Pondělí, 26 října
Shadow

Výzkumníci z MIT vyvíjejí plovoucí jadernou elektrárnu

Mnozí experti považují jadernou energetiku jako klíčovou součást budoucí energetiky s nízkými emisemi uhlíku. Současné jaderné elektrárny jsou stabilní a spolehlivé zdroje, které produkují velké množství elektrické energie. Zároveň „spalují“ relativně levné a hojné palivo a nevytváří téměř žádné emise oxidu uhličitého.

97-researchersd
Vizualizace plovoucí jaderné elektrárny (zdroj: phys.org)

Nový druh jaderných elektráren plovoucích osm a více mil od pobřeží slibuje, že jejich nasazení bude levnější, bezpečnější a snadnější než výstavba současných pozemních jaderných elektráren. Koncept plovoucí jaderné elektrárny, který navrhují výzkumníci z univerzity MIT, v sobě kombinuje dvě dobře zavedení technologie – jaderný reaktor a hlubokomořské ropné plošiny. Budování elektrárny i její vyřazení z provozu proběhne v loděnici, čímž se ušetří peníze na začátku i konci její životnosti. Jakmile budou elektrárny nasazeny do provozu, budou situovány v relativně hluboké vodě daleko od pobřežní populace. K pobřeží z nich povede akorát podvodní přenosové vedení. Hluboká voda ochrání elektrárnu před zemětřesením i cunami, a zároveň bude sloužit jako nekonečný zdroj chlazení v případě krize, aniž by byla potřeba jakákoliv čerpadla. Analýza potenciálních trhů označila mnoho míst po celém světě, které mají fyzické i ekonomické podmínky vhodné k nasazení plovoucích jaderných elektráren.

„Ve světě je v současné době ve výstavbě více než 70 nových jaderných reaktorů. Takový počet však není dostatečný k výraznému snížení celosvětových emisí CO2,“ uvedl Jacopo Buongiorno, profesor inženýrství a jaderných věd (NSE – nuclear science and engineering) na univerzitě MIT. „Nabízí se tedy otázka, proč jich nebudujeme více.“

Vize plovoucí jaderné elektrárny z MIT

Vize plovoucí jaderné elektrárny výzkumníků z MIT zahrnuje hlavní konstrukci o průměru kolem 45 metrů, která bude zastřešovat jadernou elektrárnu o výkonu 300 MWe. Alternativní návrh s elektrárnou o výkonu 1100 MWe by potřeboval konstrukci, která by v průměru měřila 75 metrů. V obou případech konstrukce obsahuje obytné prostory a heliport pro přepravu posádky podobně, jak je tomu u ropných plošin.

Buongiorno uvedl několik problémů, které tato vize řeší. Prvním problémem je, že zatímco jaderné palivo je relativně levné, výstavba jaderné elektrárny je dlouhý a drahý proces, který je často sužován zpožděními a nejistotami. Druhým problémem je umístění jaderných elektráren. Pozemky blízko vody jsou velmi cenné a překonání lokálních námitek ke stavbě může být velmi namáhavé. Třetím problémem je to, že veřejnost v několika důležitých zemích ztratila v jadernou energetiku důvěru. Mnoho lidí si stále jasně pamatuje havárii v japonské jaderné elektrárně Fukušima Dajiči, kde vlivem zemětřesení vznikla vlna cunami, která zaplavila celé zařízení. Chladicí čerpadla zde byla odříznuta od přívodu energie a jaderné palivo v aktivních zónách reaktorů se natavilo. Nastal tak únik radioaktivity, kvůli kterému muselo být z regionu evakuováno více než 100 000 lidí.

Ve světle těchto problémů tak profesor Buongiorno a jeho tým – profesor NSE Michael Golay, profesor NSE a strojírenství ze společnosti KEPCO Neil Todreas a jejich studenti NSE a strojírenství – zkoumají nový nápad: umístit konvenční jaderný reaktor na plovoucí platformu podobné té, jaká je využívána při podmořské těžbě ropy a zemního plynu. Tuto plošinu s reaktorem by pak umístili zhruba 10 mil od pobřeží.

Plovoucí jaderná elektrárna v sobě spojuje dvě dobře zavedené technologie s již robustními globálními dodavatelskými řetězci. „V současné době již existují loděnice, jenž budují cylindrické platformy, které potřebujeme, a společnosti, jenž budují jaderné reaktory, které potřebujeme,“ řekl Buongiorno. „Naše vize tak kombinuje tyto dva již existující dodavatelské řetězce, což je velká výhoda.“ Držením se již známých technologií výzkumníci minimalizují finanční a časovou náročnost vývoje a licenčních procedur. Přesto však dělají změny, které podle nich mohou znamenat revoluci využívání jaderné energetiky.

Výhody výstavby v loděnicích a mořského umístění

Podle plánů výzkumníků mají být plovoucí jaderné elektrárny kompletně budovány v loděnicích. Mnohé z nich se již pravidelně potýkají se stavbou plošin pro těžbu ropy nebo zemního plynu i se stavbou velkých, jaderným reaktorem poháněných plavidel. Celá konstrukce plovoucích jaderných elektráren má být postavená na pohyblivých ližinách a poté naložena na transportní loď, která ji dopraví na místo určení. Poté má být konstrukce umístěna do moře, ukotvena k mořskému dnu a k síti připojena podvodním elektrickým přenosovým vedením. Na konci své životnosti má být celá plovoucí jaderná elektrárna odtažena zase zpět do loděnice, kde bude zlikvidována podobně, jak je tomu u jaderných ponorek či jaderných letadlových lodí.

Ve srovnání s výstavbou pozemních jaderných elektráren by měl tento proces přinést zvýšení kontroly kvality, standardizace a efektivity. Není zde žádná nutnost transportu velkého množství pracovníků a materiálů na staveniště, ani sanačních prací poté, co elektrárna ukončí svoji životnost. Vize také redukuje potřebu vyhodnocení a přípravy umístění elektrárny, díky čemuž se zredukují zpoždění a nejistoty při výstavbě. A konečně – hlavním stavebním materiálem plovoucích jaderných elektráren je ocel, takže prakticky odpadá nutnost vypořádávat se s konstrukčním betonem, který je podle Buongiorna často zodpovědný za významné překročení rozpočtu, za zpoždění výstavby a za značné množství emisí CO2. Díky všem těmto faktorům mohou být plovoucí jaderné elektrárny nasazovány s nebývalou rychlostí, což je velmi důležité pro projekt, který je kapitálově velmi náročný. „Nechcete přeci, aby trvalo osm nebo deset let, než takto velká investice začne vyrábět elektrickou energii,“ dodal Buongiorno.

Plánované umístění plovoucích jaderných elektráren nabízí i další benefity. Elektrárny budou situovány 8 až 12 mil od pobřeží, tedy ještě v rámci teritoriálních vod, ve vodě nejméně 100 metrů hluboké, takže elektrárna bude daleko od pobřežní populace (na pobřeží bude nutné vystavět pouze menší rozvodnu, budovu pro personál a zařízení na nakládání s materiály). Umístění elektrárny v hlubokých vodách sníží rizika plynoucí ze zemětřesení a vln cunami. V takovéto hloubce totiž masa vody pohltí veškerý pohyb oceánského dna a vlny cunami jsou takto daleko od pobřeží malé, neboť se zvedají až ve chvíli, kdy dorazí do mělkých vod u pobřeží. Právě proto představují velkou hrozbu pro pobřežní jaderné elektrárny.

Otevřený oceán poskytne plovoucím jaderným elektrárnám nekonečnou zásobu chladicí vody. Jestliže nastanou havarijní podmínky, mořská voda může být použita k odvedení přebytečného tepla z reaktoru. Reaktor bude totiž umístěn pod úrovní mořské hladiny a v případě potřeby tak může být zaplaven bez nutnosti jakýchkoliv čerpadel a bez jakékoliv kontaminace mořské vody. „Nikdy tak neztratíme možnost chlazení, zbytkové teplo, které reaktor generuje i poté, co je odstaven, může být odváděno po neomezenou dobu,“ uvedl Buongiorno.

Plovoucí jaderné elektrárny tak plní tři hlavní ponaučení z havárie v jaderné elektrárně Fukušima Dajiči, řekl Buongiorno: držet se od míst s hustým zalidněním; ochránit elektrárnu proti zemětřesení a vlnám cunami; a zajistit, aby elektrárna nikdy neztratila chlazení reaktoru.

Navrženy pro efektivní provoz z důrazem na zvýšenou bezpečnost

98-researchersd
Řez elektrárnou (zdroj: phys.org)

Ilustrace výše ukazuje hlavní prvky elektrárny. Konstrukce plovoucí jaderné elektrárny má tvar válce ve svislé poloze, který je rozdělen do mnoha pater. Většina z pater je ještě rozdělena do prostorů oddělených vodotěsnými přepážkami. V horní části elektrárny se nachází „nekritické části elektrárny“ jako obytné prostory či heliport. Podobně jak je tomu na ropných plošinách, zaměstnanci budou do elektrárny přiváženi loděmi či vrtulníky na tři nebo čtyřtýdenní služby. Jídlo, palivo a zařízení pro drobné údržbové činnosti bude dováženo loděmi, přičemž o vyzvednutí těžkých břemen se bude starat jeřáb připevněný k elektrárně.

Samotný jaderný reaktor (ať už verze o výkonu 300 MWe nebo 1100 MWe) a související bezpečnostní systémy jsou z důvodů zvýšení bezpečnosti umístěny ve vodotěsných prostorách ve spodní části elektrárny. Tím bude zajištěný snadný přístup k mořské vodě a elektrárně se tím také sníží těžiště, což zlepší její stabilitu. Aktivní zóna reaktoru a všechny klíčové komponenty s ní spojené jsou situovány uvnitř tlakové nádoby reaktoru, která je umístěna uvnitř kompaktní struktury – kontejnmentu. Kontejnment pak obklopuje velký prostor sahající až k okraji válcové konstrukce elektrárny, který je trvale zatopen, přičemž mořská voda přes porty volně proudí dovnitř i ven.

99-researchersd
Schéma jaderné části (zdroj: phys.org)

Specifické vlastnosti konstrukce umožňují reagovat na různé typy narušení normálního provozu. Při normálním provozu elektrárna čerpadly nasává studenou vodu z větší hloubky a poté ohřátou vodu vypouští v nízké hloubce, čímž brání „tepelnému znečištění“, které by mohlo ohrozit lokální ekosystém. Jestliže je tento proces chlazení dočasně narušen, ohřátá voda od reaktoru přirozeně cirkuluje přes speciální tepelný výměník v rámci zaplaveného prostoru v okolí kontejnmentu reaktoru. Jestliže nastane vážnější problém (například protrhnutí potrubí), který by ohrožoval reaktor, destilovaná voda uvnitř tlakové nádoby reaktoru by byla vypuštěna do kontejnmentu (tak aby byla aktivní zóna stále zaplavená) a mořská voda by zaplavila prostor okolo kontejnmentu. Teplo by tak bylo efektivně přeneseno skrz stěnu kontejnmentu do mořské vody, která by kontejnment neustále pasivně ochlazovala. Po celou dobu by byla chladicí voda reaktoru oddělena od mořské vody, tudíž by se žádná kontaminace nemohla dostat ven.

V nepravděpodobném případě, kdy by se tlak uvnitř kontejnmentu i přes neustálé chlazení zvýšil na nebezpečnou úroveň, plyny z kontejnmentu mohou být upuštěny do oceánu. Nicméně by tyto plyny nejprve prošly přes filtry, které by zachytily cesium, jód a jiné radioaktivní materiály, čímž by se minimalizoval únik radioaktivity. V současné době probíhá výzkum, který zkoumá pravděpodobné rozptýlení a ředění těchto materiálů, aby se zajistilo, že i v případě této extrémní události zůstane radioaktivita v přijatelných mezích.

Slibná ekonomika a bohaté potenciální trhy

Tým z univerzity MIT věří, že plovoucí jaderné elektrárny mohou potenciálně v oblasti ekonomiky jaderné energetiky změnit trh. Tento typ jaderných elektráren totiž může využívat výhody sériové produkce, navíc bloky mohou být dostatečně velké na to, aby poskytovaly ekonomickou výhodu, která plyne z jejich velikosti. Kromě toho, na rozdíl od pozemních jaderných elektráren, jsou ty plovoucí mobilní. „Jestliže postavíte jadernou elektrárnu na souši, zůstane na svém místě celých 40 nebo 50 let provozu,“ uvádí Buongiorno. „Plovoucí jadernou elektrárnu ale není problém třeba po deseti či dvaceti letech provozu přemístit, když je potřeba výrobní kapacitu přesunout o 100 mil dál po pobřeží. Je tedy možné tuto elektrárnu vyzdvihnout a přesunout na nové místo.“

Životaschopnost nápadu výzkumníků samozřejmě závisí na tom, zda existují lokality s nezbytnými fyzikálními vlastnostmi. Plovoucí jaderné elektrárny potřebují hlubokou vodu relativně blízko pobřeží, navíc umístění musí být daleko od rušných lodních tras. V lokalitě se také nesmějí vyskytovat časté masivní bouře. Realizovatelnost projektu pak samozřejmě také závisí na ekonomických a dalších atributech.

Detailní studie identifikovala mnoho potenciálních míst. Například regiony východní a jihovýchodní Asie mají omezení možnosti vlastních zdrojů, vysoké riziko zemětřesení i vln cunami a pobřežní obyvatelstvo s nedostatkem elektrické energie. Země na Blízké východě by mohly využít plovoucí jaderné elektrárny jako prostředky k naplnění svých vnitrostátních poptávek po elektrické energii, aniž by spotřebovávaly své cenné zdroje ropy a zemního plynu. Některé státy pobřežní Afriky a Jižní Ameriky stále spoléhají na elektřinu vyráběnou z dovážených fosilních paliv, což je velmi drahé a zároveň nešetrné k životnímu prostředí. „Nasazení plovoucích jaderných elektráren a vytvoření malých distribučních systémů v těchto zemích by mělo určitě smysl, neboť elektrárny mají zároveň velmi nízké nároky na rozvoj místní infrastruktury,“ podotkl Buongiorno.

Pokračující výzkum

Výzkumníci pokračují v práci na různých aspektech plovoucí jaderné elektrárny. Například nyní vyvíjejí optimální metody výměny jaderného paliva, detailní návrh systémů ukotvení a důkladnější model hydrodynamických vlastností elektrárny v bouřkových vlnách. Kromě toho stanovují i soudržný plán ochrany plovoucí jaderné elektrárny.

Samotná konstrukce elektrárny poskytuje značnou bezpečnostní jistotu. Reaktor je umístěn hluboko v konstrukci uvnitř několika ochranných obálek, vrchní paluby umožňují ničím nerušený 360° výhled, a fyzické dispozice minimalizují možnost přístupu útočníkům. Výzkumníci ve spolupráci s experty na bezpečnost nyní vyvíjejí další bezpečnostní strategie. Uvažují tak o nasazení špičkových sonarů a radarů, protiponorkové síti a týmu ozbrojené ochranky.

Přestože ještě zbývá vyřešit hodně otázek, Buongiorno dodává: „Očekáváme, že první plovoucí jaderné elektrárny by mohly být nasazeny v horizontu patnácti let. V té době se předpokládá masivní nárůst využívání jaderné energie, který bude nutný k boji proti změnám klimatu.“

Zdroj: phys.org

1 Comment

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..