Rychlý reaktor Allegro pro udržitelnou energetiku

Jaderné energetické zdroje představují, při zajištění potřebné míry bezpečnosti a spolehlivosti, proveditelnou alternativu pro dlouhodobé naplnění energetických potřeb. S ohledem na technicky a ekonomicky dosažitelné zásoby jaderných surovin (uran, thorium), jejichž vyčerpání se při použití v současné době provozovaných a budovaných typů jaderných elektráren předpokládá již v tomto století, je nutné do energetického mixu zařadit tzv. rychlé množivé reaktory.

Současné jaderné energetické reaktory jsou založeny především na štěpení izotopu uranu 235, jehož obsah v uranové rudě tvoří pouze 0,7 %, převážný zbytek tvoří neštěpný izotop uranu 238 a částečně recyklované štěpné plutonium. Rychlé množivé reaktory, v nichž energetické spektrum neutronů umožňuje z uranu 238 nejprve vytvořit plutonium 239 a poté je i štěpit, umožňují využít většinu energetického potenciálu uranové rudy.

Na tomto principu jsou již ve světě provozovány energetické reaktory se sodíkovým chladivem. Jako další technologická alternativa chladiva se předpokládá využití tekutého olova nebo helia.

V tomto článku se budeme zabývat alternativou s heliovým chlazením, s pracovním označením Allegro.

Organizační zajištění

Pro výzkum a vývoj tohoto reaktoru bylo vytvořeno konsorcium organizací 3 zemí: České republiky (Ústav jaderného výzkumu Řež a. s.), Slovenské republiky (Inženýrská společnost VUJE, a. s.) a Maďarska (Výzkumný ústav MTA EK KFKI). Toto konsorcium vytvořilo a podepsalo programový dokument „Memorandum of understanding“, ke kterému se připojila výzkumně vývojová organizace Francie „Commissariat à l’Energie Atomique“ (CEA). Garantem těchto aktivit je Euratom, který v rámci programu EU „European Sustainable Nuclear Industrial Initiative – ESNII“ usiluje o vyčlenění odpovídající částky na výzkum, vývoj a výstavbu prototypu v rozmezí 1,1 – 1,3 mld EUR (analogickým způsobem se předpokládá financování vývoje a výstavby dalších 2 typů reaktorů pro udržitelnou energetiku, s chladivem tekutý sodík – „ASTRID“ nebo tekuté olovo – „ALFRED“).

Konfigurace komponent reaktoru Allegro

Uspořádání komponent reaktoru Allegro je uvedeno na obr. 2 a technologické schéma na obr. 1. Základní komponenty reaktorového systému jsou:

• reaktorová tlaková nádoba,
• aktivní zóna reaktoru s jaderným palivem typu UPuO2 ,
• 2× smyčka chlazení aktivní zóny Heliem (2 tepelné výměníky, 2 dmychadla),
• 3× systém havarijního chlazení a odvodu zbytkového tepla z reaktoru (3 tepelné výměníky, 3 dmychadla).

Součástí projektu jsou i podpůrné systémy (jako například systém pro kontinuální výměnu a doplňování paliva) a systém instrumentace, který by měl poskytovat průběžné informace o provozních parametrech, chování komponent, časovém průběhu veličin a umožňovat zpracování těchto informací pro řízení reaktoru a pro další účely, jakými jsou sledování bezpečnostních parametrů, přechodových procesů, materiálových změn a podklady pro další fázi výzkumu a vývoje tohoto reaktorového systému.

Předpokládá se, že proces výzkumu, vývoje, výstavby, provozování a ukončení provozu reaktoru se bude realizovat v těchto časových etapách:

2010–2013 Přípravná fáze (probíhá)

2013–2017 Vývojová a projekční fáze, možnosti umístění, analýzy vlivu na okolí, výběr dodavatelů

2018–2025 Konstrukční a výrobní fáze, výstavba reaktoru

2025–2026 Povolení provozu

2026–2046 Provozní fáze reaktoru

2046–2076 Fáze vyřazování reaktoru z provozu

Tento časový harmonogram je nutno chápat jako rámcový a současně i optimistický, protože podobně jako u jiných technicky složitých systémů se mohou během vývojové fáze vyskytnout nové technologické problémy, jejichž řešení může mít vliv na předpokládaný časový harmonogram. Další okolností, která bude ovlivňovat především rozběh projektu, resp. jeho přípravné fáze, je současná rozpočtová a finanční situace EU, která může pozměnit pořadí priorit a časově posunout zahájení nového jaderněenergetického programu.

V současné době jsou na úrovni Euratomu připravovány programy pro zintenzivnění výzkumně-vývojového programu v energetice v souvislosti se záměrem EU snížit závislost na dovozu energetických surovin z nestabilních zemí. Součástí této podpory jsou Strukturální fondy EU, které byly v České republice využity i pro investice do zařízení na podporu vývoje nových jaderněenergetických technologií.

Pro experimentální ověření jaderných charakteristik v plynném prostředí aktivní zóny byla vyvinuta a realizována ve spolupráci se Škoda JS, a. s., v Ústavu jaderného výzkumu Řež a. s. a v Centru výzkumu Řež s. r. o. tzv. „heliová smyčka“ reaktoru LVR-15 (obr. 3). Toto zařízení sleduje vlastnosti He prostředí v neutronovém poli a umožňuje provádět materiálový výzkum a experimentální práce pro analýzu statických i dynamických režimů pro vývoj a validaci výpočtových kódů. Validované kódy pak lze použít pro analýzy variant složení skutečné aktivní zóny a jejich provozních režimů.

Dalším důležitým zařízením pro reaktorově fyzikální výzkum je reaktor LR-0. Tento reaktor byl vybudován v období počátku jaderného programu Československa v r. 1972 v rámci programu vývoje těžkovodních plynem chlazených reaktorů. Po přechodu na lehkovodní reaktory byl přestavěn na typ VVER, zejména pro fyzikální testy reaktorů VVER-1000, budovaných v Temelíně. Konfigurace aktivní zóny však umožňuje sestavení i jiných typů palivových zón. Na obr. 4 je konfigurace experimentální kazety jiného typu paliva než VVER, umístěná v centru tzv. „hnacích“ kazet (typu VVER 1000). Tyto „hnací“ kazety vytvářejí neutronové pole v centrální kazetě, která obsahuje analyzovaný typ paliva, resp. materiálu – v tomto případě pro plynem chlazený reaktor.

Bezpečnostní aspekty

Přestože se jedná o výzkumný reaktor, musí splňovat bezpečnostní kritéria požadovaná příslušnou legislativou státu, kde bude postaven. S využitím zkušeností v České republice, Slovenské republice a Maďarsku s výstavbou a provozem několika výzkumných i energetických reaktorů lze předpokládat, že licenční proces bude možno kvalitně připravit a realizovat. Pro bezpečnostní analýzy však bude nutno zajistit potřebné výpočtové nástroje. Pomoc v tomto směru lze očekávat od partnerské organizace CEA (Francie), která analytické nástroje tohoto druhu vlastní a jejich poskytnutí přislíbila včetně zaškolení pracovníků pro jejich používání.

V této oblasti se předpokládá provedení těchto přípravných akcí:

• bezpečnostní analýzy: validaci kódů a předběžné analýzy provede ČR s podporou Francouzského partnera CEA,
• příprava licenčního procesu: maďarská strana připraví koncept vycházející z maďarské legislativy, partneři z ČR a SR doplní o specifika národní legislativy,
• licenční legislativa: bude vytvořena společná „licenční skupina“ pro přípravu dokumentace pro všechny fáze projektu, výstavby, spouštění a provozu (patrně i zásady pro vyřazení z provozu). Tato skupina bude připravovat a realizovat činnosti ve spolupráci s příslušnými „licenčními orgány“,
• specifikace dokumentů: připraví licenční skupina a bude koordinovat, resp. připravovat dokumentaci pro jednotlivé fáze procesu licencování.

Závěr

Rychlé množivé reaktory s uzavřeným palivovým cyklem jsou proveditelnou alternativou zajištění udržitelného rozvoje energetiky na období několika století. Plynem chlazené rychlé množivé reaktory navíc umožňují produkci vysokopotenciálního tepla, které je žádané řadou průmyslových odvětví. Současná iniciativa EU v této oblasti nabízí podstatnou organizační i finanční podporu pro jejich vývoj i výstavbu a instituce zemí České republiky, Slovenska, Maďarska a Francie se připravují tuto příležitost využít.