolidoval. Rusko těží uranovou rudu, připravuje jaderné palivo i přepracovává vyhořelé palivo z jaderných elektráren. Zároveň má dostatek kapacit pro výrobu jaderných reaktorů a celých elektráren. Ruské podniky v jaderném sektoru proto intenzivně využívají znovuobnovení zájmu o jadernou energetiku hlavně v Asii. Dodávají elektrárny do Číny i Indie.

V samotném Rusku se také rozbíhá opětný rychlý rozvoj v této oblasti, v současné době předpokládá Rosatom (Federální agenturou pro jadernou energii) spouštění dvou až tři jaderných elektráren ročně a chce do roku 2020 celkový výkon jaderných zdrojů zhruba zdvojnásobit. Je otázka, zda se podaří takový ambiciosní plán splnit. Na druhé straně, když to srovnáme se současnou intenzivní výstavbu uhelných elektráren v Německu a nejnovějším plánem Německé vlády postavit dvacet nových uhelných bloků místo dosluhujících jaderných elektráren, je celkem jasné, kdo reálně více přispěje ke snížení produkce oxidu uhličitého.

Stavba bloku Bělojarsk-4

Financování bloku Bělojarsk-4 s reaktorem BN-800 se v roce 2005 vyřešilo pomocí státního rozpočtu a 18. června 2006 začala betonáž základové desky elektrárny. V listopadu 2007 mohla začít instalace jednotlivých částí samotného reaktoru. Začátkem prosince pak dorazily také dvě velké nádrže na tekutý sodík primárního okruhu. Jejich průměr je 4 m, délka 15 m a hmotnost 54 tun. V polovině prosince pak jedny z hlavních částí reaktoru. Do té doby na stavbě pracovalo zhruba 700 montérů a stavbařů, v tomto roce by se jejich počet měl zvýšit na 3000. Maximálního počtu by měl dosáhnout v roce 2011, kdy zde bude 7000 lidí. Vlivem stavebního útlumu v devadesátých letech a velkému rozvoji v současnosti je velkým problémem sehnat dostatek zkušených lidí. Celková cena stavby se odhaduje na 60 miliard rublů (zhruba 40 miliard Kč).

Rozdíl ve vzhledu staveniště v roce 2004 (pouhá úprava terénu) a 2006 (montáž třímetrové armatury pro základovou desku) (zdroj Sergej Gončarov - ProAtom)

Předpokládá se, že by se reaktor BN-800 mohl stát sériově vyráběným modelem rychlého množivého reaktoru využívající palivo obohacené plutoniem jak z klasických reaktorů tak z jaderných zbraní.

Ekonomický i komerčně atraktivní model BN-1800

V projekční fázi je i ještě větší rychlý reaktor BN-1800, který by se měl začít stavět v roce 2012 ihned po dokončení reaktoru BN-800. Předpokládá se, že jeho výstavba bude daleko jednodušší, protože se využijí zkušenosti získané při předchozí stavbě a infrastruktura i stavební a montážní kapacity budou připraveny. Dokončení se předpokládá v roce 2020. Pokud by se opravdu podařilo prodloužit životnost reaktoru BN-600 o plných patnáct let, mohly by v té době fungovat v Bělojarské jaderné elektrárně tři rychlé reaktory současně. Stavba má velmi silnou podporu vedení regionu, který se nachází těsně za Uralem, je silně průmyslový a představuje i zázemí pro severní těžební oblasti. Nemá však vodní zdroje a palivo pro uhelné zdroje se musí dovážet. Předpokládá se, že reaktor BN-1800 by se stal sériovým a ekonomicky velice atraktivním modelem, který by mohl být i velice výhodným vývozním artiklem. Pokud by šlo vše podle plánu, udrželo by se Rusko v čele využívání energetických rychlých množivých reaktorů při cestě za možností vytvoření uzavřeného palivového cyklu. Obrovský zájem o spolupráci v této oblasti má nejen Japonsko a další asijské velmoci. Pro Rusko by to byl velmi silný trumf pro období, než se vyvinou reaktory čtvrté generace. Získané zkušenosti by pak jistě posílily i jeho pozici při vývoji těchto nových reaktorů.

Řež, 9. 4. 2008

---