HeFASTo

Ambiciózní projekt inovativního jaderného reaktoru budoucnosti, který by mohl být odpovědí na nové podmínky v energetice, nástup elektromobility a vodíkových technologií, s potenciálem využít i vyhořelé jaderné palivo současných reaktorů.

Energetika je jedním z nejdůležitějších průmyslových odvětví. Zajišťuje totiž nejen naše pohodlí, ale je podstatná pro samotné přežití civilizace, jak ji dnes vnímáme. Energetika dnes stojí mj. před přechodem od fosilních paliv na ekologicky šetrnější způsoby výroby tepla a elektřiny. S vysokou pravděpodobností nás čeká masivní rozvoj elektromobility, automatizace průmyslu i domácností, které zásadně navýší a změní strukturu spotřeby energie během denního i ročního cyklu.

Jaderné reaktory nové generace

Jaderná energie je v současné době stále jediným stabilně produkujícím nízkoemisním zdrojem energie, který lidstvo dokáže efektivně využívat. Kvůli rostoucí poptávce po spolehlivých ekologických zdrojích elektřiny a tepla se v příštích dekádách dají očekávat dva radikálně odlišné scénáře. Buď se podaří vyřešit problematiku efektivního vysokokapacitního ukládání energie z obnovitelných zdrojů, nebo přijde nová vlna rozvoje jaderné energetiky. S tím se ale vrací i otázka dostupných světových zásob uranu a množství vyhořelého jaderného paliva.

K palivovému cyklu jaderných reaktorů je možné přistoupit různými způsoby. Otevřený palivový cyklus bere palivo jako spotřební surovinu, pro použití v reaktoru je potřeba ho dostatečně obohatit zvýšením podílu izotopu U-235. Po jeho vyhoření je palivo určeno „pod zem“ pro uskladnění do hlubinného úložiště. Oproti tomu uzavřený palivový cyklus využívá toho, že i ve vyhořelém palivu jsou štěpitelné izotopy plutonia vznikající ozařováním U-238, které je možné separovat a použít pro následující generaci paliva místo U-235. Nejrozšířenější reaktory současnosti chlazené a moderované lehkou vodou ale nejsou pro uzavřený palivový cyklus vhodné – počet cyklů přepracování paliva je omezený spektrem vznikajících izotopů a poměr „množení“ plutonia je v nich nízký. Alternativu představují jaderné reaktory pracující s rychlým spektrem neutronů. Ty je kvůli absenci moderátoru nutné zpočátku „nabít“ štěpným materiálem na vyšší úroveň než lehkovodní reaktory, za provozu ale mohou produkovat více štěpného materiálu, než samy spotřebují. Využití těchto reaktorů není nová myšlenka – už v šedesátých a sedmdesátých letech minulého století se předpokládalo, že lehkovodní reaktory jsou jen přechodná fáze, než bude dokončen vývoj rychlých reaktorů. Kombinace technických problémů prototypů rychlých reaktorů, nízké ceny uranu, obav z šíření štěpných materiálů pro nemírové účely a exponenciálně rostoucích nákladů na vývoj nových jaderných reaktorů, splňujících stále náročnější bezpečnostní požadavky, nakonec vedla k tomu, že rychlé reaktory se v energetice neprosadily a uzavřený palivový cyklus v průmyslovém měřítku nyní používá na  celém světě pouze Francie.

V současné době jsou zásoby uranu ve světě velké, nicméně s případným rozvojem lehkovodních malých modulárních reaktorů by se uran brzy mohl stát nedostatkovým. V takovém případě by se palivo, generované množivou reakcí v rychlých reaktorech, stalo nezbytnou komoditou pro celý jaderný průmysl. Jaderné reaktory s rychlým spektrem neutronů se tedy opět začínají dostávat do popředí zájmu.

Řez kontejnmentem reaktoru HeFASTo.

Na přelomu tisíciletí vznikla mezinárodní organizace Generation IV International Forum (Mezinárodní Fórum pro 4. generaci – GIF), sdružující experty v oblasti energetiky a jaderných reaktorů. Ta si dala za cíl vybrat z desítek potenciálně zajímavých konceptů nových jaderných technologií několik nejperspektivnějších, jimž bude věnována největší pozornost. Tato iniciativa vyústila v roce 2001 v konečný výběr šesti technologií. Tři z těchto šesti konceptů pro 21. století jsou čistě rychlé reaktory, dva další (reaktory chlazené tekutými solemi a superkritickou vodou) mohou být rychlé. Nutnost uzavření palivového cyklu tak byla jasně vyjádřena převahou technologií schopných pracovat s rychlými neutrony.

Technologie plynem chlazeného rychlého reaktoru

Jednou z vybraných technologií těchto reaktorů, které do budoucna slibují přinést udržitelný, inherentně bezpečný a nízkoemisní zdroj energie, je koncept rychlého reaktoru chlazeného plynem (GFR – Gas-cooled Fast Reactor). Ten kombinuje výhody jaderných reaktorů využívajících rychlé spektrum neutronů s vysokou výstupní teplotou chladiva. Nezanedbatelnou výhodou je na poměry rychlých reaktorů i vysoká bezpečnost provozu samotné aktivní zóny, protože v ní nemůže dojít k varu chladiva.

Zatímco rychlých jaderných reaktorů bylo, nebo stále je, ve světě provozováno už více než dvacet a plynem chlazené reaktory dodnes tvoří páteř energetické soustavy ve Velké Británii, kombinace obou těchto technologií v podobě GFR nikdy realizována nebyla. Přesto má za sebou bohatou historii výzkumných a vývojových projektů, sahající až do konce šedesátých let 20. století. Vývoj probíhal v Evropě, SSSR, USA i Japonsku. Limitujícím faktorem však zůstávaly dostupné materiály a technologie a s rozvojem sodíkem chlazených rychlých reaktorů vývoj GFR postupně ustal úplně. Obnoven byl až v 21. století v rámci již zmíněné mezinárodní organizace GIF. Znovu se tak rozběhl výzkum a vývoj, a to především v Evropě, USA a Japonsku.

V České republice se na vývoji této technologie dlouhodobě podílí skupina ÚJV pod vedením ÚJV Řež (bývalý Ústav jaderného výzkumu v Řeži) ve spolupráci s českým průmyslem a univerzitami. Od roku 2010 se podílí na vývoji konceptu demonstračního reaktoru GFR s názvem ALLEGRO v rámci mezinárodního konsorcia V4G4 CoE (Visegrádská čtyřka pro čtvrtou generaci) spolu s partnery ze Slovenska, Maďarska, Polska a Francie.

HeFASTo

HeFASTo je ryze český projekt pokročilého modulárního reaktoru založeného na technologii GFR, vyvíjený společností ÚJV Řež. S tepelným výkonem 200 MW se řadí do  skupiny reaktorů spíše menšího výkonu. Je navržen tak, aby jeho využití bylo pokud možno univerzální se schopností snižovat množství vysoce aktivního jaderného odpadu a zároveň vyrábět velice efektivně elektřinu a dodávat teplo pro výrobu vodíku nebo jiné vysokoteplotní chemické procesy.

Systém aktivní zóny (vpravo) uzavřené ve speciálním koši (uprostřed) a její umístění v reaktorové nádobě (vlevo).

Malé modulární reaktory (MMR), mezi které se HeFASTo svým konceptem řadí, jsou moderní alternativou k tradičním velkým elektrárnám. Bylo by však chybou ztotožnit MMR s reaktory malého výkonu. To, čím jsou MMR unikátní, tkví především v druhém slově zkratky – modulární. Tradiční postup výstavby jaderných elektráren připomíná stavbu prototypů, každá elektrárna je více či méně odlišná, budovaná na zakázku. Modulární reaktory sázejí na snížení investičních nákladů použitím typizovaných dílů, které se na místě stavby pouze složí dohromady. V konceptu HeFASTo je tento princip uplatněn na dvou úrovních. Všechny hlavní komponenty a systémy z nich složené, jako jsou tepelné výměníky nebo bezpečnostní systémy, jsou od začátku projektované jako soubor samostatných modulů, spojených dohromady rozebíratelnými spoji. Tento přístup jednak značně rozšíří a zrychlí provozní inspekce a případné opravy, hlavně však povede ke značnému snížení nákladů na výrobu a zvýšení finální kvality jednotlivých komponent. Druhá úroveň modularity se nachází na  straně sekundárního okruhu, kde se počítá s možností připojení jednoho až tří modulů, využívajících teplo z primárního okruhu. Jedná se o modul výroby elektřiny (spojený s terciárním okruhem využívajícím odpadní teplo a zvyšujícím účinnost), modul pro výrobu vodíku pomocí vysokoteplotní elektrolýzy a modul pro přímé dodávky tepla pro další využití s garantovanou teplotou 850 °C na straně spotřebitele.

Vedle ekonomické efektivity vyniká koncept HeFASTo i úrovní bezpečnosti, která je ještě vyšší než u nejmodernějších současně provozovaných jaderných reaktorů. Je toho dosaženo výhradním použitím takzvaných pasivních bezpečnostních systémů, které fungují čistě na základě fyzikálních principů, jako je gravitace nebo rozdíl tlaků, tj. bez nutnosti zásahu zvenčí (s využitím součástek poháněných motorem a řízených elektronikou). Je zde výrazně omezeno i množství pohyblivých součástek, což vede k dalšímu zvýšení spolehlivosti celého systému. Ve výsledku je tak pravděpodobnost těžké havárie se závažným únikem radioaktivity snížena na extrémně nízkou úroveň, srovnatelnou např. s pádem obřího asteroidu na povrch Země.

Dalším aspektem, který zvyšuje jak spolehlivost a bezpečnost elektrárny, tak její ekonomickou rentabilitu, je předpoklad velmi dlouhé palivové kampaně, která je plánovaná na 5 let. Po dobu 5 let tedy vsázka paliva neopustí reaktor, který tak může běžet takřka nepřetržitě díky zmiňovanému uzavřenému palivovému cyklu, pouze s krátkými odstávkami pro fyzickou kontrolu důležitých systémů. Riziko havárie či zneužití jaderného materiálu při výměně paliva je minimalizováno inovativním řešením aktivní zóny, která je celá včetně regulačních tyčí držena pohromadě jako celek ve speciálním koši, a je s ní jako s celkem i manipulováno při výměně paliva. Na  jednotlivé kazety obsahující štěpný materiál se aktivní zóna rozebere až po přepravě do  speciálního přepracovacího závodu.

S komerčním nasazením reaktoru se počítá hlavně v souvislosti s růstem poptávky po masové výrobě vodíku a také s potřebou zpracování nahromaděného vyhořelého paliva z lehkovodních reaktorů, tedy výhledově přibližně v polovině 21. století. V současné době už probíhá vývoj reaktoru v rámci tzv. předkoncepční fáze. Prostor pro vstup strategického investora se očekává po roce 2025, kdy by měl být koncept celého zařízení již v pokročilejší fázi vývoje. První jednotka HeFASTo by tak mohla získat povolení k výstavbě v roce 2040. 

Článek vychází s podporou ÚJV Řež.