Jules Horowitz Reactor – nový stimul nejen pro jadernou medicínu

Jules Horowitz reaktor (JHR) je reaktor, který má sloužit k testování materiálů a paliv vystavených záření a pro lékařské účely. Tento reaktor bude provozován v rámci mezinárodní spolupráce Finska (VTT), Španělska (CIEMAT), Francie (CEA, EDF, AREVA), České republiky (ÚJV Řež), Belgie (SCK), Švédska (VATTENFALL), Spojeného království (NNL), Izraele (IAEC), Indie (DAE), Japonska (JAEA) a Evropskou komisí (JRC). Výstavba byla zahájena ve Francii v městě Cadarache. Francouzská CEA financuje 50 % veškerých nákladů (690 milionů dolarů) na výstavbu a na zbytku se 20 % podílí EDF, výzkumná centra a 10 % AREVA. Výstavba  JHR zahrnuje hlavní a pomocné reaktorové budovy, dále kontrolní budovy, veškeré pomocné budovy (haly, dílny, chladírny atd.) a přípoje na zdroj chlazení. Příprava plánů výstavby 100MWt lehkovodního reaktoru započala v roce 2007 a betonování základů proběhlo v srpnu 2009. JHR má nahradit 70MWt reaktor Osiris, který dříve nahradil některé úlohy 35MWt reaktoru Siolé. První dosažení kritičnosti je plánováno na r. 2016.

 

Popis zařízení a jeho funkce

Aktivní zóna bude zastřešena pod jednou budovou obsahující 2 různé kontejnmenty: reaktorovou budovu a pomocnou reaktorovou budovu – důvodem je snaha soustředit veškerý radioaktivní materiál na jednom místě.  Jedná se o vodou chlazený reaktor, kde maximální tepelný výkon činí 100 MW a energie je během ozařování rozptylována přes primární a sekundární oběh do externího chladícího zdroje. Aktivní zóna, primární oběh a experimentální soupravy jsou umístěny blízko sebe v reaktorové budově. Reaktorový bazén je připojen k několika bazénům na vyhořelé palivo a k horkým komorám umístěným v pomocné reaktorové budově přes vodní blok.

Primární oběh reaktoru je umístěn v reaktorové budově, která je rozdělena do dvou zón. V první zóně se nachází reaktorová hala a primární chladicí systém. Druhá zóna je tzv. experimentální zóna s výskytem zvýšené dávky záření (obsahuje podpůrný systém 10 smyček, gama snímače, laboratoř na analýzu štěpných produktů atd.). Laboratoř na analýzu štěpných produktů bude do tohoto prostoru umístěna z důvodu možnosti napojení na několik palivových smyček, měření málo aktivních plynů, vysoce aktivních plynů, měření vody plynnou chromatografií a hmotnostními spektrometry. Komory a laboratoře zaujímají prostor o rozloze 300 m² na patro v počtu 3 pater. Počet bazénů v reaktorové budově je omezen na reaktorový bazén a bazén zprostředkující deaktivaci (dočasné skladování palivových článků, reflektorových článků nebo výměnu mechanických částí aktivní zóny). Během odstávky reaktoru mohou být experimentální zařízení dočasně skladována ve vyhrazené části reaktorového bazénu.

 

Ozařovací zařízení

Vývoj experimentálních zařízení na JHR nabízí možnost vyvinout novou generaci zařízení, která by splňovala současné technologické a vědecké požadavky stejně tak jako potřeby uživatele. CEA ve spolupráci s ostatními institucemi vyvíjí první experimentální zařízení, která by mohla být použita i pro další lehkovodní reaktory – MADISON, ADELINE a MICA.
MADISON
MADISON “Multi-rod Adaptable Device for Irradiations of experimental fuel Samples Operating in Normal conditions” bude umístěn do prostoru reflektoru na jeden z výtlačných systémů a umožní ozařování 1 až 8 palivových tyčí (pro reaktory typu PWR nebo BWR). Tyto experimenty budou zkoumat jejich chování během běžných pracovních situací. Cílem těchto experimentů bude zkoumat vývoj vlastností paliva jako funkci vyhoření nebo LHGR (Linear Heat Generation Rate). Dále bude zkoumáno koroze pokrytí během ozáření nebo vznik trhlin.

 

ADELINE
Ozařovací smyčka ADELINE bude schopna simulovat několik ozařovacích procesů na nových nebo před-ozářených palivových souborech. Bude se jednat především o simulaci vnitřního přetlaku palivového souboru, rychlé šíření plynů v něm a podmínky tavení v centrálním otvoru palivové peletky.

MICA
MICA je zařízení jehož záměrem bude studovat chování materiálových struktur během ozáření pro lehkovodní reaktory (teplota 300 – 400 °C). Zařízení, používající tepelný difuzor ve formě slitiny sodík-draslík (NaK) bude umístěno do aktivní zóny JHR.

 

Aktivní zóna

Aktivní zóna (600 mm aktivní palivové výšky), která je uložena v malé tlakové nádobě (740 mm v průměru) s nuceným prouděním chladicí kapaliny (nízký tlak v primárním oběhu 1,5 MPa; nízká teplota chladicí kapaliny, nízká vstupní teplota na aktivní zónu 25 °C), je chlazena a moderována vodou. Reaktor bude provozován na nízkoobohaceném palivu (méně než 20%) o vysoké hustotě s tím, že pro budoucí použití je nutný vývoj uran-molybdenového paliva (UMo). Palivový článek je kruhového průřezu (soubor zakřivených plátů smontovaných výztuhami) opatřen centrálním otvorem. Jako náhradní řešení může být JHR provozován na vysoce obohaceném (více než 27 %) palivu sloučeniny U3Si2. Okolí aktivní zóny je obklopeno reflektory, které optimalizují délku cyklu a zajišťují intenzivní tepelnou výměnu v tomto okolí. Prostor reflektorů je tvořen prvky vody a berylia. Ozařovací zařízení může být umístěno buď do prostoru aktivní zóny (do otvoru palivových peletek nebo na místo peletek) nebo do prostoru reflektorů.

 

Vybavení, zařízení

Horké komory, laboratoře, a bazény na vyhořelé palivo jsou umístěny v pomocné reaktorové budově. Experimenty budou využívat dvou horkých komor k řízení experimentálního zařízení před a po ozáření.   Bezpečnostní experimenty jsou důležitou součástí JHR a vyžadují „alfa komory“ ke spravování zařízení s poškozeným experimentálním palivem. Jedna z horkých komor bude věnována přenosu radioizotopu pro lékařské použití a suché evakuaci použitého paliva. Tři skladovací bazény jsou poměrově rozděleny na použité palivo, experimentální zařízení a uložení mechanických komponent.

V horkých komorách bude připravováno palivo i vzorky určené k ozařování, které budou do reaktoru vkládány v tzv. ozařovacích sondách. Mezi komorami a reaktorem budou koše s ozářenými palivovými články a ozařovací sondy převáženy podvodním dopravníkem (silná vrstva vody slouží jako stínění proti záření). Po ozáření budou sondy v komorách rozebírány, vzorky vyjímány, tříděny, vyhodnocovány a ukládány do připojovaných stíněných kontejnerů, ve kterých budou dopravovány k dalšímu zpracování, měření či jinému použití. V komorách bude také zachycován odpad (neopravitelné části ozařovacích sond či vnitřního vybavení reaktoru i horkých komor).  Proběhnou zde také opravy poškozených částí výbavy reaktoru, ozařovacích sond a vlastního vybavení komor. Opravy těchto zařízení spočívají v demontáži poškozeného dílu, popř. bloku spojených dílů, a v montáži nového bloku. Cílem zmíněného uzpůsobení je co nejvíce zjednodušit veškeré úkony, s nimiž se v komorách počítá. Z důvodu ochrany obsluhy komor před ozářením a radioaktivní kontaminací budou operace prováděny na dálku z vnějšku komor.                                             [1]

 

Přínos

Během své předpokládané 50leté životnosti bude reaktor použit k výzkumu materiálů a paliv používaných v jaderné energetice současnosti a budoucnosti.  Studie na tomto reaktoru přispívají ke zvýšení bezpečnosti a optimalizaci současných a budoucích jaderných reaktorů. Udržitelnost vysoce účinných experimentů a odpovídajících expertíz je pro nadcházející desetiletí povinností.

Tento reaktor bude hrát také důležitou roli ve výrobě radioizotopů pro použití v jaderné medicíně napříč Evropou. Bude zásobovat nemocnice radioizotopy o krátké životnosti, které budou sloužit lékařským výzkumům nebo terapeutickým účelům. Bude se jednat především o výrobu  molybdenu 99 a technecia 99m, které medicína využívá ve SPECT metodě (Single Photon Emission Computed Tomography) při zjišťování různých vad a onemocnění.  Vzhledem k tomu, že v současné době není objem výroby těchto izotopů dostatečný, bude jednou z hlavních výzev JHR rozšířit výrobní kapacity.

Anna Fořtová

 

Zdroje:

[1] Řež, Centrum výzkumu. JHR. Praha, 2015.

[2] G. BIGNAN, J. ESTRADE. THE JULES HOROWITZ REACTOR : A NEW HIGH PERFORMANCES EUROPEAN MTR (MATERIAL TESTING REACTOR) WITH MODERNEXPERIMENTAL CAPACITIES : TOWARD AN INTERNATIONALUSER FACILITY. Cadarache,2013.

[3] G. Bignan, X. Bravo, P.M. Lemoine, B. Maugard. The Jules Horowitz Reactor: A New European Material Test Reactor (MTR) Open to International Collaboration — Update Description and Focus on Modern Safety Approach. Cadarache,2011.

[4] EMTR. Jules Horowitz reactor. Cadarache,2008.

[5] CEA. Jules Horowitz reacotr (JHR). Cadarache,2013.

 

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