Evropský rychlý reaktor ALLEGRO

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].

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

 

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.

 

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: (T_vstup = 260°C, T_výstup=530°C, T_maxMOX=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: T_vstup=400°C, T_výstup=850°C.

 

 

 

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.