Pondělí, Červenec 15

Vysokoteplotní reaktor MHR-100

Trendem posledních let je vyvíjet a stavět reaktory, které vynikají vyšší účinností a bezpečností, kratší dobou výstavby či uzavřeným palivovým cyklem a zapojením do vodíkového hospodářství. Tyto vlastnosti charakterizují reaktory IV. generace, kam patří i MHR-100. Jde o malý modulární reaktor (SMR = small modular reactor). Toto označení popisuje bloky o výkonu do 300 MWe, které vynikají především snadnou výstavbou. Dlouhá a složitá výstavba je typická pro elektrárny s velkým instalovaným výkonem. Jedná se patrně o největší problém, který v současnosti brzdí výstavbu nových zařízení, a právě to mají změnit malé modulární reaktory. 

Schéma reaktoru MHR-100 [4]

Vysokoteplotní reaktor může mít aktivní zónu tvořenou z prismatických bloků, nebo tzv. pebble bed. Zástupcem druhého typu je například projekt PBMR (pebble bed modular reactor), jehož vývoj probíhá v Jihoafrické republice. V roce 2010 však ztratil podporu státu. [3]

Nyní zpět k ruskému Modular Helium Reactor, který vyvíjí společnost Rosatom. Jde o projekt reaktoru pro energetické a technologické účely, včetně výroby vodíku a rafinace ropy. Základem je heliem chlazený reaktor o výkonu 215 MWt. Zvolený výkon koresponduje s potřebami regionálního energetického průmyslu, požadavkem vysoké spolehlivosti, bezpečnosti a vysokých technických a ekonomických ukazatelů. Také byly zohledněny domácí technologické možnosti výroby nádob. [3]

Byly studovány následující možnosti pro průmyslové aplikace:

  • GT (gas turbine) – výroba elektrické energie a dálkového vytápění
  • OR (oil refinery) – vysokoteplotní dodávka tepla do ropné rafinérie
  • SMR (steam methane reforming) – výroba vodíku reakcí páry s metanem
  • SE – výroba vodíku metodou vysokoteplotní parní elektrolýzy

Parametry

Výkon: 25 – 87 MWe (215 MWt)
Firma: OKBM Afrikantov (dcera Rosatomu)
Země: Ruská federace
Status: koncepční návrh
Chladivo: helium
Moderátor: grafit
Tlak sytému: 4-5 MPa
Vstupní / výstupní teplota: 490-553 / 795-950 °C
Palivový soubor: šestihranný hranol (0,2 m x 0,65 m)
grafitové bloky s palivem (povlakované částice)
Počet palivových kazet: cca 1600 bloků s více než 600 kusy paliva v každém bloku
Obohacení paliva: LEU obohacený pod 20 %
Hlavní mechanismus řízení reaktivity: vložení regulační tyče
Bezpečnostní systémy: aktivní i pasivní
Hlavní technické parametry MHR-100 [4]

Základní výhodou tohoto projektu je jeho variabilita, která souvisí s vysokými výstupními parametry. Výkon reaktoru a jeho konstrukce jsou univerzální pro všechny varianty výkonu a procesu výroby tepla. Liší se pouze parametry chladiva.

Verze reaktoru MHR-100

GT (gas turbine)

Schéma MHR-100 GT [4]

Primárním cílem této elektrárny je výroba elektrické energie a dálkové vytápění. Využívá se plynová turbína (Braytonův cyklus). Návrh počítá s tím, že lze pouze vyrábět elektřinu, nebo v tzv. kogeneračním módu vyrábět elektřinu a zároveň dodávat tepelnou energii pro vytápění. V tomto případě můžeme využít až 150 MWt, které se distribuují pomocí vody o teplotě 145 °C.

Parametry MHR-100 GT [3]
Schéma MHR-100 GT [4]

OR (oil refinery)

Schéma MHR-100 OR [4]

Tato konfigurace zajišťuje vysokoteplotní dodávku tepla do ropné rafinérie a měla by uspořit přibližně 14 % rafinované suroviny [4]. Využívá vloženou heliovou smyčku z důvodu zajištění čistoty chladiva. Teplo po rafinaci může být ještě využito na parní turbíně.

Parametry MHR-100 OR [3]
Schéma MHR-100 OR [4]

SMR (steam methane reforming)

Schéma MHR-100 SMR [4]

Primárním úkolem je výroba vodíku reakcí páry s metanem. Negeneruje se zde elektrická energie. Emise CO2 zde vznikají, ale zůstávají v okruhu. Existují dvě varianty zapojení. Obě využívají vysokoteplotní výměníky, které dodávají teplo směsi páry a metanu. Z této směsi se následně separuje vodík. Výhodou je úspora zemního plynu, který se obvykle spaluje pro výrobu tepelné energie.

Zapojení do vodíkového hospodářství má být do budoucna jednou z výhod jaderných elektráren. Výroba vodíku může sloužit pro sektor dopravy i jako způsob skladování energie. V ideálním případě by elektrárna primárně vyráběla elektrickou energii a v případě přebytku v síti by se přepnula na výrobu vodíku. Zásadní nevýhodou je problém skladování, protože malé molekuly vodíku vyžadují dokonalou těsnost nádob.


Parametry MHR-100 SMR [3]
Schéma MHR-100 SMR [4]

SE (steam electrolysis)

Schéma MHR-100 SE [4]

Elektrárna vyrábí elektrickou energii a přehřátou páru, ze které se následně generuje vodík pomocí elektrolýzy. Elektrolytický vodík je čistější než vodík z SMR. Při procesu nevzniká CO2. Přibližně 10 % tepelné energie jde do SGU (zařízení pro výrobu páry), zbytek slouží pro výrobu energie. Vyrobená elektrická energie zajišťuje proces elektrolýzy. Tato konfigurace umožňuje vyrobit přibližně třetinu vodíku oproti SMR.

Parametry MHR-100 SE [3]
Schéma MHR-100 SE [4]

Konstrukce reaktoru MHR-100

Palivo

Používá se tzv. TRISO palivo. Jednotlivé částice se skládají z jádra a čtyř vrstev. Palivové jádro z oxidu uranu je potaženo první porézní vrstvou pyrouhlíku, následovanou hustou vrstvou pyrouhlíku, vrstvou karbidu křemíku a vnější hustou vrstvou pyrouhlíku. Hlavní výhodou je vysoká pevnost a odolnost i při vysokých teplotách. Porézní vrstva poskytuje prostor pro plynné produkty štěpení, čímž umožňuje zvládat vnitřní přetlak. TRISO palivo zároveň umožňuje dosahovat vysokých hodnot vyhoření. Tisíce potažených částic se následně smíchají s grafitovým materiálem, který slouží jako matrice. Směs se zformuje do kompaktního paliva, které se vkládá do palivových kanálů.

Kogenerační jednotka (Power conversation unit PCU)

Kogenerační jednotka je umístěna ve vlastní nádobě. Základem je plynová turbína, která pohání vertikální generátor s turbokompresorem na společné hřídeli. Dále je zde výměník tepla a chladiče. Celý cyklus této jednotky pracuje s termickou účinností 48 %. Stejná kogenerační jednotka je plánována pro varianty GT i SE.

Kogenerační jednotka (PCU) [3]

Reaktor

Reaktorová nádoba a její vnitřní části jsou vyrobeny z chromniklové oceli a mají rozměry podobné VVER-1000. Palivové bloky, reflektory a podpůrné konstrukce jsou z grafitu. Kovové součásti uvnitř jsou z chromniklové oceli. Plánovaná životnost nádoby je 60 let.

Reaktivita je řízena pomocí řídících tyčí obsahujících karbid bóru. Elektrárna disponuje aktivním i pasivním systémem odvodu tepla. Projektové havárie zahrnují i LOCA havárii (havárie se ztrátou chladiva). Případný únik hélia při odtlakování primárního okruhu se zachytí v kontejnmentu.

Počet smyček

Dvousmyčkové uspořádání je použito u MHR-100 SE a MHR-100 SMR, které slouží pro výrobu vodíku. MHR-100 OR využívá třísmyčkové uspořádání, protože slouží k zásobování tepelnou energií. Ta je předávána pomocí vložených helium-heliových výměníku tepla (HX = heat exchanger) a vloženého héliového okruhu. Následně se předává do pracovního okruhu petrochemických aplikací. Toto řešení zamezuje uvolňování radioaktivity do pracovního okruhu a minimalizuje kontaminaci primárního okruhu procesními nečistotami.

Historie vývoje plynem chlazených reaktorů v Rusku

Rusové mají s vysokoteplotními reaktory chlazenými plynem dlouholeté zkušenosti. V dlouhodobém výhledu mají malé a střední jaderné elektrárny nahradit regionální zdroje tepla po celém Rusku, které dnes zajišťují konvenční elektrárny s výkonem okolo 300 MWt. Technologií vysokoteplotních reaktorů se v Rusku zabývají už od 70. let minulého století.

Historie plynem chlazených reaktorů v Rusku [4]

Postup projektu

Oficiálně byl koncepční návrh dokončen v roce 2014. V roce 2018 probíhala optimalizace reaktoru a studie technické a ekonomické výhodnosti výroby vodíku.

Shrnutí

Reaktory HTGR mají nejvyšší „neelektrický“ potenciál mezi všemi typy reaktorů, protože díky vysokým výstupním teplotám (950 °C) mohou sloužit jako zdroj tepla pro více průmyslových procesů. Poskytují variabilní řešení výroby elektrické energie a zároveň tepelné energie pro vytápění, nebo výrobu vodíku. Přímý oběh plynové turbíny spolu s vysoce účinnými výměníky tepla poskytuje vysokou účinnost.

Celkově elektrárna disponuje vysokou úrovní inherentní bezpečnosti, která plyne z použitého paliva a použitých bezpečnostních systémů. Plánovaná životnost stanovená na 60 let, která vychází z životnosti tlakové nádoby, se neliší od dnes provozovaných a stavěných elektráren.

V současnosti však jde pouze o projekt ve stádiu návrhu, který zatím nedošel do fáze realizace.

Pozn.

Můžeme se setkat ještě s reaktorem GT-MHR. Jedná se o úplně jiný projekt reaktoru s výkonem 288 MWe (600 MWt), který vyvíjí General Atomics (USA) a Rosatom (Rusko). V mnohém se neliší od MHR-100, jedná se také o vysokoteplotní plynem chlazený reaktor, ale počítá se zde i s využitím plutonia.

Ondřej Hlinka

Zdroje:

  • [1] Advances in Small Modular Reactor Technology Developments [online]. 2014, 111-114 [cit. 2019-04-16]. Dostupné z: https://aris.iaea.org/Publications/IAEA_SMR_Booklet_2014.pdf
  • [2] Advances in Small Modular Reactor Technology Developments [online]. 2016, 239-244 [cit. 2019-04-16]. Dostupné z: https://aris.iaea.org/publications/smr-book_2016.pdf
  • [3] Advances in Small Modular Reactor Technology Developments [online]. 2016, 131-135 [cit. 2019-04-16]. Dostupné z: https://aris.iaea.org/publications/smr-book_2018.pdf
  • [4] BALANIN, Andrey. Review main features of HTGRs designed in Russia [online]. Konference SMR 2019, 2019, Konference SMR 2019, prezentace č. 14 [cit. 2019-04-16]. Dostupné z: http://malereaktory.cz/smr-2019-galerie/Sbornik
  • [5] WAGNER, Vladimír. Reaktory IV. generace [online]. 2008 [cit. 2019-04-16]. Dostupné z: http://www.osel.cz/3568-reaktory-iv-generace.html

Tento článek byl napsán ve spolupráci se studenty oboru Jaderná energetická zařízení Fakulty strojní ČVUT v Praze.

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..