Koncepce reaktoru I2S-LWR

V USA vzniká velice zajímavý projekt jaderného reaktoru, který si klade ambiciozní cíle. Jestli se několika univerzitám podaří spojenými silami těchto cílů dosáhnout, teprve uvidíme, nyní se podívejme na to, co mají v plánu. V první části jsme si řekli několik úvodních slov a trochu jsme si přiblížili, jaké palivo mají projektanti v úmyslu používat.

Tepelné výměníky

Výměníky tepla, které budou předávat teplo z primárního okruhu do sekundárního budou muset být kompaktní, protože budou umístěny uvnitř reaktorové nádoby. Tým projektantů zvažuje několik alternativ výměníků, které budou předávat tepelný výkon téměř 3000 MWt. Tou nejprosazovanější jsou modulární výměníky s mikrokanálky, které jsou schopny předat do sekundárního okruhu velké množství tepla vztaženého k objemu samotného výměníku. Právě poměr povrchu výměníku (kterým je dáno množství přenášeného tepla) ku jeho objemu je pro projektanty důležitý údaj, protože potřebují výměníky co nejmenší, aby nemuseli zvětšovat rozměry reaktorové nádoby.

V reaktorové nádobě by se měly nacházet čtyři dvojice takovýchto modulárních výměníků s mikrokanálky. Každý výměník by měl být složen z deseti modulů, což by usnadnilo případnou budoucí údržbu výměníků. Modul by se skládal z navrstvených desek s vyleptanými kanálky, v nichž by proudila chladicí média, která by se v každém patře střídala. Na obrázku je naznačeno proudění chladicí vody primárního okruhu (červeně) a sekundárního okruhu (modře). (Zdroj: Neimagazine.com)

Rozkreslení desek s mikrokanálky, z nichž se má tepelný výměník pro nový reaktor skládat. (Zdroj: prezentace Integral Inherently Safe Light Water Reactor Concept, Bojan Petrovic)

Tyto tepelné výměníky jsou s úspěchem používány i v jiných průmyslových odvětvích, ale dosud nebyly použity jako parogenerátory v jaderných elektrárnách. Jejich použití pro dvoufázové prostředí (kapalná voda a pára) přináší náročné technické potíže, takže i koncepce I2S-LWR zůstává u jednofázových výměníků (voda je v tomto případě pouze kapalná). Teprve v kombinaci se čtyřmi separátory páry tvoří systém na vyvíjení páry, který je výkonově optimalizován na podobné hodnoty jako u současných klasických tlakovodních reaktorů.

Nákres separátoru páry v sekundárním okruhu. Sytá pára přicházející z tepelných výměníků prochází rozptylovačem, který má funkci škrticí trysky, takže dojde k prudkému snížení tlaku páry a ta se začne dělit na vodu, která klesá díky gravitaci dolů, a páru, která naopak stoupá vzhůru. V horní části separátoru je ještě síťovina sloužící k zachycení vodních kapiček. (Zdroj: Neimagazine.com)

Použití jednofázového tepelného výměníku a separátoru páry přináší několik výhod. Za prvé se tak projektanti vyvarují varu v sekundárním okruhu, což usnadňuje provoz a údržbu výměníků tepla a snížení množství přístrojů potřebných pro běžný provoz. Znamená to tedy zjednodušení konstrukce, vyšší bezpečnost a nižší náklady. Za druhé je možné tlak v sekundárním okruhu udržovat na hodnotě jen o něco málo nižší než je v primárním okruhu, což by snížilo ztrátu chladiva v primárním okruhu, pokud by došlo k prolomení stěn oddělujících primární okruh od sekundárního. Takto vysoká hodnota tlaku v sekundárním okruhu by byla u stávajících tlakovodních bloků neekonomická z důvodu vysokých nákladů na vysokotlaké potrubí vedoucí k turbousoustrojí. Použitím uvedených separátorů páry ale lze snížit délku vysokotlakého potrubí na minimum a tím snížit potřebné náklady.

Hlavní charakteristiky I2S-LWR

Plánovaný výkon reaktoru je 1000 MWe a cílem projektantů je 35% účinnost při výrobě elektřiny, přičemž účinnost českých jaderných elektráren se pohybuje kolem 32 %. Zamýšlená konfigurace aktivní zóny je podobná jako v případě dvousmyčkových reaktorů společnosti Westinghouse, má v ní být 121 palivových kazet. Výraznou odlišností je fakt, že téměř veškerá zařízení a potrubí primárního okruhu jsou integrovaná do reaktorové nádoby, výjimkou jsou jen hlavní cirkulační čerpadla, která z reaktorové nádoby vystupují v její horní části. Uvnitř tlakové nádoby bude i osm tepelných výměníků, čtyři zařízení pro odebírání zbytkového tepla, pohony regulačních tyčí a kompenzátor objemu. Provozní tlak a teplota uvnitř tlakové nádoby je téměř shodná s hodnotami panujícími v současných tlakovodních reaktorech. Chladivo proudí ode dna tlakové nádoby skrze aktivní zónu, kde je ohříváno, a stoupá k oběhovým čerpadlům, která jej ženou směrem dolů přes výměníky tepla až na dno tlakové nádoby, kde znovu začíná svůj oběh.

Schéma uspořádání komponent do tlakové nádoby. (Zdroj: Neimagazine.com)

Jedna sada tepelných výměníků je součástí systému na vyvíjení páry, druhá slouží k odvodu zbytkového tepla. Obě sady jsou plně pasivní a představují redundantní a diverzifikovaný systém odvodu tepla, který je plně schopný provozu i za havarijních podmínek. Výměníky jsou umístěny v prostoru mezi stěnami tlakové nádoby a vnitřním otevřeným válcem, v němž se nachází např. aktivní zóna a regulační tyče.

Půdorysné znázornění pozic komponent uvnitř reaktorové nádoby. (Zdroj: Neimagazine.com)

Při projektování jaderného palivo byla pro získání výchozích údajů analyzována klasická tlakovodní palivová kazeta skládající se ze 17x17 palivových proutků tvořených peletekami oxidu uraničitého. Aby projektanti reaktoru I2S-LWR dosáhli v aktivní zóně vyšší hustoty výkonu vyvinuli palivové kazety s palivovými proutky uspořádanými do čtverce v počtu 19x19. Kromě změny jejich počtu ale došlo i k nahrazení samotného materiálu paliva jiným, kdy bude použit silicid uranu (U₃Si₂) s pokrytím FeCrAl. Nárůst počtu palivových proutků je vyvážen mírným zmenšením jejich průměru, což ve výsledku přináší zvětšení plochy pro přenos tepla z palivových pelet a zlepšuje strukturální odolnost. Předběžná realizační studie termohydraulických vlastností nového paliva potvrdila adekvátní nárůst tepelného výkonu. Aktivní zóna reaktoru I2S-LWR má být vysoká 3,66 metru.

Vědci provedli předběžnou studii zhodnocení realizovatelnosti navrhované podoby aktivní zóny, zaměřili se především na požadovaný stupeň obohacení paliva. Otázkou bylo zda při zvýšení hustoty výkonu v aktivní zóně bude stačit palivo obohacené na standardních zhruba 5 %, nebo bude nutné vyšší obohacení.

Dále proběhla pomocí softwaru NEXUS společnosti Westinghouse simulace různých možností přemisťování jaderného paliva v aktivní zóně během výměny části paliva za čerstvé. Po přihlédnutí k ekonomické studii se projektanti rozhodli, že vzhledem k současnému maximálnímu stupni obohacení paliva stanovenému na 5 % bude ekonomicky nejvýhodnější tříletý cyklus s výměnou třetiny paliva každých 12 měsíců. Pokud by bylo palivo obohaceno na 6,5 %, staly by se ekonomicky výhodné i výměny paliva po 18 a 24 měsících.

Nákresy dvou variant rozložení paliva. Vlevo je varianta s dvěma překládkami, tedy výměnou třetiny paliva za čerstvé, a vpravo s jednou překládkou, tj. výměnou poloviny paliva (Jak je z obrázku patrné, v obou případech bude jedna kazeta přesouvána vícekrát). Symbolem „Fd“ je označeno čerstvé palivo zavezené do reaktoru, „1X“ značí palivo, které bylo jednou překládáno, „2X“ dvakrát přemisťovanou palivovou kazetu a „3X“ třikrát přemisťovanou. (Zdroj: Neimagazine.com)

V dalším díle nás čeká bezpečnost reaktoru I2S-LWR a jeho možné vyhlídky do budoucnosti.

Zdroj: Neimagazine.com, Energy.gov, Ieee.org