Narůstající tlak klimatické politiky a opozice vůči fosilním palivům vede k tomu, že je v USA i v dalších zemích stále atraktivnější jaderná energetika. Ta má ale zároveň své vlastní problémy. V současné době už není moc velká poptávka po tradičních mohutných vodou chlazených reaktorech, které převládly v USA v padesátých letech, a které známe i od nás.
Američtí provozovatelé jaderných elektráren, jako je společnost Tennessee Valley Authority (TVA), zodpovídající za významnou část produkce americké jaderné elektřiny, proto flirtují s pokročilými a nekonvenčními designy jaderných elektráren. Takovým designem je i Hermes, reaktor s oblázkovým ložem (pebble-bed reactor), chlazený tavenou solí od Kairos Power. TVA a Kairos spojili své síly a postaví demonstrační reaktor Hermes v areálu East Tennessee Technology Park (ETTP), v Oak Ridge, Tennessee.
V konvenčním reaktoru jsou pelety s palivem v podobě obohaceného uranu či plutonia uloženy v palivových tyčích, které uspořádané společně s řídícími tyčemi v jádru reaktoru, zalitém vodou. Palivové tyče jsou tak blízko sebe, že to spouští štěpnou reakci, voda brzdí neutrony a podílí se na udržování štěpné reakce a řídící tyče umožňují reakci držet při zemi a zabraňují tavení reaktoru.
Oblázkové reaktory vypadají jinak. Tyče jsou nahrazeny koulemi o velikosti tenisových míčků, tedy „oblázky“. Tyto míčky tvoří vrstvy jaderného paliva a grafitu, zabudované do keramického materiálu. Do reaktoru se vloží tisíce těchto míčků, a následně tam probíhá štěpná reakce, která se udržuje bez řídících tyčí. Ve většině konceptů oblázkových reaktorů je jádro reaktoru chlazené bezpečným plynem, jako je helium, dusík nebo oxid uhličitý. Původní design oblázkového reaktoru vznikl těsně po 2. světové válce. Nepodařilo se ale překonat všechny překážky a vznikly pouze experimentální oblázkové reaktory nebo prototypy. Nikdy se neobjevila provozuschopná „oblázková“ elektrárna.
Hermes společnosti Kairos představuje pokročilý design oblázkového reaktoru. Namísto plynu využívá chlazení tavenými fluoridovými solemi. Na rozdíl od vody, která se při 100 °C najednou změní v páru a dělá problémy, nabízejí fluoridové soli velký rozsah provozních teplot mezi táním a varem, tedy přes 1 000 °C. Díky tomu tavené fluoridové soli poskytují přenos ohromného množství tepla při rozumném tlaku. Tyto soli jsou rovněž chemicky stálé, nepotřebují při provozu rozsáhlé a drahé bezpečnostní struktury a jádro by zůstalo chladné i při selhání reaktoru. Až bude Hermes v provozu, tak by měl mít výkon 140 MWe, při provozní teplotě 585 °C a s využitím oblázků s palivem obohaceným na 19,75 procent.
Video: KP-FHR: Kairos Power Fluoride Salt-Cooled High-Temperature Reactor Update by Mark Peres @ ORNL MSRW
Literatura
Jaderný minireaktor velikosti pivního sudu bude mít 3D tištěné "jádro"
Autor: Stanislav Mihulka (17.05.2020)
Radioaktivní „bonbony“ zajistí bezpečnost nové generace jaderných reaktorů
Autor: Stanislav Mihulka (03.07.2020)
Nové thoriové jaderné palivo ANEEL podpoří renesanci jaderné energie
Autor: Stanislav Mihulka (28.09.2020)
Diskuze:
Pár upřesnění
Vladimír Wagner,2021-05-11 23:27:08
Pro tento typ reaktorů se v češtině zavedlo označení "reaktory s kulovým ložem". Palivo je tedy kulového tvaru a mluvíme o koulích, ne o oblázcích. Jak je v článku zmíněno, jde o vysokoteplotní reaktory a často se předpokládá jejich chlazení plynem (často heliem). Tohoto typu je i dokončovaný čínský malý modulární reaktor HTR-PM, který by měl být letos uveden do provozu. Řešení řízení reaktivity i u těchto reaktorů může být různorodější, takže i zde se mohou využívat absorpční tyče nebo jiné typy absorbéru. Odvod tepla je na pasivních principech a a palivo má vysokou tepelnou odolnost s tím, že právě ty pasivní procesy nedovolí hraniční teploty překročit. Nejen u v článku zmíněném projektu se uvažuje o využití tekutých solí při chlazení místo plynu.
Jinak vysokoteplotní reaktory se hodně uvažují pro produkci průmyslového tepla pro procesy, kdy je vysoká teplota potřeba, a pro efektivní produkci vodíku.
O stavu prací na čínském malém modulárním reaktoru s kulovým ložem je podrobněji zde:
https://www.osel.cz/11557-pokrok-v-oblasti-malych-modularnich-reaktoru-v-roce-2020.html
a
https://www.osel.cz/11541-jaderna-energetika-v-roce-2020.html
nejak divne
Zdeno Janecek,2021-05-11 15:02:36
a kde se ztrati to teplo pri selhani reaktoru, teda napriklad pri zruseni odberu tepla ?
Re: nejak divne
Pavel Nedbal,2021-05-11 15:18:41
Ano, jak řekl kolega, co s tím teplem při náhlé ztrátě chlazení? Kam s ním?
A navíc: 1) stejně se musí výkon reaktoru nějak řídit, místo řídicích tyčí je co?
2) vysoké obohacení, skoro na 20%, drahé a taky lákající ke krádeži,
3) proč je tam navíc mezistupňový (intermediate) výměník?
4) koule z vnitřku se štěpí rychleji, u standardního reaktoru se řeší přesuny tyčí zvenku dovnitř, tady s tím zatřepají? :)
5) když už to dává vysokou teplotu, aspoň generovat vysoce nadkritickou páru, nebo další možnosti s vysokoteplotním teplem.
6) jak takové palivo recyklovat/přepracovávat?
Re: Re: nejak divne
Ladislav Šeps,2021-05-11 18:30:57
Taky mě to zajímalo tak jsem si to našel:
Ty palivové koule jsou udělané tak, že se zvyšující se teplotou klesá množství štěpení a výkon reaktoru.
Takže ve stavu kdy se neodebírá teplo jede reaktor v rovnováze s minimálním výkonem, který jenom udržuje jeho teplotu (1600+ °C ). A to pasivně bez řídíciho systému. (proto by měli tyhle reaktory být pasivně bezpečné)
1)"regulace" probíhá chlazením, čím více tepla se odebere tím víc klesne teplota reaktoru a zvedne se jeho výkon, když se neodebere palivo se zahřeje a výkon klesne.
2)Krádež je otázka, ale pořád je to stavba co se dá hlídat. Lepší než mikroreaktor v každém městě. Taky asi bude dost obtížné z mikropelet obalených karbidem uzavřených v čistém grafitu dostat použitelný materiál bez specializované fabriky.
3)Netuším, ale i normální jaderné elektrárny mají okruhy rozdělené, tady se k tomu nejspíš přidává i stabilizace teploty pro parní okruh.
4)Koule postupně ode dna odebírají, pak kontrolují jestli už jsou vyhořelé, z vrchu doplňují nové a vracejí zkontrolované. (násypka...)
6)Čekal bych stejně jako dneska: šílená specilizovaná fabrika. Už je asi jedno jestli to jsou pelety nebo mikropelety v grafitové kouli. Nějak se stejně peleta musí dostat z keramického obalu, ta technika nebude moc jiná. Navíc to má umět pálit i plutonium z vyhoželého paliva a vyřazených zbraní, takže třeba vyhořelé mikro pelety půjdou namíchat s čerstvými v rámci jedné koule a vypalá se z nich víc..
Re: Re: Re: nejak divne
Josef Hrncirik,2021-05-11 21:53:48
Uvažujme palivové koule v kulovém loži.
Pokud tam nejsou regulační tyče, nakolik se blíží v provozním režimu průměrná hustota lože formální průměrné hustotě kritické?
Je možno dosáhnout kritické hustoty sypáním koulí do většího kulového lože?
Nebo jen osvědčenou klasickou technikou zvýšení hustoty implozí sypaného lože do kompaktnější struktury?
Re: Re: Re: Re: nejak divne
Pavel Hudecek,2021-05-12 12:05:06
Základem je moderační účinek grafitu, který tvoří většinu objemu. O udržování na hranici kritičnosti se postará tepelná roztažnost a u vyšších teplot zhoršování moderační schopnosti s teplotou. Příliš rychle kmitající atomy uhlíku už nemůžou dostatečně zpomalovat neutrony.
Takže koule by stačilo třeba i nasypat na hromadu, byl by z toho takovej pěknej atomovej táborák. Nebo spíš gril se žhavým uhlím:-)
Re: Re: Re: Re: Re: nejak divne
Josef Hrncirik,2021-05-12 13:26:27
V Černobylu ten grafit nestačili chladit a nepomohlo to.
Připusťme, že v ponorce je až 90% U235. a) Jaké je jeho kritické množství? ev. b) průměr kritické kompaktní koule?
c) Jaký výkon by měla odvozená nemoderovaná sypaná koule tohoto množství při nejtěsnějším uložení koulí?
d) s grafitem v mezerách?
To by měl kapitán ponorky tušit.
Pod jakou hodnotu mu nesmí klesnout teplota v kotli i kdyby měl spalovat grafit kyslíkem?
Re: Re: Re: Re: Re: Re: nejak divne
Pavel Hudecek,2021-05-13 01:32:43
V Černobylu byla kombinace grafit-voda, což je kombinace překvapivě nebezpečná:
Grafit prakticky nepohlcuje neutrony, voda (lehká) ano. Úbytek vody v grafitovém reaktoru vede ke zvýšení reaktivity a úplné odpaření reaktivitu zvýší natolik, že ani tepelné snížení moderace grafitem situaci nezachrání. Obzvlášť když reaktivita byla obsluhou už předtím dostrkána až kam neměla.
A grafit má ještě jednu specificky nízkoteplotní záludnost: Kumulace polohové energie atomů postrčených mimo původní pozici. Když se grafit hodně ohřeje, atomy se vrátí na místo, energie se uvolní a ještě víc ho ohřeje. Ve VT reaktoru to nevadí, ke kumulaci nedochází. Ale v NT dlouho používaný grafit nahromadí hodně energie a pak při havárii ještě přitopí.
Re: Re: Re: nejak divne
Pavel Nedbal,2021-05-12 18:06:01
To, že se s vyšší teplotou zhorší zpomalování neutronů, snad možné je. Ale když dojde k situaci, že se nebude moci odvádět teplo, teplota se určitě nezastaví na 1600°C. Jednak bude dobíhat štěpná reakce, a pak pojedou následné rozpady, což není málo. Neplést teplotu s teplem! Minimálně by tam musela být navíc nějaká dochlazovací smyčka, která by běžela samotíží do vzduchu. Jinak se to roztaví/dále protaví nádobou a bude to stejný problém, jako Fukušima. Tohle je obecný problém všech štěpných reaktorů - odstavte chlazení a můžete začít evakuovat.
Re: Re: Re: Re: nejak divne
Daniel Suchon,2021-05-13 09:56:01
" Zbytkové teplo je z jádra za jakýchkoli navržených havarijních podmínek pasivně odváděno přírodními mechanismy (vedení tepla nebo vyzařování), čímž se udržuje maximální teplota paliva pod 1620 °C, aby bylo zajištěno udržení téměř všech štěpných produktů uvnitř potažených palivových částic. To vylučuje možnost tavení jádra a velkých úniků radioaktivity do životního prostředí. Dalším rysem konstrukce HTR-PM je pomalá progrese nehody v důsledku vysoké tepelné kapacity palivových článků a grafitových vnitřních struktur reaktoru. Při úplné ztrátě chladiva v primárním okruhu trvá několik dní, aby palivové články dosáhly maximální teploty. "
zdroj: https://oenergetice.cz/jaderne-elektrarny/infografika-male-modularni-reaktory-smr-ve-vystavbe
Re: Re: Re: Re: Re: nejak divne
Pavel Nedbal,2021-05-13 21:14:15
Vážený pane Suchoni,
ale aby se teplo mohlo vyzářit, nebo odvést přirozenou konvekcí, musíte reaktorovou nádobu "obnažit". Tedy, aby se teplo mohlo vyzařovat někam (do volného prostoru), případně aby bylo přístupné konvekci vzduchu o venkovní teplotě. Stále zaměňujeme teplo za teplotu. Pokud bude reaktorová nádoba obestavěna, což předpokládám, bude teplota stoupat až do rovnováhy vstupující/vystupující, takže 1620°C nemusí být konečná.
Re: Re: Re: Re: Re: Re: nejak divne
Pavel Hudecek,2021-05-14 09:36:26
Je dobré si uvědomit, že sálání je úměrné 4. mocnině absolutní teploty.
1600 °C, to je asi 1300 K - 160 kW/m2, pro válec D5x10 m tak vyjde asi 25 MW, to je cca výkon rozpadu těsně po odstavení velkého energetického reaktoru.
Při okolní teplotě 1000 °C, tedy asi 700 K - od 1300 poměr 1,8, z toho 4. mocnina je asi 10, tedy jen o desetinu se zhorší chlazení sáláním, pokud okolní teplota vzroste na 1000 °C.
A izolovat reaktorovou halu tak, že by neuchladila dostatečný výkon při 1000 °C ... no není to zcela nereálné, ale projektant by se musel velmi snažit:-)
Re: Re: nejak divne
Roman Nováček,2021-05-11 22:09:16
AVR (Jülich)
Je to sice heliem chlazený reaktor, ale vysvětluje to ten mezistupňový výměník. Jdna z kritických nehod na tomto reaktoru souvisela s vodou, která pronikla do reaktoru. Tohle řešení umožňuje zabránit průniku chladící vody do reaktoru. Chápu, že to je asi technologické tajemství, ale chybí mi tu jak se v reaktoru bude kontrolovat a zabránit lokálním přehřátím a vůbec tu chybí detaily okolo problematické regulace. Fandím jim, ale je to komplikovaná a zatím pro průmyslové použití nedořešená technologie.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
