Jaderné reaktory IV. generace
využívající roztavené soli
Vladimír Wagner
ÚJF AVČR Řež a FJFI ČVUT Praha
Jaderné
reaktory využívající roztavené fluoridové soli jsou velmi zajímavým navrhovaným
typem reaktorů IV. generace. Mohly by přispět k velmi efektivnímu využití
a transmutaci vyhořelého jaderného paliva z klasických reaktorů. Tím by se
dosáhlo velmi výrazného snížení množství a nebezpečnosti radioaktivního odpadu
z jaderné energetiky.
Příští týden budou mít obhajoby naši dva diplomanti. O
práci Jitky Vrzalové, která zkoumá pravděpodobnosti různých reakcí neutronů
pomocí jejich monoenergetických zdrojů v našem ústavu v Řeži a
laboratoři TSL Uppsala, jsem už na Oslovi psal.
V dnešním příspěvku bych se chtěl zaměřit na téma, kterému se ve své
diplomce věnoval Martin Suchopár. Týkalo se
výzkumů spojených s jedním z typů reaktorů IV. generace. Jedná
se o reaktor, který využívá k chlazení i jako nosiče rozpuštěného paliva
roztavené soli. Přehled základních cílů, které si klade vývoj reaktorů IV.
generace, přehled jejich typů a základní vlastnosti už byly na Oslovi shrnuty.
Nyní si tak podrobněji popíšeme jeden z plánované šestice typů reaktorů
této nové generace. Nejdříve se však podíváme na vlastnosti solí, které se mají
využívat. Hlavně z hlediska jejich výhodnosti právě pro tuto oblast
použití.
Vlastnosti příslušných solí
V případech, kdy se plánuje využití solí jako
rozpouštědla pro palivo, jde výhradně o fluoridy. Jestliže budeme mít reaktor,
který bude roztavené soli používat jako chladivo u reaktoru s pevným
palivem, lze místo fluoridů využít i chloridy nebo dusičnany. Ve všech
případech jde o směs různých solí. Při využívání fluoridů mohou být složkami
těchto solných směsí fluorid lithný (LiF), fluorid berylnatý (BeF2),
fluorid sodný (NaF), fluorid draselný (KF) nebo fluorid rubidný (RbF).
V případě jejich použití ve směsi s rozpuštěným palivem je složkou i
vhodný fluorid thoria, uranu či transuranů. V případě využití chloridů se
může jednat o chlorid lithný (LiCl), chlorid sodný (NaCl), chlorid draselný
(KCl) či chlorid hořečnatý (MgCl2).
Hlavní výhodou využití solí jako chladiva je
jejich velmi vysoká objemová tepelná kapacita, která vyjadřuje to, kolik tepla
pojme jednotkový objem dané hmoty při zvýšení její teploty o jeden stupeň. U
solí může být větší než u vody. Například pro směs LiF-BeF2-ThF4 je 4540 kJm-3K-1
zatímco u vody v superkritické fázi (při velmi vysokém tlaku a teplotě),
která se má v jednom z typů reaktorů IV. generace využívat, je pouze
4070 kJm-3K-1. Sodík, využívaný v rychlých
reaktorech chlazených sodíkem, má objemovou tepelnou kapacitu pouze 1120 kJm-3K-1.
Pro plyny i za velmi vysokých tlaků jsou hodnoty této fyzikální veličiny pouze
v řádu desítek kilojoulů na metr
krychlový a kelvin. Soli tak
umožňují odvádět teplo z aktivní zóny reaktoru velice efektivně.
Druhou důležitou vlastností
je jejich vysoká teplota varu. Ta u směsi uvedené před chvíli přesahuje 1430 oC
(přesná hodnota závisí na poměru jednotlivých složek). U sodíku je to pouze 883
oC. To umožňuje práci reaktoru v režimu okolo 1000 oC,
která je velmi výhodná například pro efektivní produkci vodíku a další využití
produkovaného tepla v průmyslových aplikacích.

Horní část testovací linky pro zkoumání
fluoridových solí FERDA v Ústavu jaderného výzkumu a.s. (Zdroj: J.Uhlíř et
al: Current status of Czech R&D program in partitioning and transmutation)
Další důležitou vlastností
je, že kapalné soli mohou být i při vysoké teplotě stejně jako sodík za
normálního tlaku. Teplota tavení je podle konkrétního složení solí mezi 300 oC
a 500 oC. Je třeba říci, že zmíněné rozmezí splňují pouze alespoň
dvojsložkové soli. Jednosložkové soli mají teploty tání mnohem vyšší. Přidáním
druhé složky se dá teplota tání snížit až o 500 stupňů. Přidání vhodné třetí
složky umožňuje další snížení, ale jen malé, tak o 50 stupňů. Pokud se tak
používají třísložkové soli, je to hlavně z jiných důvodů. Nízká teplota
tuhnutí je třeba k bezpečnému udržení soli v roztaveném stavu.
U navrhovaných solí se také
vyžadují vhodné neutronické vlastnosti. Jde hlavně o to, aby atomová jádra,
která je tvoří měla nízké pravděpodobnosti pro záchyt tepelných neutronů. Pokud
by tak tomu nebylo, vyžíraly by soli neutrony, které potřebujeme pro štěpení
uranu, plutonia či dalších transuranů To je důležité zvláště u lithia, které se
v přírodě vyskytuje ve formě dvou stabilních izotopů. Lithium šest,
kterého je v přírodním lithiu 7,5 %, má pravděpodobnost záchytu tepelného
neutronu tisíckrát větší než lithium sedm nebo jiné prvky, které se ve
zmiňovaných solích používají. Proto se v solích, které obsahují lithium,
musí používat vysoce obohacené lithium, které má více než 99,9 % izotopu lithia
sedm. Důležitá je také radiační stabilita, tedy že radioaktivní záření
způsobuje co nejméně reakcí, které by měnilo složení solí a vytvářelo
radioaktivní prvky. Nejproblematičtější je situace, kdy vznikají plynné radioaktivní prvky.
Je třeba také znát chemické
reakce, které probíhají mezi solemi ohřátými na velmi vysoké teploty a různými
materiály, které lze použít při výstavbě systémů, ve kterých soli cirkulují.
Důležitou součástí výzkumu v této oblasti je hledání různých materiálů a
zvláště slitin, které odolají hlavně fluoridovým solím.

Vývoj a testování reaktoru založeného na
roztavených solích probíhalo v padesátých a šedesátých letech ORNL
(Oak Ridge National Laboratory) v USA. Testovaný reaktor používal soli
obsahující fluoridy sodíku a zirkonia, jeho pracovní teplota byla 882 oC
a tepelný výkon 2,5 MW. (Zdroj prezentace Charlese Forsberga)
Reaktory využívající roztavené soli
Tento typ reaktoru, jehož anglické označení je MSR
(Molten Salt Reactor), může v principu pracovat jak jako rychlý tak i
klasický reaktor. Nebo i něco mezi tím s využitím tzv. epitermálních
neutronů. Jako palivo i chladivo by sloužily zmíněné roztavené soli.
Představuje ve skutečnosti řadu různých potenciálních řešení, které se liší
v použitém palivu, chladivu i energetickém spektru používaných neutronů.
V klasické variantě by bylo palivo rozpuštěno v solích ve formě fluoridu
uraničitého (UF4) nebo fluoridu thoričitého (ThF4). Jako
sůl by se používala směs LiF a BeF2, která je výhodná i z toho
důvodu, že se v nich fluorid uraničitý i fluorid thoričitý výborně
rozpouštějí. V případě spalování transuranů se budou využívat trifluoridy, například
fluorid plutonitý (PuF3). Ty se nejlépe rozpouštějí v solích
obsahujících fluorid lithný a fluorid sodný.
V jakém režimu bude
daný reaktor pracovat, závisí na jeho konkrétní konstrukci. Uvažují se varianty
klasické s moderací (zpomalováním) neutronů až do tepelné oblasti i
varianty s mírnou moderací do již zmiňované oblasti energie neutronů,
která se označuje jako epitermální nebo rezonanční. Možné jsou i variante bez
moderace pracující v podobě rychlého reaktoru pro spalování plutonia a
transuranů. Pokud se bude jednat o množivý reaktor zaměřený na využití thoria,
využívají se opět moderované neutrony a jde o typ reaktoru, který má pro
uskutečnění samostatného thoriového cyklu dostatečný koeficient množení.
Základní schéma reaktoru založeného
na tekutých solích je složeno z primárního okruhu, kde cirkuluje sůl
obsahující palivo. Jeho část, která tvoří aktivní zónu a je v ní vždy
většina cirkulujícího media, obsahuje v případě reaktoru využívajícího
tepelné neutrony grafit jako moderátor. Důležité jsou také kontrolní tyče,
které absorbují neutrony a mohou se nořit dovnitř nebo vysunovat ven
z aktivní zóny. Primární okruh obsahuje i přepracovací jednotku, která
umožňuje odstraňovat produkty štěpení nebo v případě množivého reaktoru
produkované palivo. Teplo z primárního okruhu se přes výměník předává do
sekundárního okruhu, kde jsou už soli určené pouze pro chlazeni (v daném
případě přesněji řečeno pro přenos tepla od radioaktivního primárního okruhu
k zařízení, které bude teplo využívat. Když nám jde o výrobu elektrické
energie, předá se přes tepelný výměník teplo ze sekundárního do terciálního
okruhu, který obsahuje třeba vodu a vyrobená pára pak pohání turbínu. Je možné
také teplo ze sekundárního okruhu využít jiným způsobem.
Problémem je, že, ač
možnosti reaktorů s roztavenými solemi se uvažují již dlouho, existují,
kromě experimentálních testů v padesátých a šedesátých letech minulého
století, zatím pouze na papíře. Jedná se
pravděpodobně o nejnáročnější typy reaktorů generace IV. Ač tedy slibují
řadu výhod, cesta k funkčnímu ekonomickém modelu bude ještě velmi náročná
a dlouhá.

Schéma reaktoru IV. generace postavený
na využití roztavených solí.
Výhody a
problémy těchto reaktorů
Velmi důležitá je u nich možnost průběžné separace
štěpných produktů, transuranů a v množivém režimu izotopů, které lze
využít jako palivo v klasických reaktorech. V případě reaktoru, který
pracuje v režimu thoriového cyklu jako množivý, lze podmínky nastavit tak,
aby byl množivý koeficient dostatečný pro soběstačný provoz energetiky
postavené pouze na thoriu. V tomto případě vzniká záchytem neutronu
thorium 233, které se rychle přeměňuje
na protaktinium 233. Poločas přeměny tohoto izotopu na uran 233, který
se dá využít jako palivo, je okolo měsíce. Pokud jej necháme v aktivní
zóně reaktoru, tak se může přeměnit na protaktinium 234, které se přeměňuje na
uran 234. Ten se jako palivo využít nedá, takže je výhodné protaktinium 233
z reaktoru odebrat a vložit do něj až vzniklý uran
Reaktor založený na
roztavených solích umožňuje i velmi intenzivní vyhoření transuranů
z vyhořelého paliva klasických reaktorů. Je možné během přepracování
odstraňovat hlavně ty štěpné produkty, které by absorbovaly neutrony a
zhoršovaly podmínky v aktivní zóně reaktoru.
Z bezpečnostního hlediska
je výhodou i jednoduchost aktivní zóny. Takový reaktor může splňovat podmínky
pasivní bezpečnosti. Má záporný koeficient reaktivity, což znamená, že při
růstu výkonu (teploty) klesá počet štěpení a systém se stává podkritickým.
To, že je koncepce reaktorů
využívajících tekuté soli tak výrazně odlišná, přináší pochopitelně i problémy.
Palivo není fixováno v pevné struktuře, ale cirkuluje rozpuštěné
v tekutém stavu. V principu by sice reaktory založené na tekutých
solích mohly být i bezpečnější než reaktory s palivem v pevné fázi.
Ovšem současné normy jsou vytvořeny na klasické typy reaktorů a i v této
oblasti by bylo potřeba provést dost radikální změny. Nevýhodou může být i
průběžná separace, která může vést ke zneužití separovaných materiálů ke konstrukci
jaderné bomby. I s tím je třeba počítat při jejich konstrukci a tuto
možnost co nejvíce ztížit.


Schéma okruhů elektrárny, jak primární,
tak sekundární okruh využívají fluoridové soli) a řez modulárním reaktorem PB-AHTR.
(Zdroj P. R. Peterson, University of California, Berkeley)
Vysokoteplotní
reaktory s chladivem ve formě tekutých solí
Tekuté soli umožňují pracovat s velmi vysokými
teplotami s kapalinou za normálního tlaku. Proto je velmi výhodné je
použít jako chladivo u jaderných reaktorů pracujících při velmi vysokých
teplotách (Very High Temperature Reactor – VHTR). Palivo je v tomto
případě v pevné fázi. Tyto reaktory by mohly sloužit pro velmi efektivní
produkci vodíku. Jedním se zajímavých typů je pokročilý vysokoteplotní reaktor
s kulovým ložem (Pebble Bed Advanced High Temperature Reactor –
PB-AHTR). Reaktor využívá jako palivo uran obohacený na 10 %, jako chladivo
roztavené fluoridové soli a jako moderátor grafit. Jeho současný návrh má
modulární konstrukci. Aktivní zóna je složen ze sedmi hexagonálních grafitových
bloků. V každém z nich je devatenáct kanálů o průměru
Palivové koule mají vnější
průměr
Palivové koule jsou
vkládány v dolní části každého kanálu a v jednom kanálu je jich
celkově zhruba půl miliónu. V solném kanálu postupně stoupají nahoru, kde
jsou odebírány. Pomocí aktivity radioaktivního cesia 137, které vzniká ve
štěpení, se testuje stupeň jejich vyhoření. A pak se buď znovu vracejí do
kanálu v aktivní zóně nebo se vyřazují.
Popsaný typ reaktoru by
umožňoval daleko intenzivnější vyhoření jaderného paliva. Na druhé straně by to
však bylo vykoupeno daleko problematičtějším zpracování při využití vyhořelého
jaderného paliva při případném jeho budoucím využití.

Řez palivovou koulí
modulárního reaktoru PB-AHTR a palivovou částicí TRISO (Zdroj
P. F. Peterson, University of
California, Berkeley)
Je třeba připomenout, že
lithium v soli, používané jako chladivo, musí být téměř čistý izotop
lithia sedm, aby nedocházelo ke ztrátě tepelných neutronů, které jsou hlavním
zdrojem štěpení jaderného paliva. Pokud by se použilo přírodní lithium, docházelo
by v místech solných kanálů, kde jsou zároveň grafitové koule
s palivem uvnitř, k velmi intenzivnímu pohlcování tepelných neutronů
a k intenzivnímu poklesu počtu štěpení. A to tak intenzivnímu, že reaktor
s přírodním lithiem by nemohl fungovat.
Testy modulů s kanály
tohoto reaktoru se dají provádět při jejich vložení do aktivní zóny některého
z výzkumných reaktorů. Simulace, které popisují chování takového
testovacího modulu byly jednou z částí diplomové práce Martina Suchopára. Na
ukázku je zde předvedeno srovnání příčného řezu rozložení tepelných neutronů
v takovém modulu. A to jak v případě použití soli s čistým
lithiem sedm tak v případě použití přírodního lithia. V prvním
případě (napravo) dostaneme v centrální oblasti intenzivní homogenní pole
tepelných neutronů (červená barva) a v druhém (nalevo), jsou
v místech solných kanálů neutrony velmi intenzivně potlačeny (modrá
barva).

Simulace rozložení tepelných neutronů
modulu s palivovými koulemi chlazeného tekutými solemi umístěného
v klasickém reaktoru pomocí programu MCNPX. Vpravo je situace při použití
lithia sedm – červená barva ukazuje, kde je vysoká intenzita tepelných
neutronů. Vlevo je situace při použití přírodního lithia, které tepelné
neutrony totálně vychytá, takže je v místech solných kanálů jejich
intenzita velmi nízká – modrá barva. (Zdroj: diplomová práce M. Suchopára)
Výzkum
komponent „solných reaktorů“ v Česku.
Důležitou součástí výzkumů spojených
s popisovanými typy reaktorů jsou právě studia vlastností různých typů
solí a jejich směsí. A právě velké zkušenosti s chemií roztavených solí
jsou právě v Česku. V Ústavu jaderného výzkumu a.s. v Řeži (ÚJV a.s.)
je jaderně chemická skupina pod vedením kolegy Jana Uhlíře, která se do
mezinárodního výzkumu na těchto typech reaktorů intenzivně zapojuje. Díky tomu
se v tomto ústavu daří provádět řada velice zajímavých studií chemických
vlastností těchto solí, které by v budoucnu pomohly najít jejich
nejvhodnější složení a průběh separací různých izotopů při provozu reaktorů
s tekutými solemi.
Podstatnou skutečností,
která výzkumům v této oblasti pomáhá, jsou české podniky, které dokáží
vyrobit niklové slitiny se specifickými příměsemi odolávající korozním
účinkům velmi horkých fluoridových solí i intenzivnímu neutronovému poli. Českým
ekvivalentem vhodného materiálu Hastelloy je materiál MoNiCr. Jedním
z podniků, který s ním pracuje a podílel se i na jejich vývoji je i
ŠKODA JS a.s. a ŠKODA výzkum s.r.o. Je tak možnost využívat zmíněný materiál
při budování testovacích smyček, které zkoumají jak vlastnosti tekutých solí,
tak vlastností jednotlivých komponent budoucího solného reaktoru.

Modul se solným kanálem BLANKA umístěný
v reaktoru LVR-15 v ÚJV a.s. (Zdroj J. Uhlíř: Current Status of Czech
R&D Program in Partitioning and Transmutation)
V Česku jsou také
výzkumné reaktory, ať už se jedná o reaktor s velmi nízkým výkonem LR-
Příprava
experimentů se solemi s obohaceným lithiem
Právě díky velkým zkušenostem s výzkumem
vlastností tekutých fluoridových solí v ÚJV a.s., a to v mezinárodním
měřítku, se objevila nabídka z USA (laboratoř LANL) na poskytnutí
relativně velkého množství vysoce obohaceného lithia. Jak jsme se zmínili
v předchozích částech, absorbuje lithium šest velmi intenzivně tepelné
neutrony. A v reaktorech využívajících fluoridové soli s lithiem musí
být co nejčistší lithium sedm. Ovšem získat velmi vysoké obohacení lithia je
náročné a tento materiál je tak velmi drahý a těžko sehnatelný. Pokud by se
uvedená nabídka uskutečnila a americké letadlo Hercules by sud
s obohaceným lithiem do Česka přepravil, byl by to další velmi významný
impuls pro výzkum reaktorů založených na roztavených solích u nás.

Solný kanál umisťovaný v reaktoru
LR-0 v ÚJV a.s. v Řeži.
A právě přípravě jednoho z dalších experimentů, který má testovat
blok s kanálem obsahujícím fluoridové soli (kombinaci fluoridu lithného a
fluoridu sodného nebo fluoridu lithného a fluoridu berylnatého) vložený do
aktivní zóny reaktoru LR-0, se v druhé části své diplomové práce věnoval
náš diplomant Martin Suchopár. Tentokrát by soli měly být připraveny
s využitím zmíněného velmi čistého lithia sedm. Ve své práci vychází ze
zkušeností a výsledků předchozích experimentů kolegů z ÚJV a.s., které
byly provedeny s přírodním lithiem. Pomocí programu MCNPX, který umožňuje
simulovat produkci a transport neutronů i dalších částic v různých
jaderných zařízeních, simuloval chování modulu se solným kanálem podobného těm,
které se testovaly na reaktoru LR-0 v předchozím období.
Simuloval rozložení
neutronů v sestavě a jejich energie. Pro zajímavost uvádím opět příčný řez
sestavou solného kanálu obklopeného šesticí palivových souborů. Jde zase o
srovnání situace při použití přírodního lithia a čistého lithia sedm.
V obou případech jsou tepelné neutrony pohlcovány v palivových
souborech (světle modrá barva), kde způsobují štěpení uranu 235. V případě
využití přírodního lithia pak extrémně intenzivně v solném kanále (obrázek
nalevo) právě lithiem šest.
Dalším úkolem bylo hledání
nejvhodnějších materiálů aktivačních detektorů, které by se použily pro měření
rozložení neutronů s různými energiemi. Aktivační detektory jsou vlastně
malé fólie z čistých monoizotopických materiálů. Ty se vloží do místa, kde
chceme změřit tok neutronů. Při průchodu těmito foliemi produkují neutrony
v reakcích z jádry radioaktivní izotopy. Ty se po vyjmutí
identifikují pomocí charakteristického záření gama, které vyzařují během svého
rozpadu. Protože známe hmotnost fólie, můžeme určit z intenzity záření
gama intenzitu neutronového toku. Pravděpodobnost produkce daného radioizotopu
závisí na energii neutronů. Právě v oblasti nízkých energií dochází
k jejich velmi dramatickým změnám. Na relativně velmi úzkém energetickém
intervalu dostáváme rezonance, ve kterých pravděpodobnost reakcí neutronů
narůstá o mnoho řádů. Navíc pro různé konkrétní reakce neutronů (materiály)
jsou tyto rezonance v jiných oblastech energií. Díky simulacím bylo možno
vybrat materiály aktivačních detektorů, z nichž každý prozkoumává jiné
oblasti energií neutronů. A to ty, mezi kterými dochází
k nejdramatičtějším změnám množství neutronů s energií i velkým
rozdílům v jejich počtech v různých místech sestavy. Sestavil se také
nejvhodnější rozvrh měření záření gama fólií.
Úkolem diplomové práce
nebylo samotné provedení experimentu, pouze jeho příprava. Přesto jsme doufali,
že třeba už v současné době budou probíhat reálná měření. Bohužel však
převoz obohaceného lithia ze Spojených států do Česka se zdržel. Problém je,
pokud jsem dobře informován, že tento materiál je považován za strategický a
podle amerických pravidel by neměl být předán do organizace, která není pod
kontrolu státu. A ÚJV a.s. není státní organizace. Snad se však podaří všechny
formální překážky překonat a budeme moci v tomto zajímavém a perspektivním
výzkumu pokročit dále.

Simulace
rozložení tepelných neutronů v sestavě solného kanálu obklopeného
palivovými bloky umístěného ve výzkumném reaktoru LR-0 pomocí programu MCNPX.
Vpravo je situace při použití lithia sedm – k pohlcování neutronů dochází
hlavně v palivových článcích. Vlevo je situace při použití přírodního
lithia, kdy tepelné neutrony totálně vychytává solný kanál – tmavě modrá barva.
(Zdroj: diplomová práce M. Suchopára)
Závěr
Problematika spojená s reaktory IV. generace je
velmi perspektivní. Začátkem roku jsme s kolegy Radkem Škodou z FJFI
ČVUT a už zmiňovaným Janem Uhlířem měli povídání právě o nich v pořadu
Milenium (25.1.2010). Podrobněji se zde zmínily i reaktory založených na
tekutých solích. Tyto, z mnoha hledisek velice zajímavé, reaktory sice
nebudou prvními reaktory IV. generace uvedenými do praxe, ale mohly by se stát
velice účinným prostředkem pro snížení množství a nebezpečnosti radioaktivního
odpadu z jaderné energetiky. Právě proto, že nepatří k těm, které
jsou nejblíže praktickému využití, není na ně zaměřená taková pozornost. I to
je důvod, proč se českým vědcům a technikům podařilo získat velmi významnou
pozici při jejich vývoji a díky tomu je z americké strany intenzivní zájem
o spolupráci.
Zároveň je tato oblast i
velice pěkným příkladem efektivní spolupráce vysokých škol, akademických,
rezortních výzkumných organizací i průmyslových podniků. Samotná Česká
republika nemůže vyvinout nové reaktory, ovšem aktivní podíl na jejich vývoji
umožňuje udržet schopnosti našeho průmyslu se podílet na výrobě jejich
komponent. Připomeňme třeba podíl českých podniků na dodávkách pro nově stavěný
reaktorový blok EPR v Olkiluoto ve Finsku. Při vývoji reaktorů
využívajících roztavené soli se zavede a najde řada nových technologií a poznatků. Zatím sice nevíme,
kdy a do jaké míry se reaktory s tekutými solemi budou využívat. Znalosti
získané při jejich vývoji však budou mít využití i u jiných reaktorů a dalších
jaderných i obecně průmyslových aplikací. Dalším důležitým kladem je i to, že
nastupující technická generace si prostřednictvím výzkumu v této oblasti
sáhne na moderní jaderné a jaderně chemické technologie a jejich vývoj.
V Řeži 10.6.2010