Integrovaný Rychlý Reaktor – program Národní Laboratoře v Argonne

Z „An Introduction to Argonne National Laboratory's INTEGRAL FAST REACTOR (IFR) PROGRAM“, přeložil a poznámkami doplnil Ondřej Chvála

Integrovaný Rychlý Reaktor (Integral Fast Reactor, IFR) byl unikátní výzkumný a vývojový program Spojených Států Amerických koncentrovaný na základní návrh a testy jaderné elektrárny nové generace. IFR poskytuje řešení problematických aspektů současných jaderných elektráren. Tato řešení jsou integrovaná do jednoho soudržného konceptu jaderné elektrárny. Práce v Argonne obsahovala nejen počítačové simulace, ale i reálné testy, takže výsledky výzkumu jsou prokazatelné a potvrzené. Projekt byl koncipován tak, aby mohla následovat výstavba větší komerční jaderné elektrárny se spolehlivě ověřenými technologiemi. Program IFR zahrnoval výzkum a vývoj týkající se bezpečnosti elektrárny, odpadů, logistiky; dále ekonomických aspektů, prevence zpronevěry a zneužití jaderných materiálů. Další součásti projektu byly návrhy a testy elektrárny s dostatkem paliva pro budoucí tisíciletí.

Všechny tyto důležité body jsou součástí IFR, proto má program v názvu charakteristiku „integrovaný“. Cílem této práce bylo zjištění nejlepšího přístupu pro návrh jaderné elektrárny nové generace. To znamená na jedné straně stavět na znamenité historii současných jaderných elektráren, ale na druhé straně zjednodušit a sloučit jednotlivé subsystémy, a zároveň maximálně využít fyzikálních zákonů pro bezpečnost provozu elektrárny. Byl vypracován nový systém palivových článků, který umožnil významné pokroky vylepšující bezpečnost a ekonomiku provozu, a navíc minimalizuje potřeby na skladování odpadu. Již dnes se ukazuje, že program IFR by vyvinul „novou a vylepšenou“ jadernou elektrárnu, jež by bývala mohla sloužit jako preferovaný zdroj elektrické energie pro svět hladovějící po energii, který se zároveň zajímá a stará o životní prostředí.

Následující text představuje důležité vlastnosti IFR a některá zařízení v Argonne West v USA, která sloužila pro vývoj konceptu IFR. Práce na IFR vyžadovala technologické schopnosti a analytický vhled mnoha lidí v Argonne u Chicaga v Illinois, a vývojové, operační a testovací zařízení v Argonne West v Idaho.

Pasivní bezpečnost

Bezpečnostní výhody IFR plynou z kombinace kovového paliva: slitiny uranu, plutonia a zirkonia, a chlazení sodíkem. Pomocí paliva, které snadno vede teplo do chladícího média a které pracuje při relativně nízkých teplotách, IFR v případě neplánovaného zvýšení výkonu reaktory, který zvýší teplotu, maximálně využije tepelnou expanzi chladícího média, vlastního paliva a struktur reaktoru. Expanze paliva a struktury reaktoru v nestandardní situaci způsobí odstavení reaktoru dokonce bez zásahu operátora. V dubnu 1986 proběhly dva speciální testy na Experimentálním Množivém Reaktoru II (Experimental Breeder Reactor II, EBR-II). Během prvního testu byly pumpy zajišťující chlazení primárního okruhu vypnuty, s reaktorem na plný výkon (62.5 MWt). Systémy normálního odstavení byly záměrně neaktivní, přesto výkon reaktoru klesl prakticky na nulu během 300 sekund. Nedošlo k žádnému poškození paliva ani reaktoru. Tento test demonstroval, že i v případě ztráty veškeré elektrické energie, a zároveň ztráty všech standardních aktivních mechanismů odstavení reaktoru, se reaktor jednoduše, sám, spolehlivě a bezpečně odstaví.

Ve stejný den následoval druhý důležitý test. Za chodu reaktoru opět na plný výkon byly odpojeny systémy sekundárního chlazení. Teplota reaktoru stoupla, jelikož produkované teplo nemělo kam odtéct. Jak se teplota primárního okruhu s reaktorem zvyšovala, palivo, chladící médium (sodík) a struktury reaktoru tepelně expandovaly, a reaktor se opět sám bezpečně odstavil. Tento test prokázal, že reaktor typu IFR se sám bezpečně odstaví díky inherentním fyzikálním vlastnostem konstrukce jako tepelná expanze, a to i v případě totálního selhání systémů chlazení primárního okruhu. Ztráta chlazení sekundárního parního systému vede ke stejným podmínkám odstavení, jak bylo demonstrováno testem.

Další hlavní výhodou konceptu IFR je chladící médium sodík, jehož teplota varu při atmosférickém tlaku je vyšší než provozní teploty reaktoru, včetně teplot dosažených při krátkodobém přetížení během výše zmíněných testů. Chlazení primárního okruhu tedy není nutné provozovat pod tlakem, a reaktor lze umístit do „bazénu“ chladícího média sodíku, v nádobě s dvojitým dnem, což prakticky znemožňuje ztrátu chlazení. I při výpadku pump chlazení primárního okruhu chladící médium stále proudí reaktorem v důsledku přirozené konvekce. (NB: Sodík i palivo jsou kovy, tedy výborné vodiče tepla i bez konvekce. Pozn. překl.)

Výše popsané vlastnosti umožnily značné zjednodušení konstrukce jaderné elektrárny, které navíc vedou ke snížení ceny, k snadnému provozu elektrárny, a k bezpečnostnímu systému fungujícímu na základě přirozených fyzikálních jevů, které nemůže ovlivnit/vyřadit chyba operátora.

Odpad

Všechny diskuse týkající se odpadu, prakticky neomezené dostupnosti paliva, transportu vyhořelého paliva a odolnosti paliva proti zneužití závisí na typu paliva a technologii jeho přepracování a recyklace. Pro popis výhod týkajících se odpadu, je třeba nejprve objasnit přepracování paliva, klíčovou součást IFR.

Přepracování paliva v IFR se zásadně liší od procesů doposud navržených nebo technologií již prakticky používaných v některých zemích. V základu se přepracování paliva v IFR skládá ze dvou kroků: 1) štěpné trosky (rozštěpená jádra, „popel“ ze štěpení) jsou odstraněny z paliva; 2) zbytek, tedy nepoužité palivo a jiné transurany (jádra těžší uranu vzniklá záchytem neutronu/ů a následným beta rozpadem), je použit jako nové palivo do reaktoru. Transurany jsou v jiných programech přepracování obvykle „vyhozeny“ spolu se štěpnými produkty, kdežto v IFR zůstanou v palivu a jsou poslány zpět do reaktoru, kde jsou využity jako nové palivo. Konečný odpad z IFR tedy obsahuje pouze štěpné trosky. Ve výsledku místo odpadu, který je třeba stínit od prostředí po mnoho tisíc let, jako v případě kdy transurany zůstanou v odpadu, radioaktivita odpadu z IFR poklesne na úroveň původní uranové rudy během zhruba dvou stovek let.

Další výhoda IFR spočívá v daleko nižší produkci nízko aktivních odpadů ve srovnání se současnými jadernými elektrárnami. Chlazení sodíkem použité v IFR nekoroduje trubky ani struktury reaktoru, není tedy nutné odstraňovat a ukládat radioaktivní produkty koroze z primárního okruhu.

Odpad z IFR ve formě štěpných produktů za rok provozu 1 000 MWe elektrárny (při 70% využití) váží asi 1700 lb (0,77 tun). Pro srovnání: Odpad ze srovnatelné uhelné elektrárny představuje (taktéž při 70% využití) 1 275 000 tun.

Transport jaderného paliva

Dnes jsou časté obavy ohledně přepravy radioaktivních látek po mezistátních dálnicích. Jestli jsou tyto obavy na základě srovnání s jinými nebezpečnými látkami, které jsou běžně přepravovány ve značných množstvích, oprávněné, není předmětem tohoto pojednání. Veřejné mínění zjevně preferuje minimalizaci přepravy radioaktivních materiálů.

IFR je množivý reaktor, který během provozu konvertuje isotopy nepoužitelné v současných reaktorech (uran 238), na velmi dobré palivo (plutonium 239). Při recyklaci paliva je plutonium (spolu s ostatními transurany) odděleno od štěpných produktů a vráceno do reaktoru, kde je štěpeno za produkce energie. (NB: všechny jaderné reaktory produkují určité množství plutonia, současné lehko-vodní elektrárny získávají asi 30% své energie z plutonia namnoženého a rozštěpeného v reaktoru.)

Proces množení redukuje požadavky na dodávky jaderného paliva, které je nutné přepravit do elektrárny. Pouze první dávku paliva je nutné dopravit, spolu s množstvím uranu 238 - což není štěpný materiál. Tyto transporty se uskuteční během spouštění elektrárny typu IFR, žádné další dodávky paliva nejsou již během celé životnosti elektrárny, tedy po cca 60 let, třeba. Uran potřebný pro provoz elektrárny po celou dobu její životnosti představuje krychli o hraně menší než 6 stop (1,83 m).

Přeprava odpadu je také redukována. Objem je dostatečně malý, odpad může být skladován v areálu elektrárny po celou dobu její životnosti a následně hromadně odvezen do úložiště.

Ekonomika

Aby byl jakýkoliv zdroj energie životaschopný, musí být cena produkované energie schopná konkurence se současnými zdroji. Skutečná cena se prokáže až po postavení elektrárny v plné velikosti a za jejího provozu. Přestože dosud žádná IFR elektrárna postavena nebyla, existuje několik důvodů, proč lze předpokládat, že IFR je velmi hospodárný návrh elektrárny.

Cena energie ze současných jaderných elektráren je v rámci celonárodního srovnání těsně nad cenou uhelných. (Tento údaj je z 90tých let, dnes je uhlí v USA dražší než jádro. Pozn. překl.). Nicméně několik jaderných elektráren je podstatně levnějších než uhlí.

Nová elektrárna typu IFR by měla být ekonomičtější než současné jaderné nebo uhelné elektrárny vzhledem k tomu, že IFR neobsahuje některé komplexní systémy nutné v dnešních lehko-vodních reaktorech (LVR). Například systémy čištění a odstraňování nízkoaktivního odpadu, havarijní chladící systém a méně regulačních tyčí pro srovnatelný výkon. Díky nízkému tlaku v sodíkovém chlazení je potřeba méně ocele pro reaktorovou nádobu a potrubí. Studie ukazují, že potřebný kontejnment by byl méně masivní. IFR dále ušetří, jelikož nepotřebuje isotopickou separaci na produkci obohaceného paliva.

Náklady navíc vzhledem k LVR zahrnují integrované zařízení na recyklaci paliva a sekundární sodíkový systém. Toto náklady však budou patrně vynahrazené extrémně nízkou cenou paliva a nižšími náklady vzhledem ke kvalitnějšímu odpadu.

Přestože existující studie ukazují, že IFR by byl velice ekonomický a konkurence schopný jak co se výstavby tak co se provozu týče, pádný důkaz jeho hospodárnosti by přinesla pouze výstavba a provoz komerční elektrárny.

Zneužití jaderných materiálů

Možnost zneužití jaderných paliv pro výrobu bomb je zdrojem znepokojení. Zároveň je momentální zájem soustředěn na problematiku zacházení s palivem z hlavic jaderných zbraní a jeho likvidace.

Během recyklace v IFR je palivo neustále vysoce radioaktivní. S palivem lze tedy manipulovat pouze ve stíněných komorách, a přeprava je možná pouze ve speciálních sudech vážících mnoho tun. Navíc je zařízení na recyklaci paliva umístěno v areálu elektrárny. Použité palivo neopouští areál a nedochází tedy k transportu paliva, při kterém by mohlo dojít k jeho zcizení. Na každý pád je palivo z IFR bez obtížného přepracování ve velice nákladných specifických továrnách nepoužitelné pro zbraně. (V praxi by bylo značně jednodušší použít uranovou rudu a standardní technologie výroby jaderného paliva pro zbraně, než směs vysoce radioaktivních materiálů v IFR. Navíc i po hypotetické a velice náročné separaci plutonia z paliva IFR je výsledná isotopická směs značně nepraktická pro zbraně. Pozn. překl.)

IFR dokáže využít jaderné materiály ze zbraní jako palivo, čímž je zcela eliminuje a vyrobí elektřinu. (Současný MOX cyklus částečně eliminuje palivo ze zbraní a zbytek přemění na isotopickou směs nevhodnou pro zbraně. Pozn. překl.)

„Neomezené“ zásoby paliva

Paliva pro elektrárny typu IFR máme dostatek na dalších alespoň sto tisíc let. IFR je množivý reaktor, který umí využít uran 238. Dnešní jaderné elektrárny používají uran 235, který tvoří méně než 1% přírodního uranu. IFR díky své schopnosti přepracovat palivo dokáže rozštěpit všechen uran. Množství uranu již vytěžené a uskladněné v sudech (uran 238 zbylý po obohacení) vystačí na pokrytí veškeré produkce elektřiny v USA po více než 500 let, aniž by bylo třeba těžit další uran.

Dále IFR dokáže přepracovat a „spálit“ použité palivo ze současných jaderných elektráren. Uran je podobně hojný v zemské kůře jako mnoho běžných materiálů, např. vizmut, kadmium, rtuť, stříbro aj. Uran v tunovém bloku typické žuly (koncentrace uranu cca 5ppm) obsahuje energii odpovídající deseti tunám uhlí (!), pokud je uran použit v IFR. Tato hojnost uranu naznačuje, že jeho cena jako paliva nebude hrát významnou roli v představitelné budoucnosti.

Závěr

Příběh IFR je významný pro celosvětovou veřejnost, protože průmyslová společnost fatálně závisí na levné a dostupné energii. IFR může uspokojit základní energetické potřeby s velmi malým dopadem na životní prostředí. Těžba paliva pro IFR nebude nutná po několik set let. IFR neprodukuje žádné chemické znečistění, skleníkové plyny nebo jiné látky poškozující biosféru. Problém dlouhodobého uložení použitého jaderného paliva ze současných elektráren (dnešní zdroj znepokojení) s IFR přestane existovat. Navíc lze u IFR předpokládat vysokou hospodárnost a bezpečnost. Díky těmto vlastnostem je IFR výborným kandidátem pro jadernou elektrárnu nové generace.

Poznámky překladatele, odkazy na zdroje

Čtenář se patrně táže, proč koncept IFR dosud nebyl realizován. Vývoj IFR probíhal v letech 1984 až 1994, kdy bylo financování projektu kvůli politickému tlaku nové administrativy zastaveno. Důvodů je celá řada: velice levný přírodní uran, celosvětový útlum výzkumu pokročilých jaderných technologií, celková antipatie společnosti 90tých let vůči čemukoliv jadernému (investorů a politiků zvláště), předchozí fiasko množivého reaktoru v Clinch River, nebo upřímná starost některých demokratů v USA (zejména senátora Johna Kerryho) o nešíření jaderných zbraní, kombinovaná s nedostatečným pochopením rozdílů mezi standardním přepracováním typu PUREX, který umožňuje proliferaci jaderných materiálů, a pyroprocessingem, který totéž prakticky znemožňuje. Navíc nová administrativa v USA měla za cíl seškrtání „mrhání“ administrativy předchozí. IFR prostě přišel v nevhodné době.

Podrobnější informace lze najít zde a zde. O IFR také informuje Wiki.

Vývoj klíčové součásti IFR, elektrolytického pyroprocessingu paliva, úspěšně pokračoval v Argonne. Byly vyvinuty dva cykly, PYRO-A pro použité palivo z lehko-vodních reaktorů a PYRO-B pro rychlé reaktory. Pokračují práce na pilotním projektu továrny na přepracování, používající pyroprocessing, viz zde. Další informace o pyroprocessingu lze nalézt zde. Přehledná diskuse o rychlých reaktorech obecně je zde.

Podobné výhody jako IFR, tedy pasivní bezpečnost, pouze štěpné produkty jako odpad a prakticky nevyčerpatelný zdroj paliva, mají i další reaktory. Za zmínku stojí kategorie reaktorů s tekutým jádrem z roztavených fluoridových nebo chloridových solí (Molten Salt Reactor, MSR). U MSR navíc odpadá starost se sodíkem a proces výroby paliva. Recyklace paliva je jednodušší a probíhá kontinuálně, reaktor tedy obsahuje daleko méně radioaktivity a v případě jeho odstavení je nutné odvádět méně tepla. Aktivní zóna je kapalná, problém s tavením jádra reaktoru tudíž také odpadá.

MSR kromě toho obsahují další bezpečnostní prvek, zamrzlý ventil. Příkladem je kus trubky vedoucí dolu ze dna reaktoru, který je aktivně chlazený natolik, aby v místě chlazení sůl zmrzla. Pokud vypadne napájení, vypadne také ventilátor a chlazení přestane chladit. Sůl tím roztaje a vyteče z reaktoru do bezpečné konfigurace pro tento účel připravených tanků.

Ve vývoji MSR jsou zapojeni i čeští vědci.

Zájemci o detaily ohledně MSR, zvláště o thoriovém palivovém cyklu (Liquid Fluoride Thorium Reactor, LFTR), najdou více informací zde.