V době, kdy nejen ruská jaderná energetika slaví 60. výročí spuštění první jaderné elektrárny na světě v Obninsku, proběhla ve stejné zemi další historická událost v tomto oboru. V ruském Bělojarsku byla 27. června 2014 poprvé spuštěna štěpná řetězová reakce u rychlého množivého reaktoru BN-800.
Jaderná elektrárna č. 1Město Obninsk bylo založeno v roce 1946 na základě příkazu Stalina zaměřeného na rozvoj jaderného výzkumu v Sovětském svazu. Leží zhruba 110 km jihozápadně od Moskvy. Budování elektrárny označované také jako AM-1 (Atom Mirnyj - 1) bylo zahájeno 1. ledna 1951. Šlo prototyp klasického reaktoru moderovaného grafitem a chlazeného vodou. Jeho tepelný výkon byl 30 MW a elektrický pak okolo 5 MW. Stal se předchůdcem známého typu reaktorů RBMK (nechvalně proslulého z Černobylu). Samotná konstrukce byla v řadě ohledů novum a neobešlo se to bez problémů. S řešením těsnosti chladicího systému se technici potýkali až těsně do spuštění. Přesto vše nakonec proběhlo úspěšně. Start řetězové štěpné reakce nastal 1. června 1954 a první elektřina byla poslána do sítě 26. června 1954. Elektrárna spolehlivě fungovala až do 29. dubna 2002, tedy téměř 48 let. Ukázala tak výhody, spolehlivost i možnosti jaderné energetiky. A v tomto případě je opravdu 60. výročí jejího spuštění důvodem k oslavám. |
Blok Belojarsk 4 by měl být druhým rychlým reaktorem, který funguje jako klasická komerční elektrárna pro dodávky elektřiny. První takovou je reaktor BN-600, který již téměř čtvrt století spolehlivě slouží v již zmíněné Bělojarské jaderné elektrárně a který pracuje od roku 1980. Nově spuštěný reaktor by však měl být podle představ autorů zahájením nové etapy ve využívání tohoto typu zařízení.
Jak rychlý má být neutron
Reaktor BN-800 je na rozdíl od prvního reaktoru v Obninsku a většiny v současnosti provozovaných jaderných elektráren rychlým množivým reaktorem. Připomeňme si, čím se tyto typy reaktorů liší od těch klasických. Klasické reaktory, jako byl třeba reaktor v Obninsku, využívají toho, že neutrony s velmi nízkou rychlostí, blízkou rychlosti jejich tepelného pohybu, mají velmi vysokou pravděpodobnost záchytu uranem 235 a jeho štěpení. Při štěpení uranu se uvolňuje několik neutronů, které pak mohou štěpit další jádra uranu, a rozběhne se tak řetězová štěpná reakce.
Stavba reaktoru BN-800 v roce 2010
Tyto neutrony však mají relativně vysokou energii a na tepelné rychlosti se musí zpomalovat srážkami s jádry moderátoru. Nejvíce energie mohou při srážce předat lehkým jádrům. Jako moderátor se tak často využívá voda (lehký vodík a kyslík) nebo uhlík jako ve zmíněném reaktoru AM-1 v Obninsku. V klasickém reaktoru tak stačí poměrně nízký tok neutronů k tomu, aby se zajistil stabilní průběh řetězové reakce.
Jak pracuje klasická jaderná elektrárna: .
(Video je dílem projektu Otevřená věda Akademie věd a MAUR film. Je volně použitelné pro pedagogy a je dostupné na stránkách Otevřené vědy zde.)
V rychlém reaktoru se neutrony vzniklé ve štěpení nemoderují a využívají se ke štěpení přímo. Proto musí být v tomto reaktoru velmi intenzivní tok neutronů, aby zde probíhala stabilní řetězová reakce. Přírodní uran má dva různé izotopy, 235 a 238. Uran 235 má lichý počet neutronů a po zachycení dalšího neutronu se tento spáruje s přebývajícím lichým a uvolní se dostatek energie na rozštěpení jádra uranu. U uranu 238 energie uvolněná záchytem neutronu k rozštěpení jádra uranu nestačí. Bohužel je však v přírodě pouze 0,7 % uranu 235 a zbývajících 99,3 % tvoří uran 238. Aby se dal využívat v reaktorech i uran 238, musí se záchytem neutronu a následnými dvěma rozpady beta přeměnit na plutonium 239, které má lichý počet neutronů a může sloužit jako palivo.
Proces přeměny uranu 238 na plutonium 239 probíhá i v klasických reaktorech. Tam ovšem kvůli nízkému toku neutronů jen omezeně. Naopak v rychlých reaktorech se při správné konfiguraci díky intenzivnímu toku neutronů může vyrobit více plutonia 239, než se ho ve formě paliva spotřebuje. Pak se mluví o množivých reaktorech. Ty by mohly umožnit využít veškerý energetický potenciál uranu i thoria a zajistit provozování jaderné energetiky na tisíciletí. Efektivněji by dokázaly spalovat i transurany, které jsou nejproblematičtější složkou vyhořelého paliva, a značně by tak snížily objem i nebezpečnost jaderného odpadu, který by se ukládal do trvalého podzemního úložiště.
Bez chlazení to nejde
Vyšší hustota štěpení, která je v rychlých reaktorech potřeba, vede k vyšší hustotě produkce tepla a zvyšuje nároky na efektivitu chlazení. Proto se u některých rychlých reaktorů, mezi které patří i zmiňovaný BN-800, využívá tekutý sodík. Tyto reaktory chlazené tekutým sodíkem mají většinou dva sodíkové chladící okruhy, aby sodík, který se dostává do aktivní zóny a může se v něm hromadit radioaktivita, byl oddělen od nejaderné části elektrárny. Teplo se mezi okruhy předává tepelnými výměníky. Druhý sodíkový okruh pak předává tepelnou energii přes tepelný výměník do okruhu s vodou, kde se pak produkuje pára pohánějící turbínu. Pára po průchodu turbínou kondenzuje a zbytkové teplo se předává do posledního chladícího okruhu, který ho odvede do chladících věží nebo do moře.
Vrchní část reaktorové nádoby BN-800 během stavby. Pod otvory čerpadla a další zařízení se skrývá „vana“, která už je dnes plná sodíku.
Nejčastější typ rychlého reaktoru chlazeného sodíkem je vanového typu, kdy je aktivní zóna ponořena ve velké nádobě vyplněné chladícím tekutým sodíkem, včetně typů BN-600 a BN-800. Teplota sodíku přesahuje 500 oC. Použitý sodík musí být velice čistý, aby v něm vznikalo co nejméně radioaktivity, a dokáže jej připravit jen velice málo firem.
Využití sodíku při chlazení má svá rizika spojená hlavně s bouřlivou reakcí sodíku se vzduchem a vodou. Má ovšem i svá pozitiva. Běžný tlakovodní reaktor je v podstatě velký „papiňák“, ve kterém obíhá voda o teplotách kolem 300 °C a tlaku stokrát či dvousetkrát vyšší, než je tlak naší atmosféry. I malá vada či netěsnost mohou mít vážné dopady, se kterými se při konstrukci reaktoru musí počítat. Reaktor BN-800 pracuje s tlakem jen o něco vyšším než atmosférickým. Podle svědků je tak od běžných reaktorů poznat i poklepem: jeho stěny jsou totiž podstatně slabší než u klasických tlakovodních reaktorů.
Velkou výhodou množivých reaktorů je i to, že v případě nehody by měly být robustnější. Stejně jako u dnešních lehkovodních reaktorů v nich po nehodě samovolně dojde k zastavení štěpné reakce. V reaktoru ovšem dále probíhá rozpad některých radioaktivních prvků, a vzniká tedy teplo. Je ho sice o mnohem méně než při provozu, ale pokud se ho nepodaří odvádět, reaktor se může přehřát. Připomeňme, že ve Fukušimě výpadek chlazení vedl k částečnému roztavení aktivních zón některých postižených reaktorů, i když radioaktivní pevné látky se mimo obal reaktoru nedostaly.
Sodíkové reaktory by díky kombinaci lepší konstrukce (společné všem moderním reaktorům), objemu sodíku v reaktoru a jeho fyzikálních vlastností, měly podobnou nehodu přestát s menšími potížemi než dnes nejrozšířenější zařízení. V BN-800 by sodík měl v reaktoru dostatečně silně cirkulovat pouze působením tepla a gravitace, takže nemá docházet k lokálnímu přehřátí a roztavení tyčí s palivem. Tekutého kovu je navíc v reaktoru více, než je potřeba, takže díky lepší schopnosti vstřebávat teplo a vyššímu bodu varu (cca 300 °C nad nejvyšší pracovní teplotou reaktoru) dokáže dlouho udržet reaktor zcela nepoškozený (nejméně 10 hodin, v praxi patrně více). Obsluha má tedy více času na zavedení nějakého náhradního řešení chlazení.
Nevýhodou systému je, že když se reaktor takto odstaví a nakoenec ochladí, sodík v něm může zatuhnout. A pak v podstatě neexistuje možnost, jak reaktor znovu spustit a bude nutná výměna centrální části reaktoru (tj. aktivní zóny, která má rozměr válce necelé tři metry vysokého a metr širokého). To je možnost, se kterou konstrukce má počítat, ale samozřejmě může zásadně změnit reálnou ekonomiku provozu konkrétního reaktoru.
Schéma tepelných toků v reaktoru BN-800. Sodíková část okruhu chlazení je vyznačena červeně a oranžově a pracovní teplota se pohybuje cca od 300 do 500 stupňů Celsia. Za parogenerátorem (steam generator) už se používá výhradně voda (resp. pára), která pohání turbínu. Teploty v parním okruhu nejsou odlišné od sodíku (do cca 500°C), ale tlaky jsou v něm podstatně vyšší (až 140násobek atmosférického tlaku).
Předchůdci z celého světa
BN-800 není zdaleka prvním rychlým reaktorem na světě. Připomeňme například francouzské reaktory Phénix a Superphénix nebo japonský reaktor Monju. Ale zde šlo o experimentální zařízení, která nebyla provozována jako normální elektrárna. Stejně tak je zkušební a testovací zařízení nedávno v Číně spuštěný rychlý množivý reaktor CEFR s elektrickým výkonem 20 MW. Ve všech popsaných případech jde mimochodem o rychlé reaktory chlazené tekutým sodíkem.
Energeticky - ted v běžném každodenním provozu výroby tepla i elektřiny - se tyto reaktory používaly jen v bývalém SSSR. Prvním takovým byl reaktor BN-350 (číslice znamená, že měl elektrický výkon 350 MW), který pracoval do 90. let na pobřeží Kaspického moře. Ještě stojí 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 roky 1973-75 běžel na tepelný výkon 300 MW, od března 1975 pak na tepelný výkon 650 až 750 MW. Elektrický výkon dodávaný do sítě byl 150 MW.
Jeho nejdůležitějším úkolem však bylo odsolování mořské vody. Produkoval okolo 120 tisíc 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.
Bezprostřední předchůdce reaktoru BN-800, reaktor BN-600, byl spuštěn v první polovině roku 1980, jeho tepelný výkon je 1 470 MW a elektrický pak okolo 600 MW. Po počátečních potížích, které se týkaly úniku sodíku, zajišťuje reaktor stabilně a spolehlivě dodávky elektřiny. Potíž se sodíkem je, že při úniku a kontaktu se vzduchem může lehce hořet. Vyřešení bezpečné práce s ním je tak základní prioritou.
Velín reaktoru BN-800. Jak je vidět, analog byl zcela vytlačen digitálním zobrazením.
Jak si ostatně můžeme hned doložit srovnáním se starým velínem ve stejné (tedy Bělojarské) jaderné elektrárně).
Reaktor už bez problému funguje více než 30 let a koeficient jeho ročního využití překračuje 70 %, v posledních letech dosahuje až 80 %. Jde o jediný rychlý reaktor využívaný jako klasická elektrárna (podrobný popis tohoto reaktoru je dostupný zde.) Při jeho provozování se získaly neocenitelné zkušenosti. I ty vedly k tomu, že se začal budovat větší a modernější model stejného typu BN-800.
Léta u ledu
Na projektu tohoto většího množivého reaktoru se začalo pracovat na začátku 80. let. Samotná stavba bloku byla zahájena přípravnými pracemi v roce 1984. V roce 1986 byly hlavně kvůli nedostatku financí a ekonomickému kolapsu Sovětského svazu práce pozastaveny ve stavu přípravy staveniště a zemních prací. Situace se změnila začátkem tohoto století a v roce 2005 se zajistilo financování prací ze státního rozpočtu. V následujícím roce pak už mohla začít betonáž základové desky. Průběžně proběhla modernizace projektu. Ta měla zajímavý dopad. Původně plánovaný elektrický výkon byl 800 MW, ale hlavně díky využití modernější turbíny bude 880 MW.
Průřez reaktorem BR-800. Nejdůležitější části: 1. Tlaková nádoba reaktoru, 2. Ochranná obálka, 3. Aktivní zóna, 4. Tlaková nádoba, 5. Lapač koria (zařízení pro zachycení aktivní zóny v případě nějaké katastrofické nehody spojené s jejím roztavením) , 7. Čerpadla sodíku v primárním okruhu, 12. Zařízení pro výměnu paliva, 14. Tepelný výměník
V roce 2009 byla umístěna reaktorová nádoba a v roce 2010 pak dodány téměř všechny hlavní komponenty reaktoru. Práce byly náročné a ne vše se obešlo bez problémů. Původní termín spuštění v roce 2012 se tak splnit nepodařilo. V prosinci 2013 se dokončilo plnění reaktorové nádoby sodíkem. Potřebné dva tisíce tun velmi čistého sodíku byly dodány francouzskou firmou MSSA. Začátkem tohoto roku se začalo zavážet palivo. Celkový počet palivových souborů má být 558.
Na rozdíl od BN-600 bude nový reaktor využívat jako palivo i MOX, tedy směs oxidů uranu a plutonia. Bude tak mnohem efektivněji spalovat nejen zbrojní plutonium, ale také transurany z vyhořelého paliva. Vlastnosti plutonia 239 a uranu 235 se dost liší, takže využívání plutonia není možné ve všech reaktorech. Pro přípravu vhodného paliva se plutonium, které se získá z přepracování vyhořelého paliva, přimíchává k uranu 235 a uranu 238 a vytváří se již zmíněná směs, která se označuje jako MOX (Mixed OXide). Recyklaci vyhořelého paliva a přípravu směsi MOX provádí jen pár států na světě.
Množivý faktor reaktoru BN-800 bude záviset na konkrétní konfiguraci aktivní zóny, ale může být vyšší než u předchozího modelu. Na konkrétní konfiguraci zóny závisí i perioda výměny paliva, která je plánována zhruba na 140 dnů. V budoucích modelech by měla být i z ekonomických důvodů delší.
Koncem června 2014 tak byla spuštěna řetězová štěpná reakce. Spuštění turbíny a první dodávky elektřiny se předpokládají v srpnu a provoz reaktoru na plný výkon pak koncem roku 2014. Po zprovoznění se stane největším fungujícím rychlým reaktorem.
Instalace reaktorové nádoby indického množivého reaktoru PFBR na místo
Rok jádra?
Spuštění reaktoru BN-800 je jednou ze tří zlomových událostí, které se čekají v letech 2014 a 2015 a mohou být klíčové pro rozvoj jaderné energetiky (článek o nich pro časopis Energetika). Podstatné není, že jde o fungující rychlý reaktor chlazený sodíkem. To, že takové reaktory fungují, prokázaly už reaktory Phénix, Superphénix a BN-600. Pokud se však reaktor BN-800 osvědčí i ekonomicky, mohl by se stát úspěšným komerčním projektem a začal by se stavět hromadněji (nejspíše ve větší variantě BN-1200) na více místech. Zájem o něj má i Čína. V samotné Bělojarské elektrárně se už začalo s přípravou stavby modelu BN-1200.
Na podzim tohoto roku by se měl spustit také rychlý množivý reaktor chlazený sodíkem v indickém Kalpakkamu. Ten má elektrický výkon 500 MW a k chlazení potřebuje 1 150 tun tekutého sodíku. Rychlý reaktor označovaný jako Prototype Fast Breeder Reactor (PFBR, tedy Prototyp rychlého množivého reaktoru) by měl výhledově sloužit především jako zdroj paliva pro zbylá indická jaderná zařízení. Proto i v tomto případě je připravena výstavba několika dalších bloků tohoto typu.
Vladimír WagnerPracuje na oddělení jaderné spektroskopie v Ústavu jaderné fyziky AVČR v Řeži u Prahy. Zabývá se výzkumem horké a husté jaderné hmoty pomocí srážek relativistických těžkých iontů a možností transmutace jaderného odpadu intenzivními toky neutronů. Byl členem Nezávislé energetické komise II, která pod vedením Václava Pačese a Dany Drábové připravovala pro Ministerstvo průmyslu a obchodu analýzu stavu a perspektiv vývoje české energetiky. |
Intenzivně se bude testovat i využívání thoria, kterého má Indie na rozdíl od uranu velké zásoby. Z počátku budou rychlé množivé reaktory vyrábět plutonium z uranu 238, poté by mohl přejít na tzv. thoriový cyklus, při kterém z thoria 232, které nelze použít přímo jako palivo, vzniká v elektrárnách použitelný izotop uran 233. Postupně by indická energetika měla přejít prakticky výhradně na materiál vyráběný z tohoto prvku. V případě úspěchu projektu PFBR je tedy připravena výstavba několika dalších bloků tohoto typu s tím, jak má v Indii růst počet jaderných elektráren, které by měly pokrýt významnou část rychle spotřeby elektřiny (o indické jaderné energetice zde).
Také Čína chce po úspěšném provozu zmíněného malého demonstračního rychlého reaktoru CEFR začít stavět komerční modely rychlých sodíkem chlazených reaktorů. Spuštění bloku BN-800 tak může být předzvěstí začátku rozsáhlejšího komerčního využívání rychlých množivých reaktorů a zahájení cesty k efektivnímu využití veškerého uranu i thoria. Intenzivní využívání jaderné energetiky by pak bylo trvale udržitelné ve škálách řádově tisíců let (o zásobách uranu a thoria zde). Zároveň je další ukázkou toho, jak Evropě začíná ujíždět vlak technologického rozvoje a těžiště vědy i technologií se přesouvá do Ruska, Číny či Indie. To, že se vývoj v jaderné energetice láme, je vidět i z toho, že letos je nejvíce rozestavěných bloků (přes 70) a mohlo by být spuštěno okolo deseti nových reaktorů (podrobněji zde).
