Rok 2010 - zlomový pro rychlé reaktory

 

Vladimír Wagner

 

Letošní rok by mohl být klíčový pro rozvoj uplatnění rychlých reaktorů v jaderné energetice. Jedná se o typ reaktorů, které by měly umožnit daleko efektivnější využití uranu. Klasické reaktory využívají téměř výhradně izotop uranu 235, kterého je v přírodním uranu pouze 0,7 %. Zbývající jeho část je izotop uranu 238U. I v klasickém reaktoru dochází záchytem neutronu uranem 238 k jeho přeměně na plutonium 239, které je možné, stejně jako uran 235, použít jako palivo pro jaderné reaktory jak klasické tak i rychlé. Ovšem v rychlém reaktoru je díky vyššímu toku neutronů potřebného k udržení řetězové reakce tato přeměna masivnější a při vhodné konfiguraci tak může rychlý reaktor produkovat více plutonia než potřebuje ke svému provozu. Takový reaktor se označuje jako množivý a lze jej tak využít pro produkci paliva nejen pro sebe ale i pro klasické reaktory. Další výhodou rychlých reaktorů je, že dokáží efektivněji transmutovat a štěpit i další transurany. Dokonce v nich lze částečně transmutovat i část radioaktivních produktů štěpení. Tím by mohly přispět k snížení objemu i nebezpečnosti jaderného odpadu. Podrobněji o rychlých reaktorech a jejich vlastnostech jsem už na Oslovi psal.      

V současnosti se jako energetické reaktory využívají rychlé reaktory jednoho typu. Jedná se o zařízení, která využívají k chlazení aktivní zóny reaktoru tekutý sodík. Takový reaktor je i mezi šesti plánovanými typy jaderných reaktorů IV. generace a patří k těm z nich, které by mohly být uvedeny do provozu jako první. O reaktorech IV. generace jsem psal podrobně zde.   

Pokud chceme využívat jadernou energetiku intenzivně a dlouhodobě, bez rychlých množivých reaktorů se neobejdeme. Je totiž nutné efektivně využívat všechny zásoby uranu a případně i thoria. Proto je tak důležitý pokrok v oblasti vývoje a využití takových reaktorů a zdá se, že rok 2010 by mohl být v této oblasti do určité míry zlomový. V tomto období dochází v různých částech světa k několika důležitým událostem ve vývoji rychlých reaktorů chlazených sodíkem. Dovolil bych si s nimi čtenáře Osla seznámit.  

 

 

Reaktor Phénix skončil svoji činnost v minulém roce.

 

Končí reaktor Phénix

 

Ve Francii byl v říjnu 2009 ukončen po 35 letech provoz rychlého reaktoru Phénix. Zkušenosti s jeho stavbou i provozem jsou však stálé důležitou součástí práce na budoucích reaktorech IV. generace stejného typu. Phénix patřil k prvním prototypům sodíkem chlazeného reaktoru  dosahujícím „průmyslové“ velikosti.

Jde o reaktor bazénového typu. V tomto případě je aktivní zóna ponořena v „bazénu“ vyplněném chladící kapalinou. U klasického reaktoru jde o vodu, v našem případě rychlého reaktoru chlazeného sodíkem o tekutý sodík. Hlavní reaktorová nádoba má průměr 11,8 m a obsahovala okolo 800 t sodíku primárního chladícího okruhu. Ten předával teplo prostřednictvím šesti výměníků třem sekundárním chladícím okruhům, které transportovaly teplo k parogenerátorům.

Aktivní zóna byla sestavena z hexagonálních palivových článků, které obsahovaly palivo MOX. To se připravuje recyklací z vyhořelého paliva a obsahuje plutonium. Reaktor byl postaven tak, aby produkoval 583 MWt tepelné energie a 250 MWe energie elektrické. Ovšem od roku 1993 byl provozován při nižším výkonu 350 MWt a 140 MWe. Byl konstruován tak, aby produkoval o 12 % více plutonia než byla jeho spotřeba. V některých případech se dařilo tuto hodnotu zvýšit až na 16 %.

Reaktor Phénix je produkt velmi ambiciózního francouzského programu rozvoje rychlých reaktorů ze šedesátých let. Detailní projekt byl dokončen v roce 1967 a konstrukční práce byla zahájena v roce 1968. Spuštění reaktoru (dosažení kritického režimu) proběhlo v roce 1973 a jeho standardní provozování začalo v roce 1974. Až do roku 1990 plnil velice dobře své úkoly prototypového energetického rychlého reaktoru. Několik nehod s únikem sodíku, což je jeden z hlavních problémů spojených s tímto typem reaktorů, se podařilo úspěšně překonat a dosáhnout stabilního provozu. Daleko závažnější problémy se objevily na počátku devadesátých let. Jednalo se o nestability v chování aktivní zóny a vyřešení problémů si vyžádalo tři roky. Elektrárna tak znovu začala pracovat v roce 1994. Aby bylo možno prodloužit životnost reaktoru a celé elektrárny, bylo ke konci devadesátých let potřeba provést rozsáhlou rekonstrukci k dosažení zvýšených bezpečnostních standardů. Ta trvala šest let a opětné spuštění proběhlo v roce 2003. V této poslední fázi své činnosti se reaktor zaměřil hlavně na studium transmutace radionuklidů v rychlých reaktorech a studium jejich využití pro produkci plutonia a uzavření palivového cyklu.

Za hlavní úspěchy projektu Phénix lze považovat to, že se podařilo demonstrovat možnost využití rychlého reaktoru jako zdroje elektrické energie v průmyslovém měřítku. Dále také možnosti jeho fungování jako množivého reaktoru. Použité palivové články byly přepracovány a získané transurany se staly součástí nových palivových článků. Podařilo se tak demonstrovat možnost uzavření palivového cyklu pomocí tohoto typu reaktoru a v budoucnu i velmi efektivního využití veškerého uranu. Díky výzkumům po roce 2003 se podařilo ukázat možnosti takového reaktoru při transmutaci transuranů i produktů štěpení.

Řada velmi cenných poznatků bude získána i při likvidaci této jaderné elektrárny. Předpokládá se, že demontáž Phénixu bude trvat zhruba patnáct let. Ověří se tak metody, které se při tomto procesu využívají. Bude možné vybrat ty optimální a zpřesní se tak i naše odhady o ceně ukončení provozu elektrárny s rychlým sodíkovým reaktorem.

 

 

Činnost reaktoru Superphénix byla pozastavena už v roce 1997.

 

Jak už jsem psal, byl projekt Phénix produktem rozvoje jaderné energetiky v šedesátých letech. Byl konstruován zhruba ve stejné době, ve které byl spuštěn i ruský rychlý reaktor BN-350, který až do roku 1999 odsoloval vodu na březích Kaspického moře. O tomto rychlém reaktoru a ještě úspěšnějším ruském rychlém reaktoru BN-600, který stále spolehlivě dodává elektřinu v Bělojarské jaderné elektrárně, jsem už na Oslovi psal. Tyto reaktory měly ještě štěstí, že byly dokončeny a prodělaly své dětské nemoci předtím, než došlo k nárůstu odporu vůči jaderné energetice a k jejímu útlumu.

Jinak dopadl francouzský reaktor Superphénix, který být opravdovou demonstrační elektrárnou využívající rychlého množivého reaktoru v plné velikosti. Její elektrický výkon měl být 1200 MWe a reaktor měl produkovat o 20 % více plutonia než by činila jeho spotřeba. Jeho projektování začalo v podstatě ve stejné době jako začala stavba reaktoru Phénix, tedy v roce 1968. Jeho výstavba se však značně zpozdila. Projekt byl schválen v roce 1972 a stavba probíhala mezi léty 1974 až 1981. První energii dodal v roce 1985. Jeho dostavba a spouštění tak spadlo do období vrcholu aktivity protijaderných zelených hnutí. Takže je provázely velmi intenzivní protestní akce. Stal se dokonce cílem raketových útoků zelených ekoteroristů v době, kdy ještě u něj nebyl úplně dostavěn kontejnment. Navíc se při jeho spouštění projevila řada problémů, které se nedaly u tak velkého a úplně nového projektu vyloučit. Kromě technických problémů, které byly spojeny s korozí a úniky sodíku, se objevila řada problémů s administrativními a soudními obstrukcemi. Elektrárna tak teprve v roce 1996 dosáhla 90 % svého plánovaného výkonu. I pak se však projevovaly různé problémy. Znamenaly vítanou záminku k tomu, aby v roce 1997 Lionel Jospin, poté co se stal premiérem ve vládě s účastí zelených, reaktor uzavřel. Zhruba za jedenáct let své činnosti elektrárna fungovala zhruba 66 měsíců (převážně na nižší výkon a v experimentálním režimu), 25 měsíců stála kvůli technickým problémům a 66 měsíců pak nefungovala kvůli politickým a administrativním důvodům. Dnes se připravuje postupná likvidace reaktoru. Měla by být postupně zahájena v nejbližších letech a bude trvat řádově stejně dlouho jako u reaktoru Phénix.

Dnes můžeme pouze uvažovat o tom, jak daleko bychom byly s vývojem rychlých množivých reaktorů, kdyby se podpora jaderné energetiky v osmdesátých a devadesátých tak radikálně nezměnila. V každém případě se situace kolem jaderné energetiky v současnosti mění. Začínají se opět stavět nové reaktory a v budoucnu se předpokládá její renesance. To přispívá k obnovení aktivit i v oblasti rychlých reaktorů. Zkušenosti získané provozem reaktoru Phénix by měly přispět k postavení moderního francouzského sodíkem chlazeného rychlého množivého reaktoru. Projekt pod názvem ASTRID by měl být zahájen v roce 2012 a jeho dokončení se plánuje v roce 2020. Jedno z poučení, které lze z předchozího vývoje vyvodit, je nutnost přihlížet nejen k bezpečnostním a technickým otázkám, ale i ekonomičnosti a spolehlivosti reaktoru. Reaktor musí být konkurenceschopný ve srovnání s klasickými reaktory. Mělo by se tak jednat o zařízení, které bude technologicky i svými vlastnostmi jinde, než byly reaktory Phénix a Superhénix. Při jejich vývoji je třeba využít moderní materiály i technologie.

 

 

Vzhled staveniště v únoru 2009 (zdroj prezentace AFIKANTOV OKBM).

 

 

Pokračování prací na reaktoru BN-800 v Bělojarské jaderné elektrárně

 

Spíše finanční problémy ovlivnily stavbu ruského reaktoru BN-800, který se s dlouhými přestávkami buduje v Bělojarské elektrárně již od roku 1984. Jeho dostavbu ztěžuje i to, že postupně zastarávající projekt se musel průběžně měnit. To vždy vede k problémům. O projektu jsem se na Oslovi už několikrát zmiňoval. Nyní je v Rusku tento projekt považován za klíčový nejen v rozvoji rychlých reaktorů, ale i pro rozvoj celé ruské jaderné energetiky. I když není úplně bez finančních starostí, jeho výstavba pokračuje nyní docela rychle a je šance, že by současný předpokládaný termín spuštění v roce 2012 mohl být splněn. Jak je vidět z několika obrázků pořízených v průběhu loňského roku, je budování už v pokročilém stádiu. Loňský rok byl ve znamení umístění reaktorové nádoby a její kompletace i testů.  V roce 2010 by měly být dodány téměř všechny hlavní komponenty reaktoru.

Při budování reaktoru BN-800 se využívá značných pozitivní zkušeností získaných z provozu jaderného reaktoru BN-600. Ten pracuje už od roku 1980 a od roku 1983 jeho koeficient využitelnosti přesahuje 70 % (v posledních letech pak dosahuje 78  %). Od roku 1993 se na něm neobjevila žádná nepředvídaná událost, která by vedla k přerušení dodávky elektřiny. Jeho spolehlivá činnost a bezpečný provoz opravňují prodloužení jeho životnosti o dalších patnáct let i naděje, že BN-800 bude stejně kvalitní a úspěšný.

Jeden z podstatných rozdílů mezi reaktorem BN-600 a BN-800 je, že ten novější by měl využívat jako palivo MOX a měl by být efektivnější při spalování plutonia. Jeho důležitým úkolem je tak ověření klíčových technologií pro uzavření palivového cyklu a efektivitu spalování transuranů. Pokud bude reaktor úspěšný, uvažuje se o postavení dalších těchto jednotek, tentokrát už jako „komerčních“ elektráren. Velice intenzivně přebírá ruské zkušenosti při stavbě tohoto reaktoru Čína, která případně plánuje i postavení takové jednotky u sebe. Vlastní čínský program sodíkových rychlých reaktorů popíši podrobněji za chvíli. I při něm využívají čínští odborníci ruské zkušenosti. Pokročilo se již i k projektování pokročilejší, větší jednotky BN-1200, která by se už měla stát opravdovým komerční rychlým reaktorem chlazeným sodíkem.

 

 

Instalace spodní části reaktorové nádoby v březnu 2009 (zdroj prezentace AFRIKANTOV OKBM).

 

Spouští se Čínský experimentální rychlý reaktor

 

Velice intenzivní a ambiciozní program vývoje rychlých reaktorů má Čína. Tam se na rozhraní loňského a letošního roku začal spouštět experimentální rychlý reaktor CEFR (China Experimental Fast Reactor). Takže po devíti letech výstavby dosáhl reaktor kritického stavu a letos se už řádně uvede do provozu. Reaktor je prvním krokem v zavádění rychlých množivých reaktorů v Číně. Reaktor patří k menším, má tepelný výkon 65 MWt a elektrický 25 MWe. Umožní čínským odborníků nashromáždit zkušenosti s potřebnými technologiemi. Jeho výstavba a provozování by mělo přispět k drastickému snížení bezpečnostního a ekonomického rizika při výstavbě velkých demonstračních a komerčních jaderných elektráren s rychlými reaktory, které se připravují. Z toho důvodu jsou koncepce reaktoru a jeho vlastnosti, které nezávisí na velikosti zařízení, stejné jako u plánovaných čínských komerčních reaktorů.

Čína založila svůj projekt na konzultacích s ruskými odborníky a jejich zkušenostech, téměř třicet procent zařízení pochází ze zahraničí (Ruska, Francie, USA a Velké Británie). Reaktor je opět bazénového typu chlazený sodíkem. Primární chladící okruh zahrnuje dvě hlavní pumpy, čtyři výměníky tepla a reaktorovou aktivní zónu. Vše je to umístěno v reaktorové nádobě o průměru osm metrů, obsahující 260 t tekutého sodíku. Sekundární chladící okruh obsahuje také sodík a teprve terciální chladící okruh obsahuje vodu ve stavu přehřáté páry o teplotě 480oC a pod vysokým tlakem 14 MPa. Ta pak pohání turbínu.

Zpočátku se bude jako palivo používat uran ve formě oxidu uraničitého a stupeň obohacení bude 64,4 %. Později však bude reaktor pracovat i s palivem typu MOX, obsahujícím i plutonium 239. Bezpečnost je postavena na pasivních prvcích, které zareagují automaticky, a splňuje požadavky kladené na reaktory IV. generace. 

 

 

První čínský experimentální reaktor nedaleko Pekingu (Zdroj China Institute of Atomic Energy).

 

Čína má v současnosti jedenáct reaktorů s výkonem 8,7 GWe a ve výstavbě je dalších sedmnáct bloků s výkonem 16,2 GWe. V budoucnu však předpokládá velmi intenzivní využívání jaderné energetiky. V roce 2050 by chtěla mít celkový výkon jaderných bloků přesahující 240 GWe. Ač tedy zpočátku plánuje stavět hlavně klasické lehkovodní bloky, v budoucnu by chtěla vytvořit stabilně fungující kombinaci klasických a rychlých reaktorů.

Rozvoj rychlých sodíkových reaktorů by měl probíhat ve třech etapách. První už nastala dokončením experimentálního reaktoru CEFR a druhá se už připravuje ke startu. Předprojektová příprava velkého demonstračního sodíkového reaktoru CDFR (China Demonstration Fast Reactor) o předpokládaném výkonu 600 – 900 MWe už byla v provincii Fujiang zahájena v roce 2007. Jeho spuštění se plánuje v roce 2018. Na jeho základě se pak začne sériová produkce čínských komerčních rychlých reaktorů.

Třetím stupněm by pak měl být velký demonstrační reaktor o výkonu 1000 – 1500 MWe a velkým množivým faktorem. Dokončen by měl být zhruba v roce 2028 a jeho komerční varianta by měla jít do produkce v roce 2035. Právě rychlé reaktory by měly umožnit masivní nahrazení uhelných elektráren a přispět ke zlepšení životního prostředí v Číně. Jak je vidět, je program Číny velmi ambiciózní. Je otázkou, co a kdy se z něho podaří uskutečnit. Ovšem už teď je vidět, že k této oblasti přistupuje Čína velice rozhodně a zodpovědně. Velmi intenzivně využívá mezinárodní spolupráci a zkušenosti z celého světa. Kromě ruských a francouzských rychlých reaktorů je v současnosti intenzivní inspirací Číny dokončovaný moderní rychlý sodíkový reaktor v Indii.

 

 

Začátek umisťování jedné z nejdůležitější částí reaktoru, nádoby, která bude obsahovat aktivní zónu i přes tisíc tun tekutého sodíku (zdroj Bharatiya Nabhikiya Vidyut Nigam Limited)

 

Dokončuje se první demonstrační indický rychlý reaktor

 

O tomto rychlém množivém reaktoru s plánovaným elektrickým výkonem 500 MWe konstruovaném v indickém Kalpakkamu jsem už na Oslovi psal. Pro jeho budování je rok 2010 kritický. V něm by měl být téměř dokončen a v následujícím roce by mělo proběhnout jeho spuštění. Jak už bylo zmíněno, v tomto případě jde také nejen o rychlý reaktor, ale konfigurace zóny by měla zajistit, aby byl i množivý. Indický program vývoje rychlých reaktorů je opět velmi ambiciózní projekt, jehož cíl je podobný tomu čínskému. Indie chce mít v roce 2050 výkon jaderných elektráren zhruba 300 GWe. O jejím třístupňovém plánu rozvoje jaderné energetiky postaveném na zahraničních klasických lehkovodních reaktorech, vlastních reaktorech využívajících těžkou vodu a rychlých sodíkových reaktorech s postupným přechodem na využívání thoria jsem psal v již zmíněném článku.

Při přípravě projektu postupovali indičtí odborníci také velmi zodpovědně. Při projektování sodíkového rychlého reaktoru bylo možné vycházet z podrobných zkušeností v zahraničí. Výkon 500 MWe má i třicet tepelných elektráren, které indičtí odborníci postavili, takže systém převodu tepla na elektrickou energii je v tomto případě velmi dobře a spolehlivě otestován. V současnosti je sedmnáct budov elektrárny ve vysokém stupni rozestavěnosti, komponenty pro přeměnu tepelné energie na elektrickou jsou už také vyrobeny. Na místě je už i reaktorová nádoba a sodík už je taky v nádržích v místě budované elektrárny. Také další důležité komponenty vnitřního a bezpečnostního vybavení jsou už na místě. V minulém roce tak už byla do dříve osazené bezpečnostní nádoby vložena vnitřní nádoba. Ta má průměr i výšku 12,5 m a je srdcem celého reaktoru. Kromě 1150 t tekutého sodíku bude obsahovat i aktivní zónu, primární pumpy a výměníky tepla a také bezpečnostní struktury. Část z těchto prvků už byla instalována. Zdá se že úplnému dokončení a spuštění v příštím roce by nemělo stát nic v cestě.

 

 

Další průběh umisťování  nádoby 5. prosince 2009 (zdroj Bharatiya Nabhikiya Vidyut Nigam Limited)

 

Důležitou součástí palivového cyklu s využitím rychlých množivých reaktoru je i nutnost přepracování vyhořelého paliva. Na základě malé přepracovácí jednotky, která otestovala přepracování vyhořelého paliva z malého indického experimentálního rychlého reaktoru, se buduje velký demonstrační přepracovací závod, který by měl být dokončen právě v roce 2010. Ten by měl testovat zpracování  paliva získaného z budovaného rychlého množivého reaktoru. V budoucnu se na základě získaných zkušeností budou budovat zařízení na přepracování paliva u každého rychlého reaktoru, aby se omezila doprava jaderného materiálu.

V blízké budoucnosti se plánuje budování šesti komerčních sodíkových rychlých reaktorů stejného typu jako je zmíněný dokončovaný. Budou se stavět ve dvojicích a měly by mít vlastnosti vylepšené na základě získaných zkušeností. Na tyto reaktory by měl po roce 2020 navázat vývoj sodíkových reaktorů s elektrickým výkonem 1000 MWe, využívajících palivo v kovovém stavu. To umožňuje vyšší množivý faktor a tyto reaktory by tak měly umožnit produkovat až o 45 % více paliva než je jejich spotřeba. Na testech tohoto typu paliva se už pracuje.

Jak je vidět, dostaly se Čína a Indie do čela technologického vývoje v této oblasti. Je to dáno tím, že to jsou státy, které eminentně potřebují rozšířit své zdroje energie, aby podpořily svůj rychle se rozvíjející průmysl a růst životní úrovně svého obyvatelstva. Obě země začínají v řadě technologických oborů dohánět rozvinuté státy a v některých je začínají i předbíhat.

 

 

Závěru umisťování  nádoby 5. prosince 2009, nádoba se zasouvá do již zapuštěné bezpečnostní nádobě umístěné už dříve. Dobře jsou vidět i bezpečnostní struktury a části do kterých bude zapuštěná aktivní zóna uvnitř nádoby (zdroj Bharatiya Nabhikiya Vidyut Nigam Limited)

 

 

Opětné spuštění reaktoru v japonském Monju

 

O japonské jaderné energetice a experimentálním rychlém sodíkovém reaktoru v japonském Monju jsem už také na Oslovi psal. Rok 2010 bude kritický i pro tento reaktor. V minulém roce se opětné spuštění kvůli nalezení děr v pomocné budově reaktoru a dalším bezpečnostním zkouškám neuskutečnilo. Reaktor by tak měl být spuštěn letos nejpozději do konce března. Snad už se jej konečně po řadě let podaří znovu rozběhnout.

 

 

Japonský rychlý reaktor v Monju, který by měl být znovu spuštěn v tomto roce.

 

Závěr

 

Je vidět, že v tomto roce a několika následujících by se mohlo ukázat, zda lidstvo konečně vstoupí do éry využívání rychlých množivých reaktorů. Měly by být spuštěny tři rychlé sodíkové reaktory (v indickém Kalpakkamu, v japonském Monju a BN-800 v Rusku) a začít by měla stavba reaktoru ASTRID ve Francii, dalších reaktorů v Indii a demonstračního reaktoru v Číně. Stavba a provozování rychlého sodíkového reaktoru je pořád ještě velmi náročnou záležitostí. Provozování reaktoru BN-600 i reaktoru Phénix však ukázalo, že je možné se s tím úspěšně vypořádat. Přesto nelze u nově spouštěných reaktorů vyloučit na počátku potíže. Pokud se podaří rozpracované projekty dokončit a uvést do provozu, mohlo by to umožnit v následujících dvou desetiletí přechod od experimentálních a demonstračních jednotek ke komerčním rychlým reaktorům chlazených sodíkem. Tento reaktor je také tím typem reaktoru IV. generace, který bude pravděpodobně zaveden do běžného provozu jako první. Je jasné, že v dalším období bude stále intenzivnější přechod od vyřešených bezpečnostních a technologických aspektů k otázkám ekonomie a stability provozu. Úkolem je demonstrovat možnost přechodu jaderné energetiky na využití veškerých zásob uranu a thoria a zajištění dostatku paliva pro jadernou energetiku na tisíciletí. Důležitost této oblasti v současné době vedla k tomu, že prosincovém čísle časopisu „Nuclear Engineering International“ byly hned tři články věnované rychlým reaktorům chlazeným sodíkem A to právě o vývoji v Číně, Indii a výsledcích reaktoru Phénix. Část informací pro svůj příspěvek pro Osla jsem čerpal i odtud.  

 

 

V Řeži 11. 2. 2010

 

Zpet