Projekt Energy Well, aneb Let’s make Czechia great again

Jedná se o český koncepční návrh malého modulárního reaktoru chlazeného roztavenou solí. Jedna z výhod tohoto konceptu se skrývá právě v samotné modularitě reaktoru, potažmo celé elektrárny/teplárny. Jednotka by měla být ve výrobním závodě sestavena do ucelených modulů, které by následně v místě budoucího provozu měly být kompletovány s výrazně nižšími požadavky na dobu instalace, oproti klasickým velkým jaderným zdrojům. Dalším důvodem pro výstavbu modulárních jaderných elektráren/tepláren je také snížení nákladů na výstavbu.

Konkrétně je Energy Well pokročilý inherentně bezpečný, vysokoteplotní reaktor s malým výkonem, určený především pro odlehlé oblasti jako dlouhodobý zdroj elektrické, případně tepelné energie. Na projekt jsou kladeny následné požadavky:

• Výkon do 20 MWt
• Transportovatelnost z výrobního závodu do místa provozu a naopak
• Dlouhá palivová kampaň, palivo je vyměňováno v místě výrobního závodu
• Bezpečný provoz s minimálními požadavky na obsluhu
• Obohacení paliva 15 %
• Tepelná účinnost nad 40 %

Základní konstrukční informace

Návrh se skládá ze tří okruhů. V primárním okruhu jsou uloženy následující hlavní části. První z nich je nádoba reaktoru, jež zároveň slouží jako transportní kontejner. Uvnitř této nádoby jsou umístěny všechny komponenty primárního okruhu. Mezi ně patří např. aktivní zóna reaktoru, která se skládá z devatenácti šestihranných palivových souborů. Tyto palivové soubory jsou tvořeny TRISO částicemi, jejichž pracovní teplota se může pohybovat mezi 750 – 950 °C a které jsou rozptýleny v grafitové matrici.

Aktivní část je poté obklopena reflektorem, který má na starosti vracet unikající neutrony zpátky do zóny a chránit nádobu reaktoru před intenzivním neutronovým tokem. V horní části aktivní zóny je umístěna směšovací komora, jež slouží pro promísení vystupujícího chladiva. Cirkulaci chladícího média zajišťují sestupné kanály, jež jsou napojené na cirkulační čerpadlo a kompenzátor objemu. Dále jsou součástí reaktoru regulační tyče ve tvaru Y spolu s  lineárními krokovými pohony.

Jako nezávislý bezpečnostní systém pro havarijní odstavení reaktoru slouží kapsle s absorbátorem, jež je umístěna v rámci aktivní zóny a při dosažení havarijní teploty dojde k jejímu protavení a následnému zanesení záporné reaktivity. Poslední komponentou primárního oběhu je tepelný výměník, sloužící pro přenos generovaného tepla do sekundárního okruhu.

Sekundární okruh slouží k oddělení primárního okruhu od terciálního a tvoří bariéru v případě netěsnosti tepelného výměníku ze strany primárního okruhu. Hlavní komponenty okruhu představuje tepelný výměník mezi primární a sekundární částí, tzv. výměník sůl/sůl. Dále tepelný výměník mezi sekundární a terciální částí, tzv. výměník sůl/superkritické CO2 a cirkulačního čerpadla, zajišťující proudění v tomto okruhu. Kromě toho se zde vyskytují další pomocné systémy související se zajištěním spolehlivého a bezpečného provozu.

Konstrukčně je okruh řešen jako samostatný modul umístěný v příslušném transportním kontejneru, ale nabízí se možnost jeho integrace do společného kontejneru s komponenty terciálního okruhu.  Terciální okruh je tvořen Ericsson–Braytonovým oběhem s využitím CO2 za jeho superkritických parametrů. Tepelné oběhy se superkritickým CO2 jsou z termodynamického pohledu velmi atraktivní díky vysoké účinnosti a možnostem kompaktního konstrukčního řešení. V rámci tepelných oběhů se superkritickým CO2 probíhá v CVŘ velmi úspěšný a intenzivní výzkum. Konkrétní návrh terciálního okruhu zatím není určen, uvažovány jsou dvě konfigurace a to regenerační oběh s rekuperací a rekompresní oběh.

Proč právě fluoridové soli jako teplonosné médium?

Fluoridové soli byly zvoleny ze dvou důvodů. Prvním z nich jsou bohaté zkušenosti České republiky v oblasti chemie a technologií spojených s fluoridovými solemi. Díky laboratořím ÚJV, CVŘ a dalších výzkumných institucí existuje v rámci České republiky jedno ze tří světových center zbývajících se solnými technologiemi. K tomuto faktu se váže spolupráce s Národními laboratořemi v Oak Ridge a mezinárodní dohoda mezi Českou republikou a USA, jež umožňuje využití fluoridové soli FLiBe v konkrétním izotopickém složení, jež by mělo být aplikované v primárním okruhu tohoto reaktoru.

Druhým důvodem pro jejich použití jsou velmi příznivé termodynamické vlastnosti, jimiž disponují. Především se jedná o vysokou tepelnou kapacitu a teplotu varu, která v závislosti na chemickém složení činní i 1 500 °C. Některé fluoridové soli mají také oproti vodě, za jejich předpokládaných pracovních podmínek výrazně vyšší tepelnou vodivost. V neposlední řadě mezi výhody solí patří možnost jejich aplikace i za atmosférického tlaku, což eliminuje havarijní scénáře vycházející z vysokotlakého prostředí.

Financování projektu

Projekt Energy Well je výsledkem dlouhodobého výzkumu a vývoje reaktorů čtvrté generace. Základní bloky projektu stojí na činnostech financovaných z různých dotačních příležitostí, například skrze Technologickou agenturu České republiky (TAČR). Na rozdíl od běžného procesu vývoje začala skupina ÚJV stavět design malého reaktoru na existujících kompetencích budovaných posledních 60 let v oboru jaderného výzkumu a z toho posledních 10 let s přímým zaměřením na technologie čtvrté generace. Myšlenka budování malého reaktoru vznikla v roce 2017, kdy se skupina ÚJV rozhodla za pomoci existujícího výzkumu rozjet přímý vývoj této technologie. Od té doby je projekt financován částečně ze soukromých zdrojů skupiny ÚJV a velkou měrou skrze TAČR.

Aktuální fáze projektu a další kroky

Momentálně je zpracován konstrukční návrh projektu. Dále parametrická studie aktivní zóny, jejímž cílem byla optimalizace délky palivového cyklu a samotného využití paliva. Pomocí neutronových kódů byla ověřena možnost použití neutronových absorbátorů založených na gadoliniu a erbiu, a to hlavně v rámci zaručení kompenzace reaktivity po celou dobu palivového cyklu. Za pomocí softwaru ClaRa, jenž je postaven na programovacím jazyce Modelica, byl sestaven termohydraulický model reaktoru.

Mezi další probíhající aktivity patří příprava mock-up modelu, což je principiálně demonstrační jednotka bez jaderné části a jako zdroj tepelné energie jsou používány elektrické ohříváky. V rámci této jednotky by mělo dojít k validaci termohydraulických výpočtů a ucelení současné podoby designu. Pro validaci neutronových výpočtů probíhají výzkumné práce na reaktoru LR-0.  V rámci fluoridových solí probíhá intenzivní výzkum jejich interakce s konstrukčními materiály. Mimo vědecko-technické výzkumné aktivity probíhají také ekonomické studie a průzkum trhu. Závěrem lze říci, že Energy Well v dnešní době zvýšené poptávky po malých modulárních reaktorech, tvoří příležitost pro český průmysl. Návrh lze využít pro vytvoření silné technologické obchodní značky ČR a zajistit vývoz kvalifikované práce s vysokou přidanou hodnotou.

Michaela Žabčíková

Zdroj:
Centrum výzkumu Řež

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