Pátek, Listopad 22

Sodíkové reaktory II.: kde je najdeme a jak si vedou?

V minulém díle našeho seriálu o sodíkových reaktorech jsme se seznámili s rychlými reaktory obecně, v tomto díle se zaměříme na technické parametry vybraných reaktorů, úspěšnost provozu a na jejich roli v jednotlivých zemích. Podíváme se jak na generaci francouzských sodíkových reaktorů, tak na jejich věčnou konkurenci: ruskou a americkou koncepci SFR. Nakoukneme i do Japonska, které hrálo významnou roli ve vývoji technologie sodíkových reaktorů. V neposlední řadě se podíváme i do Číny a Indie, což jsou jednoznačně země, jejichž energetická budoucnost bude s největší pravděpodobností záviset právě na rychlých reaktorech.

Reaktory chlazené tekutými kovy nejsou na poli energetiky žádnými nováčky. Tento typ reaktorů má za sebou úspěšnou 50letou historii a před sebou velkou budoucnost. LMFR (Liquid Metal fast Reactors) byly využívány především k výrobě elektřiny a demonstraci množení jaderného paliva. Další funkcí rychlých reaktorů se stalo odsolování vody. Tento způsob získávání pitné vody v oblastech, které mají sladké vody nedostatek, je zásadním faktorem k osidlování a následnému rozvoji.

Kde to vše začalo – Rusko

První experimentální rychlé reaktory chlazené tekutým sodíkem byly uváděny do provozu v na konci padesátých letech. Ruský (v té době sovětský) reaktor BR-5/10 byl prvním reaktorem na světě využívajícím sodík jako chladivo a oxid plutonia jako palivo. Byl postaven v roce 1958 a provozován přes 44 let. Hlavním důvodem konstrukce tohoto reaktoru bylo získání zkušeností s provozem sodíkových reaktorů a s vyhoření PuO2.V září 1961 byl ohlášen únik radioaktivních štěpných produktů do sodíku v primárním okruhu reaktoru a reaktor musel být odstaven a palivové články vyčištěny. To bylo poměrně náročné díky tomu, že technologie v té době byla stále málo rozvinutá a opět do provozu byl uveden v březnu 1962. O deset let později byl zvýšen výkon reaktoru na 10 MW a získal nové označení BR-10 . V prosinci 2003 byl provoz ukončen. Experimentálním reaktorem BR-5/10 Rusko odstartovalo éru sodíkových reaktorů a stalo se domovem této nové technologie. Nebylo se čemu divit, když i první odstartovaný demonstrační reaktor chlazený sodíkem byl také ruský. Byl jím v roce 1973 reaktor BN-350 (viz Obr. 1) s tepelným výkonem 750 MW.

Obr. 1: Celkový pohled na elektrárnu BN-350 v Kazachstánu
Obr. 1: Celkový pohled na elektrárnu BN-350 v Kazachstánu

V listopadu roku 1972 bylo na reaktoru BN-350 dosaženo první stabilní řetězové reakce štěpení a tak mohl od července 1973 bezpečně dodávat elektřinu do sítě až do roku 1999. Navíc byl využíván právě k odsolování mořské vody – dokázal odsolit 100 000 tun mořské vody denně až do roku 1996, kdy byl jeho výkon snížen. BN- 350 byl uzavřen po 25 letech (jeho plánovaná životnost) a za dobu svého provozu významně pomohl rozvoji v oblasti velkoměsta Aktau v Kazachstánu. Tato oblast nacházející se na břehu Kaspického moře je důležitým průmyslovým regionem, bohatým na nerostné suroviny.

Pokud zůstaneme v ruské linii rychlých reaktorů chlazených sodíkem, dalším v pořadí je reaktor BN- 600, provozovaný od roku 1980 v komplexu jaderné elektrárny Bělojarsk 3. Reaktor BN-600 je bazénový typ (viz I. díl seriálu o sodíkových reaktorech) a jak už název napovídá, hrubý elektrický výkon reaktoru je 600 MW. Důležitý parametr, který bývá zmiňován u rychlých reaktorů, je tzv. množivý faktor. Množivý faktor udává přírůstek počtu štěpných izotopů, které jsou vyprodukovány na jedno spotřebované štěpné jádro. V podstatě charakterizuje zisk neutronů, které lze využít pro produkci nového paliva. Může být kladný nebo záporný, podle toho jestli je reaktor schopen palivo množit nebo není, avšak během provozu reaktoru může být změněn. BN- 600 má množivý faktor -0,15, tudíž nemůže využívat nadbytek neutronů pro produkci nového paliva a vyrábět jej dost pro vlastní provoz.

Pokud bychom se podívali trochu více na technické parametry reaktoru, zjistíme třeba, že reaktorová nádoba má průměr 12, 86 m, výšku 12,6 m, tloušťku 3 cm a je vyrobena z ocele s příměsí niklu a chromu. Kontejment reaktoru Bn-600 je obdélníkového tvaru a je vyroben z uhlíkové ocele. BN-600 je významným představitelem sodíkových reaktorů, které jsou stále v provozu a to navíc úspěšně. Jeho pokračovatelem bude BN- 800, který převzal většinu konstrukčních technologií a při návrhu bylo využito zkušeností s BN- 600. Navíc je tento reaktor postaven tak, aby splňoval vyšší bezpečnostní požadavky a byl méně ekonomicky náročný. Reaktor BN-800 bude plně využívat konceptu uzavřeného palivového cyklu. Povolení ke stavbě tohoto reaktoru bylo uděleno roku 1997, avšak výstavba začala až o pět let později. BN- 800 není v současné době (duben 2013) uveden do provozu. Na papíře je naplánován i další projekt z této série: BN- 1200.

Sodík a Spojené státy americké

Pokud se podíváme na sodíkové reaktory americké koncepce, asi nejdůležitějším představitelem byl reaktor FFTF (Fast Flux Test Facility) ve státě Washington. Stavba FFTF (viz Obr. 2) pod vedením firmy Westinghouse započala roku 1970 a o deset let bylo dosaženo první kritické štěpné reakce.

Obr. 2: Fast Flux Test Facility
Obr. 2: Fast Flux Test Facility

Tento reaktor byl speciálně navržen pouze pro testy a experimenty na rychlých množivých reaktorech. Byl vybaven mnoha nástroji pro měření průtoku sodíku a jeho teploty a jádro reaktoru obsahovalo také uzavřenou testovací smyčku, umožňující měření vlastností materiálu a paliva přes širokou škálu teplot, aniž by byl narušen nezávislý chod reaktoru. Reaktor neměl žádné parní generátory a nebylo z něj tedy možné odebírat žádný elektrický výkon. Provoz byl ukončen roku 1992. Mezi další sodíkové reaktory provozované v USA patřil například reaktor FERMI-I.

Francouzská generace sodíkových reaktorů

Krátce po Druhé světové válce byl zahájen francouzský výzkumný program, zaměřený na produkcí a separací plutonia pro výrobu jaderných zbraní. Záhy se cílem výzkumu staly právě rychlé množivé reaktory. Tak v roce 1958 přišel návrh prvního sodíkem chlazeného francouzského rychlého reaktoru Rapsodie. Rychlý reaktor Rapsodie v Cadarche byl konstruován v letech 1962-1967 a provoz byl ukončen v roce 1983. Reaktor byl smyčkového typu a palivo se skládalo z 30% PuO2 a 70% UO2. Rok po provozu reaktoru Rapsodie začaly práce na výstavbě nového člena sodíkové rodiny rychlých reaktorů. Tím byl významný zástupce rychlých reaktorů PHENIX v Marcoule (viz Obr. 3), který již v roce 1973 poprvé dodal elektřinu do sítě. Díky tomuto reaktoru získala i Francie své prvenství v historii sodíkových reaktorů – v roce 1980 byl poprvé v reaktoru PHENIX uzavřen palivový cyklus: plutonium, které bylo vyprodukováno v reaktoru PHENIX, bylo následně použito jako palivo. Celkový objem přepracovaného paliva na francouzských rychlých reaktorech se pohybuje okolo 30 tun. Další význačnou vlastností reaktoru PHENIX byl jeho výkon. Hrubý tepelný výkon reaktoru činil 45,3 %, což je nejvyšší hodnota, která kdy byla dosažena. Vysokého výkonu dosahoval v 80. letech, později ale začal vykazovat značné výkyvy v provozu, které ohrožovaly bezpečnost. Proto byl většinu času v letech 1991 až 1994 uzavřen a stal se součástí výzkumného programu. Poté byl jeho výkon omezen na 145 MWe (elektrický výkon) a využíván jako ozařovací a výzkumné zařízení. Definitivně byl ukončen provoz v roce 2010.

Obr. 3: Reaktor PHENIX v Marcoule
Obr. 3: Reaktor PHENIX v Marcoule

Jak už to tak bývá, úspěšné reaktory většinou mají svého nástupce. Výjimkou nebyl ani PHENIX a jeho nástupce SUPERPHENIX v Creys-Malville. I tento významný francouzský reaktor se může pyšnit svým prvenstvím – byl nejenom první svého druhu (z hlediska výkonu) na celém světě ale také největší doposud postavený rychlý reaktor (srovnání viz Obr. č. 4).

Výstavba začala roku 1976 a, jakožto první komerčně využívaný rychlý reaktor začal dodávat do sítě elektřinu v roce 1986. Jeho spuštění doprovázela ve Francii vlna nepokojů. V roce 1974 80 fyziků z Fyzikálního institutu v Lyonu uveřejnilo několik riskantních vlastností rychlých množivých reaktorů. V roce 1975 na 400 vědců dalo dohromady dokumentaci, v které uveřejnili svoje obavy o směřování francouzské jaderné politiky a o bezpečnosti rychlých množivých reaktorů. Avšak v dubnu roku 1976 tehdejší prezident Francie Valery Giscard d‘Estaing prosadil politické rozhodnutí postavit SUPERPHENIX. V létě toho samého roku se zvedla první vlna protestů – okolo 20 000 lidí přišlo demonstrovat proti spuštění reaktoru na místo určené pro výstavbu.

 

Obr. 4: Příčný řez reaktorem SUPERPHENIX (vlevo) a BN-600 (vpravo)
Obr. 4: Příčný řez reaktorem SUPERPHENIX (vlevo) a BN-600 (vpravo)

V listopadu roku 1976 sepsalo na 1300 vědců otevřený dopis vládě Francie, Itálie, Německa a Švýcarska, v kterém vyjadřovaly svoje obavy nad tímto projektem. Druhá a masivnější vlna demonstrací se odehrála 31. 7. 1977 blízko Creys-Malville. Demonstrovat přišlo přibližně 50 000 odpůrců z různých zemí a bohužel musela zasahovat i policie. O život tehdy přišel jeden člověk a několik dalších bylo zraněno. Ani po těchto incidentech nezměnila vláda své plány a obří reaktor SUPERPHENIX byl postaven. SUPERPHENIX dosahoval výkonu 1200 MW elektrických a byl bazénového typu. V roce 1998 byl provoz ukončen. Reaktor ale nebyl v provozu plných dvanáct let, komerčně fungoval pouze 4 a půl roku, během něhož vyrobil 7,9 miliardy kWh. I přes relativně krátkou dobu plného provozu získali francouzští vědci užitečné informace o práci jednotlivých stěžejních komponentech reaktoru. Avšak z ekonomického hlediska byl pro Francii spíše prohrou.

Čínský projekt sodíkového reaktoru

Čína v současné době provozuje svůj první rychlý reaktor chlazený sodíkem s názvem CEFR. Návrh experimentálního reaktoru CEFR o výkonu 23,4 MW elektrických měli čínští konstruktéři na papíře již od roku 1990, ale až v roce 2000 bylo vydáno povolení ke stavbě. V roce 2011 poprvé začal vyrábět elektřinu. Tento nemnoživý bazénový typ reaktoru nalezneme v Pekingu. Dalším krokem k osvojení technologie rychlých reaktorů v Číně by mohl být reaktor CPFR o plánovaném výkonu 600 MW elektrických. Tento projekt se zatím pouze zvažuje a měl by sloužit k transmutaci (přeměna prvků, kdy z původního jádra vznikne nové jádro s podobným protonovým číslem).

Indie a thoriový cyklus

Jelikož Indie nemá veliké zásoby uranu, (ale thoria ano) usiluje o výstavbu rychlých reaktorů, které budou moci využívat thoriový cyklus. Takovým typem reaktoru je i sodíkem chlazený rychlý reaktor PFBR, který je ve výstavbě od roku 2003 a dokončení je naplánováno na rok 2014. Bude to bazénový množivý typ reaktoru a výkonu 500 MW elektrických.

Japonsko a Monju

Reaktor Monju spolu s testovacím reaktorem Joyo jsou zástupci rychlých sodíkových reaktorů v Japonsku. Reaktor Joyo je stále v provozu a slouží k demonstraci a testování této technologie. Známější je reaktor Monju v prefektuře Fukui. Výstavba japonského reaktor o výkonu 280MWe započala roku 1985 a podílely se na ní firmy Mitsubishi, Hitachi, Toshiba a Fuji. První ustálené řetězové reakce se dočkal v roce 1994 a elektřinu začal dodávat do sítě v roce 1995. Bohužel v prosinci téhož roku byl demonstrační reaktor Monju zastaven pro únik sodíku a následný požár v sekundárním okruhu reaktoru. Tento incident vyvolal v japonské společnosti vlnu protestů proti jaderné energetice. Znovu byl uveden do provozu v květnu roku 2010. Avšak v srpnu téhož roku došlo k další nehodě, což vedlo k opětovnému zavření reaktoru. Reaktor Monju je sice stále v provozu, ale jen v minimální míře kvůli častým potížím s únikem sodíku a je zvažováno jeho úplné uzavření z důvodů neekonomičnosti provozu a častým opravám.

Zdroje obrázků:

Fast Reactors Database – 2006 update, IAEA

Fast Breeder Reactors in France, Science and Global Security

Autor: Alžběta Bednářová

2 Comments

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Tato stránka používá Akismet k omezení spamu. Podívejte se, jak vaše data z komentářů zpracováváme..