Solný reaktor IMSR-400

Solné reaktory jsou jaderné reaktory, chlazené roztavenou fluoridovou či chloridovou solí. V případě fluoridové soli se sůl skládá ze směsí různých fluoridů, jako je např. fluorid litný (LiF), fluorid draselný (KF), fluorid berilnatý (BeF2) nebo fluorid sodný (NaF) a palivo v ní rozpuštěné (kolující celým primárním okruhem) taktéž ve fluoridové formě, např. fluorid uraničitý (UF4), fluorid plutonitý (PuF3) nebo fluorid thoričitý (ThF4). U chloridových solí se sůl může skládat z chloridu lithného (LiCl), chloridu sodného (NaCl), chloridu draselného (KCl), či chloridu hořečnatého (MgCl2). V případě vysokoteplotních reaktorů může být palivo v pevném stavu ve formě TRISO koulí, tzv. Pebble Bed. Jedná se o částečky paliva (oxykarbid uranu, obohacení do 10 %) rozptýlené v grafitových koulích o velikosti 3 cm. V případě klasických solných reaktorů pracujících v tepelném spektru neutronů je v aktivní zóně grafit, který slouží jako moderátor.

IMSR-400

Reaktor IMSR (Integral Molten Salt Reactor) je malý modulární jaderný reaktor o tepelném výkonu 400 MW, chlazený roztavenou fluoridovou solí. Disponuje plně uzavřenou nádobou reaktoru s integrovanými čerpadly, výměníky tepla a řídícími tyčemi. Tato nádoba je na konci životnosti grafitového moderátoru nahrazena novou jednotkou. Plánovaná životnost celého bloku dosahuje 60 let.

Hlavní technické parametry IMSR-400

Palivo

V reaktoru IMSR nejsou klasické palivové soubory, jak je známe z našich tlakovodních reaktorů, ale palivo je v kapalném stavu. Může sestávat z nízko obohaceného fluoridu uranu, fluoridu plutonia, fluoridu thoria nebo jakékoliv směsi těchto látek. První model svého druhu IMSR-400 však využije pouze jednorázový palivový cyklus s nízko obohaceným uranem, protože to je nejjednodušší volba. Směs palivové a chladicí kapaliny se čerpá mezi aktivní zónou, kde díky moderátoru (grafitu) probíhá štěpná řetězová reakce, přes integrované výměníky tepla, kde se teplo přenáší do sekundární smyčky chladicí soli.

Chladicí systém

IMSR využívá jako chladivo roztavenou fluoridovou sůl, vysoce stabilní látku, která je přibližně od 450 °C (záleží na složení soli) kapalná. Roztavená sůl má výborné chladicí vlastnosti. Sekundární chladicí sůl neobsahuje palivo a přenáší teplo z primárních výměníků tepla integrovaných uvnitř reaktorové nádoby na sekundární výměníky, jak je znázorněno na schématu. Zde je možné jej využít hned k několika aplikacím, jako jsou vysokoteplotní procesy nebo tvorba přehřáté páry pro turbínu a následná výroba elektrické energie.

Výměnná reaktorová jednotka (Core-unit)

Reaktor IMSR-400 je výjimečný svou vyjímatelnou reaktorovou nádobou. Grafit nacházející se v aktivní zóně reaktoru má vlivem vysoké hustoty toku energie omezenou životnost. Vyměňovat grafitové bloky je značně obtížné. Proto přišla Terrestrial Energy s návrhem udělat reaktorovou nádobu vyjímatelnou, čímž zvýší bezpečnost i ekonomiku provozu.

Zřetelná inovace IMSR je elegantním řešením tohoto problému, a to integrace prvků primárního okruhu včetně moderátoru (grafitu) do uzavřené a vyměnitelné nádoby reaktoru. Jedna jednotka IMSR, která má životnost sedm let, je jednoduchá a bezpečná. Zajišťuje také, že jsou splněny požadavky na životnost ostatních komponent aktivní zóny (AZ) reaktoru.

Manipulace s palivem a přístup k výměně reaktorové nádoby

Čerstvé palivo je samostatně přiváženo na místo elektrárny jako pevná látka, kde je následně roztaveno a přidáváno do reaktorové nádoby. Vzhledem ke kapalnému stavu paliva lze výměnu provádět kontinuálně za provozu odčerpáváním soli se starým palivem a současné doplňování soli s palivem novým. Po 7 letech provozu se reaktor odstaví a po uplynutí doby nutné k dochlazování je použité palivo čerpáno do robustních nádrží umístěných uvnitř kontejnmentu. Reaktorová budova má dvě reaktorové šachty se společnou infrastrukturou, takže reaktor je po odstavení během svého chladnutí nahrazen čerstvým reaktorem.

Vyčerpaná, prázdná nádoba se pak nechá vychladnout ještě několik dalších let, kdy se její radioaktivita dostatečně sníží, aby bylo umožněno její bezpečné vyjmutí z betonové šachty reaktoru. Po tomto období může být nádoba reaktoru převezena do centrálního zařízení, kde bude recyklována nebo připravena pro sekvestraci (rozřezána na menší části). Podobně může být přepravena i odděleně uskladněná nádrž se solí a použitým jaderným palivem, která je v závodě na přepracování vyčištěna a po doplnění paliva může být znovu použita.

Kontrola reaktivity

Reaktivita reaktoru je regulována tzv. samoregulační schopností, tj. záporným teplotním koeficientem chladiva. Při zvýšení teploty v reaktoru se sůl začne zahřívat a tím zvyšovat objem. Množství paliva se tím pádem na jednotku objemu sníží a štěpná řetězová reakce se samovolně utlumí. Pro řídicí funkci jsou ale primárně určeny absorpční tyče, které jsou také integrovány do základního modulu IMSR. Tyto absorpční tyče navíc bezpečně odstaví reaktor při ztrátě nucené cirkulace, případně při výpadku elektřiny. Další záloha je poskytnuta ve formě tavitelných nádržek, naplněných kapalným absorbátorem, který při přehřátí opět odstaví reaktor.

Bezpečnostní charakteristiky

Reaktor IMSR pracuje při nízkém tlaku, což je dáno teplotou tání soli (450 °C) a velmi vysokou teplotou varu, více než dvojnásobně převyšující normální provozní parametry. IMSR dále rozšiřuje tuto vysokou úroveň inherentní bezpečnosti založené na fyzice s integrovanou architekturou systému. Při výpadku všech cirkulačních čerpadel je sůl v nádobě dochlazována přirozenou konvekcí a následný odvod tepla přes záložní výměníky a tepelnými ztrátami skrz stěnu reaktorové nádoby. Mezi nádobou reaktoru a šachtou reaktoru je vzduchová mezera, která taktéž umožňuje dochlazování. IMSR nezávisí na odtlakování reaktoru nebo přivedení chladicí kapaliny do reaktoru. Všechny požadované funkce řízení a chladiče jsou již přítomné tam, kde jsou zapotřebí, tedy přímo v nádobě IMSR.

Po havárii v jaderné elektrárně Fukušima Dajiči byla na všech tlakovodních a varných reaktorech ve světě zvýšena kapacita zařízení na spalování vodíku v kontejnmentu. U solných reaktorů toto opatření odpadá, jelikož v primárním okruhu se nevyskytuje žádná voda, pouze roztavená sůl.

Nároky na materiály

Materiály, ze kterých bude vyrobena reaktorová nádoba či jiné komponenty a cirkulační potrubí, musí být kvůli vysoké korozivnosti fluoridové sole velmi odolné. Ačkoliv firma Terrestrial Energy nikde takovéto informace neuvádí, z poznatků solných reaktorů by mělo jít o nikl či niklové slitiny.

Současný vývoj

Od posledního příspěvku zde na Atominfu, který pojednával o přezkumu návrhu reaktoru IMSR-400 kanadskou komisí Canadian Nuclear Safety Commission (CNSC) se téměř nic nezměnilo. Avšak Terrestrial Energy uzavřela 14. března 2018 smlouvu o technických službách se Společným výzkumným střediskem Evropské komise (JRC) v německém Karlsruhe. Tato práce je součástí programu validace a ověřování návrhu elektrárny IMSR. JRC provede potvrzující studie směsi paliva IMSR a primární směsi chladicí soli. Zařízení bude provádět zkoušky za podmínek, které jsou v souladu s protokoly o zajištění kvality jaderných kódů a norem, jak je požadováno pro předvedení návrhu jaderné elektrárny prostřednictvím regulačního procesu.

Poznámka autora: Ačkoliv je v dnešní době mnoho známých konceptů solných reaktorů a počítá se s nimi i v 4. generaci jaderných reaktorů, na světě není prozatím jediný funkční komerčně využívaný jaderný reaktor chlazený roztavenou solí. Poslední takto chlazený reaktor byl odstaven v roce 1970. Jednalo se o prototypový reaktor MSRE (Molten Salt Reactor Experiment), na kterém byly demonstrovány některé technologie, jako například odstraňování štěpných produktů za provozu nebo testování různých typů paliv (uran, plutonium).

Bc. Vlach Jiří

Zdroje:
Terrestrialenergy.com
ARIS.IAEA.org
Atominfo.cz
Osel.cz
Nuclearsafety.gc.ca

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