25.10.2021

Reaktor Allegro je rychlý, plynem chlazený reaktor (GFR) IV. generace, který jako chladivo používá helium nebo superkritický oxid uhličitý. Koncept vznikl ve Francii v CEA jako reálná alternativa za sodíkový rychlý reaktor (SFR). Oba reaktory jsou vhodné pro uzavřený jaderný palivový cyklus, což vede k udržitelnosti výroby jaderné energie, protože v uzavřeném cyklu je štěpitelný materiál přírodní uran 238 přeměněn na plutonium 239, které je štěpné.  Při této transmutaci dochází ke zvýšení využití přírodního uranu nejméně 50krát ve srovnání s otevřeným palivovým cyklem. Díky recyklaci minoritních aktinidů ve vyhořelém, vysoce radioaktivním odpadu je možno docílit výrazného snížení radiotoxicity a tím i radikálnímu zkrácení doby skladování vyhořelého paliva v hlubinných úložištích. Předpokládá se, že by tato doba mohla být zkrácena z desetitisíců let na zhruba tři sta let [1].

Projekt Allegro není prozatím primárně koncipován na produkci elektrické energie jako dnešní průmyslové jaderné reaktory. Půjde o experimentální prototyp určený k demonstraci životaschopnosti technologie GFR, testování a výzkum pokročilých materiálů schopných odolávat působícímu vlivu rychlých neutronů. Podstatná část se bude věnovat výzkumu nových zdokonalených paliv z keramického kompozitu, transmutací minoritních aktinidů a vlivu hélia, radiace a vysokého tepla na jednotlivé komponenty. Důležitým bodem bude taktéž poukázat na schopnost plynového chladiva dostatečně a spolehlivé odvádět zbytkové rozpadové teplo při odstávce.  Reaktor bude dále sloužit jako vědecké a výzkumné centrum, které je nezbytné pro další etapu výstavby reaktorů IV. generace. Budou muset být zvládnuty a ověřeny přísné požadavky na bezpečnost a konkurenceschopnost provozu GFR. Důležitým milníkem vývoje Allegra je i využití synergie s vývojem vysokoteplotních plynem chlazených reaktorů (VHTR). Oba tyto systémy využívají hélium jako chladivo a koncept plynové turbíny na přeměnu energie. Výhodou vývoje Allegra je, že je nutné vyřešit jen vývoj, který je specifický pro GFR, který je popsán v problematice chlazení plynem [1, 2].

Zájem o chlazení plynem je zejména v jeho vysoké teplotě (okolo 850 °C), která se dá využít na efektivnější výrobu elektrické energie, při použití přímé Braytonovy turbíny, kde jsme schopni dosáhnout účinnosti až 48 %. Dalším průmyslovým využitím díky vysokému tepelnému přenosu je termochemická výroba vodíku s účinností minimálně 60 % [3].

Schéma GFR
Obr. 1: Schéma GFR. (www.posterus.sk)

Plynné chladivo má svoje určité výhody a nevýhody oproti chlazení tekutými kovy, které jsou momentálně považovány za referenční chladivo pro rychlé reaktory. Jako primární chladivo se pro GFR uvažuje hélium, které má následující výhody:

  • Chemická kompatibilita s vodou
  • Zanedbatelná aktivace chladiva
  • Plyn nemůže v reaktoru změnit skupenství
  • Snížení možných výkyvů reaktivity
  • Snížení kladného dutinového efektu
  • Možnost použít vysokoenergetické neutronové spektrum

Problematika chlazení plynem:

  • Potřeba udržovat vysoký tlak v systému
  • Vyšší vlastní spotřeba elektrárny – stlačitelnost plynu
  • Vysoká rychlost proudění chladiva – kmitání palivových proutků
  • Odběr štěpného tepla z jádra s vysokou hustotou výkonu
  • Difuze hélia skrz konstrukční materiály – únik z PO

 

Schéma primárního okruhu Allegra
Obr. 2: Schéma primárních systémů Allegra. [5]

Jelikož Allegro bude dosahovat relativně malého výstupního výkonu, okolo 75 MW, bylo by neefektivní jej připojit k distribuční síti elektrické energie. Z celkového množství vyprodukované el. energie je plánováno využít pouze 10 % na rozvoj výroby vodíku. Co se týče hustoty výkonu, ta je porovnatelná s budoucími komerčními GFR, tj. 100 MW/m3. Maximální radiační poškození za dobu svého provozu v tlakové nádobě dosáhne 30-100 dpa, a na některé části může připadat více než 100 dpa (displacement per atom). Tato jednotka říká, jaký zlomek atomů byl vyražen ze své mřížkové plochy.

Typické pro projekt Allegro bude umístění výměníků s odvodem zbytkového tepla vysoko nad tlakovou nádobou. A to kvůli pasivní bezpečnostní ochraně v případě havárie nebo při mimořádné situaci [4].

Uspořádání aktivní zóny (AZ) je navrženo se 6 experimentálními kanály, 6 kontrolními, 4 klastry a reflektorem. Kontrolní a palivové tyče s relativně komplikovaným ovládáním se vkládají spodní částí tlakové nádoby.

 

Uspořádání aktivní zóny
Obr. 3: Uspořádání aktivní zóny. [5]
Provoz Allegra bude mít tři odlišné fáze založené na různých konfiguracích paliva v aktivní zóně [5].

  1. Základní typ, založený na klasickém MOX palivě s ocelovým obložením, kde provozní parametry aktivní zóny budou nižší: (Tvstup = 260°C, Tvýstup=530°C, TmaxMOX=1050° C.)
  2. Modifikovaný typ, založený na MOX palivě, kde některé z palivových článků budou nahrazené za pokročilé žáruvzdorné keramické články.
  3. Plně keramický typ, kde jsou všechny palivové články keramické, parametry aktivní zóny dosahují maximální provozní teploty: Tvstup=400°C, Tvýstup=850°C.

 

Možnosti uspořádání karbidového paliva
Obr. 4: Možnosti uspořádání keramického paliva. [5]
tabulka_1_1024
Hlavní charakteristiky ALLEGRA 75 MWt MOX [5].
tabulka_2_1024
Hlavní charakteristiky ALLEGRA s keramickými deskami [5].
tabulka_3_1024
Hlavní charakteristiky ALLEGRA s keramickými proutky [5].
 

 

Do projektu jsou v tuto chvíli zapojeny instituce ze tří států střední Evropy. První institucí je Ústav jaderného výzkumu Řež v České republice, druhou maďarský výzkumný ústav pro atomovou energii (UJV, MTA, KFKI) a třetí je slovenský výzkumný ustav jaderné energie (VUJE). Hlavní technickou podporu a předávání know-how provádí CEA z Francie. V budoucnu by se do projektu měla zapojit společnost AMEC z Velká Británie a pravděpodobně i institut z Polska, který je doposud jen v roli pozorovatele.

Rozvržení plánů vývoje je následující [5]:

  • 2010-2013 Přípravná fáze
  • 2013-2025 Licencování a stavební fáze
  • 2026-2046 Provoz reaktoru Allegro
  • 2046 -2076 Fáze vyřazování z provozu

Nutno podotknout, že budoucnost projektu Allegro je závislá na ekonomické podpoře ze strany vlád jednotlivých zemí a zemí EU. Nicméně i globální pohled na jadernou energii tvoří velkou váhu, která dokáže v případě rozsáhlé havárie změnit veškeré plány týkajících se provozu jaderných reaktorů a zpomalit či dokonce zastavit vývoj nových zařízení. Jak tomu bylo před čtyřmi lety po havárii Fukušima.

 

Milan Routner

 

Zdroje:

[1] Jacques Rouault: The Gas-cooled Fast Reactor (GFR) Objectives and basic design features, ALLEGRO meeting with Central Europe Consortium (AEKI, UJV, VUJE) – February 11th, 2010 – CEA Saclay

[2]  P. Richard – Y. Péneliau – M. Zabiégo: Reference GFR 2400 MWth core definition at start of GOFASTR, Deliverable D1.1-1, CEA/DEN/CAD/DER/SESI/LC4G DO2 26/03/10

[3]  HUSSEIN Khalil, The Gas-cooled Fast Reactor System, Argonne National Laboratory

[4]   STAINSBY, R., PEERS, K., MITCHELL, C., a ostatní, Gas cooled Fast Reactor Research and Development In European Union, Science and Technology of Nuclear Installations, Volume 2009 (2009), Article ID 238624.

[5] C. Poette, N. Alpy, C. Bassi, F. Morin, S. Dardour, F. Bentivoglio, N. Tauveron: ALLEGRO 75 MW system definition at start of GOFASTR (Deliverable D1.2-2), CEA/DEN/CAD/DER/SESI/LC4G/NT DO XX du JJ/MM/AA

 

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

O autorovi

admin

3 Comments

    Rychlé reaktory jsou považovány za budoucnost jaderné energetiky. Řada společností proto pracuje na svých vlastních projektech. Jako perspektivní se jeví tři typy reaktorů – hlazené sodíkem, olovem a plynem. Projekty olovem a plynem chlazených reaktorů sice stále pokračují, nicméně firmy berou tyto projekty jako záložní technologie. Od sodíkových reaktorů je očekávána největší ekonomická výhodnost. V oblasti sodíkových reaktorů existuje řada designů, jako nejvíce životaschopné se jeví ruské reaktory řady BN.

    Připadá mi, že Evropa trošku zaspala. Například Rusko rychlý reaktor komerčně provozuje už několik desítek let (BN-600), další větší komerční rychlý blok uvádí do provozu (BN-800) a v roce 2025 plánuje uvést do provozu ještě větší variantu BN-1200, která má být dokonce ekonomicky konkurenceschopná jak tlakovodním reaktorům, tak třeba plynovým elektrárnám. Ono ani ty rychlé reaktory chlazené olovem bych tak nezatracoval, například takový SVBR-100 bude velmi zajímavým projektem, nakolik úspěšným ukáže až budoucnost.

    Mohou se očekávat velké teplotní rozdíly na vstupu chladících plynů do reaktoru, jejich nerovnoměrné proudění v určitých místech uvnitř reaktorové nádoby. Bude to vyžadovat testy pro příslušné konstrukční úpravy, rovněž kapacitní výkonost výměníků, kompresorů a chladičů – značně náročné pro běžný provoz.

Leave a Reply

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

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