Pokročilý jaderný reaktor, který vyvíjí společnost Hitachi, by mohl vyřešit problém s radioaktivním odpadem. Výzkumníci z michiganské univerzity se zapojili do prověřování jeho bezpečného provozu za pomocí počítačových simulací.
Tým z University of Michigan spolupracoval s výzkumníky z Massachusetts Institute of Technology (MIT) a University of California v Berkeley. Po dokončení dalších bezpečnostních analýz plánuje společnost Hitachi postoupit v rámci několika dalších let k vytvoření prototypu tohoto pokročilého rychlého varného reaktoru.
Jedním z hlavních technologických problémů jaderné energetiky je vytvoření systémů na likvidaci jaderných odpadů z konvenčních reaktorů. V současné době je většina vyhořelého jaderného paliva uložena na statisíce let, zatímco jeho radioaktivita přirozeně velmi pomalu klesá.
Nový reaktor od společnosti Hitachi by nejdéle žijící radioaktivní prvky – transurany – „spálil“, čímž by zkrátil nutnost skladování vyhořelého jaderného paliva na dobu několika staletí. Reaktor by tak recykloval jaderný odpad, čímž by vyprodukoval energii a zredukoval množství jaderného odpadu, které by bylo nutné uložit.
„Kvůli transuranům ve vyhořelém jaderném palivu mluvíme o takových dobách skladování, které nejsme schopni ani pojmout,“ uvedl Thomas Downar, profesor jaderného inženýrství a radiologických věd u univerzity v Michiganu. „Jestliže se nám podaří tuto dobu zkrátit na několik staletí, pak už můžeme mluvit o tom, že inženýři budou schopni navrhnout takový kontejner, který by měl tuto dobu bezpečně přečkat.“
V konvenčních varných reaktorech, které v současné době produkují asi 30 % elektřiny vyrobené v amerických jaderných elektrárnách, jsou neutrony štěpící jádra uranu zpomaleny vařící vodou. Návrh reaktoru od společnosti Hitachi ale využívá rychlých neutronů, neboť u nich je větší pravděpodobnost, že rozštěpí jádra transuranové řady.
Prototypy rychlých reaktorů pracují již od 70. let, avšak dosud využívaly výhradně sodíkové chladivo. Sodík však při styku se vzduchem hoří a prudce reaguje s vodou. To je jedním z důvodů, proč americké energetické společnosti váhaly s nasazením sodíkem chlazených reaktorů.
Vodou chlazené rychlé reaktory však mohou nabídnout bezpečnější a prověřenější provoz. Hlavním problémem bylo navrhnout takový reaktor, který by se sám zastavil v případě přehřátí, kdy by se voda v aktivní zóně reaktoru přeměnila v páru. V konvenčních reaktorech, které využívají „pomalé – tepelné neutrony“, voda v aktivní zóně působí zároveň jako pojistka. V případě přehřátí reaktoru a vypaření vody je totiž pára méně efektivní ve zpomalování neutronů. Jakmile je v aktivní zóně méně zpomalených tepelných neutronů, které způsobují štěpení, počet štěpných reakcí se sníží, čímž se sníží i tepelný výkon reaktoru.
Pro varný reaktor spalující transurany, který využívá rychlé neutrony, je situace složitější. Vypaření vody z aktivní zóny by znamenalo více rychlých neutronů, které by zvýšily počet štěpných reakcí, což by znamenalo generování více tepla a dalších rychlých neutronů.
„Pokud někde nastane chyba a tepelný výkon reaktoru naroste, je nutné, aby se počet štěpných reakcí sám od sebe snížil,“ uvedl Downar.
K vytvoření tohoto bezpečnostního prvku plánuje společnost Hitachi do paliva pro svůj reaktor implementovat několik mrtvých zón, které budou vytvořeny z materiálů, které mají nízkou pravděpodobnost štěpení rychlými neutrony.
Společnost Hitachi spočítala, že v případě, kdy se ve vodě začne objevovat pára, čímž se sníží její hustota, rychlé neutrony mají větší pravděpodobnost doletět dál. Díky menším aktivním oblastem v palivu pak mrtvé zóny v případě přehřátí reaktoru pohltí více neutronů, čímž sníží počet štěpných reakcí.
Předtím, než se pustí do tvorby prototypů, chtěla společnost Hitachi konzultovat s externími odborníky, zda se jejich design bude chovat tak, jak očekávají.
Za pomoci financování od ministerstva energetiky členové týmu profesora Downara strávili poslední tři roky vyvíjením programu, který by zvládl simulovat složitější uspořádání a fyziku aktivní zóny tohoto reaktoru. Štěpné reakce uranu jsou poměrně stabilní a snadno předvídatelné, ale štěpné reakce transuranové řady jsou nepravidelné a je velmi obtížné je přesně vypočítat.
Tým výzkumníků z univerzity v Michiganu vyvinul metodu generace dat, která simuluje způsob, jak se štěpí transuranové prvky. Poté tato data aplikovali do zavedených programů, které se v současné době používají pro analýzu konvenčních varných reaktorů. Studiem toho, co se stane v případě vytvoření parní bubliny tým profesora Downara zjistil, že rychlé neutrony procházejí aktivními zónami paliva, čímž snižují počet štěpných reakcí, jak bylo plánováno.
Nyní se výzkumníci chystají pečlivě porovnat výsledky svých metod se simulacemi společnosti Hitachi, aby objevili veškeré odchylky v předpokládaném chování tohoto pokročilého reaktoru. Následující fázi projektu už bude financovat samotná společnost Hitachi.
Zdroj: Phys.org
