Ambiciozní plán: Velký tlakovodní reaktor s integrovanou koncepcí

Američtí vědci si zvolili velice ambiciozní cíl, když začali vyvíjet inherentně bezpečný tlakovodní reaktor s integrovanou konstrukcí a velkým výkonem označovaný jako I2S-LWR. Tato koncepce kombinuje velký výkon a jeho ekonomickou konkurenceschopnost s integrovanou konstrukcí a jejím bezpečnostním přínosem. Projektanti tvrdí, že díky novým technologiím budou schopni zmáčknout 1GWe reaktor a primární okruh do jedné nádoby.

Zjednodušené schéma uspořádání reaktorové nádoby. (Zdroj: Ieee.org)

Pro vysvětlení, o co se vlastně jedná, inherentní bezpečnost znamená, že nejvážnější havárie jsou vyloučeny již projektem reaktoru. Například vyloučení havárie typu LOCA (Loss of coolant accident) lze dosáhnout integrováním primárního okruhu do jedné jediné nádoby, tím totiž znemožníme vznik netěsnosti v primárním okruhu, kterou by mohla uniknout chladicí látka, což by znamenalo ztrátu schopnosti chladit aktivní zónu a mohlo by dojít až k jejímu roztavení. (Více o tomto typu havárií a přípravě elektráren na ni najdete v tomto článku). Tato integrovaná koncepce sice není novinkou, protože se s ní můžeme setkat v celé řadě malých modulárních reaktorů ať už projektovaných americkými společnostmi nebo ruskou AKME-Engineering, ale u reaktoru s velkým výkonem, mezi něž se I2S-LWR se svými 1000 MWe také řadí, se o to ještě nikdo nepokusil.

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

Na vývoji reaktoru I2S-LWR se podílí celá řada amerických univerzit a soukromých společností. V čele stojí Georgia Institue of Technology, která sdružuje následující univerzity: University of Idaho, University of Michigan, Morehouse College, University of Tennessee, Virginia Tech, Florida Institue of Technology. Ze soukromých společností se na projektu podílí Westinghouse Elecrtic Company a Southern Nuclear Operating Company; a také státní výzkumný ústav Idaho National Laboratory. Na projektu spolupracují i zahraniční univerzity jako italská Politecnico di Milano, britská University of Cambridge a chorvatská University of Zagreb, takže je vidět, že rozsah členů týmu je značný. Projekt probíhá pod záštitou programu Integrated Research Projects (IRP), který je součástí programu Nuclear Engineering University Programs (NEUP) podporovaného americkým ministerstvem energetiky (Department of Energy – DoE).

Cílem zapojených institucí je zvýšit výkonnost a bezpečnost za hranice současných reaktorů generace III+, což je velká výzva z několika hlavních důvodů. Současné lehkovodní reaktory byly optimalizovány celá desetiletí, ale požadavky projektantů jsou natolik ambiciozní, že další optimalizací jich není možno tak rychle dosáhnout. Ke slovu tedy musí přijít novátorské technologie, z nichž většina dosud nebyla použita v ekonomické sféře a některé ani ve výzkumné.

Při návrhu mnoha malých modulárních reaktorů (angl. small modular reactor – SMR) bylo zvýšení bezpečnosti dosaženo integrovanou konstrukcí, což ale znamená zvětšení rozměrů reaktorové nádoby a velká omezení na velikost zařízení, která jsou obvykle umístěna vně tlakové nádoby, jako jsou např. výměníky tepla. V důsledku to znamená omezený výkon jen na několik stovek MWe. Projekt I2S-LWR se ale snaží toto omezení překonat a dosáhnout o řád vyššího výkonu. Ukazuje se totiž, že bloky s velkým výkonem jsou na trhu konkurenceschopné a energetické trhy některých zemí jim dávají jednoznačně přednost.

Projektanti dbali na co nejvyšší míru pasivní bezpečnosti a ve výsledku tak reaktor spoléhá výhradně na pasivní bezpečnostní systémy. Nová koncepce dále přináší zvýšení odolnosti vůči zemětřesení a jiným externím vlivům (záplavy, uragán, pád letadla...) a je vybavena systémem pasivního odvodu zbytkového tepla, který prodlužuje dobu, během níž ještě není při případné havárii vyžadován zásah operátora bloku.

Model reaktorové nádoby vytištěný pomocí 3D tiskárny. (Zdroj: Neimagazine.com)

Palivo pro reaktor koncepce I2S-LWR

Cílů, které si projektanti stanovili, by bylo velice těžké dosáhnout bez novátorských technologií, obzvláště problematické by bylo dosažení velkého měrného výkonu aktivní zóny (o 15 až 40 % většího než u současných lehkovodních reaktorů) a výhodného poměru plochy výměníků tepla ku jejich objemu, a tedy velikosti.

Současné palivo používané v tlakovodních reaktorech je v zásadě oxid uraničitý s zirkoniovým pokrytím. Tento přístup podle tvůrců projektu I2S-LWR ale neposkytuje dostatečný prostor pro zvyšování tepelného výkonu, protože použitá látka na výrobu peletek nezabezpečuje přijatelnou životnost paliva v aktivní zóně v případě zvýšení výkonu a materiál tvořící pokrytí může v případě havárie způsobit vytváření vodíku, který představuje ohrožení pro bezpečnost reaktoru.

Namísto tohoto paliva navrhují projektanti použít silicid uranu U₃Si₂ a pokrytí slitinou FeCrAl. Těmto materiálům je v současné době věnována velká pozornost a jejich testování buďto již probíhá, nebo bude brzy zahájeno. V tomto případě by bylo dosaženo lepší tepelné vodivosti, větší rezervy v tepelném výkonu pro další vývoj a většího množství paliva v aktivní zóně, což by prodloužilo dobu mezi jeho výměnami.

Je zkoumána i možnost použití klasického paliva tvořeného UO₂ se zirkoniovým pokrytím, takže reaktor I2S-LWR bude moci být rychle rozvinut i v případě protahujících se zkoušek nového paliva. Slovo „rychle“ v předchozí větě ale musíme brát s rezervou, protože se zatím jedná o projekt v počáteční fázi a než bude postaven demonstrační blok (pokud vůbec bude postaven), může uběhnout i pár desítek let.

Půdorysné schéma uspořádání komponent v reaktorové nádobě. Uprostřed se nachází aktivní zóna a kolem ní jsou rozeskládané výměníky tepla a systémy na odvod zbytkového tepla. Jednotlivé komponenty nejsou navzájem v měřítku a počet výměníků tepla se může ve výsledku lišit. (Zdroj: Neimagazine.com)

V dalším pokračování se podíváme na speciální kompaktní výměník tepla, s nímž projektanti počítají v projektu I2S-LWR, a na další zajímavé parametry tohoto reaktoru.

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