Jadrové elektrárne budúcnosti - Reaktor chladený roztavenými soľami

Autor: Jakub Lüley | 11.2.2015 o 8:19 | (upravené 11.2.2015 o 23:49) Karma článku: 3,63 | Prečítané:  892x

Reaktor chladený roztavenými soľami patrí medzi šesť konceptov, ktoré tvoria novú generáciu reaktorov pre jadrové elektrárne budúcnosti. Bol vybraný z viac ako sto návrhov pre svoje špecifické vlastnosti a dizajn. Kde tento nápad vznikol a aká je jeho budúcnosť, je témou nasledujúceho príspevku.

Sériu šiestich príspevkov venovaných predstaveniu najperspektívnejších reaktorových konceptov, ktoré v budúcnosti budú zabezpečovať energetické požiadavky ľudstva, by som rád začal tým najneortodoxnejším. Aj keď samotný názov reaktor chladený roztavenými soľami úplne nevystihuje všetky špecifiká, už len predstava chladiť reaktor roztavenými soľami vo mne kedysi vzbudzovala záujem. Zároveň by som chcel postupnosťou jednotlivých príspevkov definovať poradie, s akým záujmom sa pristupuje k jednotlivým konceptom v rámci Európy. Síce začíname tým najneperspektívnejším z najperspektívnych reaktorov, určite však jedným z najzaujímavejších.

História

Koncept reaktora chladeného roztavenými soľami bol vyvinutý v rámci amerického programu leteckých jadrových pohonov (ANP - Aircraft Nuclear Propulsion) začatého už v roku 1946. Práve tento koncept sa javil veľmi sľubne a uskutočniteľne, čo so sebou prinieslo vybudovanie niekoľkých experimentálnych zariadení. Výskum bol sústredený v Oak Ridge National Laboratory (ORNL) v USA, kde bol postavený aj prvý experimentálny reaktor tohto druhu. Navrhnutý bol tak, aby reprezentoval parametre potrebné pre pohon jadrového bombardéra. Lietadlá vybavené takýmito pohonmi by mohli operovať vo vzduchu takmer rok. Výskum v tejto oblasti pokročil natoľko, že bolo zostrojených niekoľko generácií pohonov, ktoré dokopy absolvovali 5004 testovacích megawatt-hodín. Vývoj a testovanie týchto pohonov bol realizovaný v Idaho National Laboratory (INL), taktiež USA.

Prototyp leteckého pohonu poháňaného jadrovým reaktorom v INL.Prototyp leteckého pohonu poháňaného jadrovým reaktorom v INL.

Ako takýto reaktor pracuje?

Princíp činnosti je iný ako je to pri klasických jadrových elektrárňach. V klasickom reaktore, ako je napríklad ruský VVER 440 (skratka pre Vodo-Vodný Energetický Reaktor, okrem iných sa používa aj v slovenských jadrových elektrárňach J. Bohunice a Mochovce),  je palivo vo forme valcových peletiek uzavretých v kovových rúrkach. Tieto rúrky sú zoskupené do konštrukcie palivovej kazety, sústava ktorých tvorí základnú zložku reaktora. V prípade reaktora chladeného roztavenými soľami je uránové palivo roztavené v zmesi lítiovej a berýliovej soli na báze flóru (FLiBe a UF4), čím vytvára jednoliatu zmes s chladivom.  Táto zmes cirkuluje aktívnou časťou reaktora a tepelnými výmenníkmi, kde z väčšej časti odovzdáva tepelnú energiu sekundárnemu okruhu (o tom ako presne vyzerá a funguje jadrová elektráreň sa dozviete tu). Takýto obeh umožňuje kontinuálnu dodávku nového paliva do reaktora a zároveň odoberanie nežiaducich štiepnych produktov vznikajúcich pri prevádzke.

 

Celý proces prevádzky je možné veľmi pekne prirovnať k výrobe zmesi na krovky. Cukor a mlieko, ktoré v našom prípade reprezentujú palivo a chladivo, zmiešame v hrnci nad ohňom (reaktor).  Neustálim miešaním zmesi udržujeme konštantnú teplotu, aby nám zmes nevykypela, prípadne cukor rýchlo neskaramelizoval skôr ako sa premieša s mliekom. Pokiaľ sa nám zmes zdá byť príliš hustá alebo riedka, môžeme ju doplniť buď mliekom alebo cukrom, prípadne počkať kým sa potrebná časť vody neodparí. Jediný rozdiel oproti reaktoru chladeného roztavenými soľami je v tom, že miesto zohrievania hrnca plynom, reaktor sám vyrába teplo.

Neoceniteľnou výhodou použitia roztavenej zmesi paliva a chladiva je v pasívnej prevádzkovej  bezpečnosti, ktorá využíva efekt rozťažnosti kvapalín pri zvyšovaní teploty. Tento jav môžeme nazvať aj efekt ortuťového teplomera. Pri zahriatí určitej časti teplomera, je na základe zvýšenia teploty ortuti, časť objemu vytlačená do priestoru so stupnicou. Tak isto aj nekontrolované zvyšovanie výkonu reaktora je sprevádzané zvyšovaním teploty, a to paliva a chladiva. Keďže v prípade reaktora chladeného soľami ide o jednu zmes v kvapalnom skupenstve, tak ako pri ortuti, zvýšením výkonu je časť objemu tejto zmesi vytlačená mimo aktívnu zónu. Tak ako som už naznačil v jednom z predchádzajúcich príspevkov , na to aby mohla prebiehať kontrolovaná štiepna reakcia je potrebné kritické množstvo štiepneho materiálu. V prípade zvyšovania výkonu je teda v aktívnej zóne stále menej štiepneho materiálu, čo vedie k postupnému zastaveniu štiepnej reakcie a tým k odstaveniu reaktora. Takýto experiment bol vykonaný aj na jednom z experimentálnych reaktorov, kde pri plnom výkone bolo vytiahnuté kontrolné zariadenie. Následné zvýšenie výkonu zapríčinilo bezpečné odstavenie reaktora.

Reaktor štvrtej generácie

Výhod, ktoré tento koncept ponúka je samozrejme veľa. Preto bol právom zaradený medzi perspektívne technológie. Nebudem ich tu spomínať všetky, uvediem len tie, ktoré sú nevyhnutnou požiadavkou pre reaktory štvrtej generácie. Palivo môže byť tvorené nie len uránom, ale aj plutóniom a inými aktinoidmi. Tento reaktor je možné prevádzkovať aj v takzvanom množivom režime, kde si počas prevádzky dokáže vyrobiť nové palivo. Vysoká výstupná teplota palivovej zmesi z reaktora za použitia solí vo forme sodíka a zirkónia, mu umožňuje využitie termochemických procesov na výrobu vodíka. Ak sa však na sekundárnej strane použije rekuperatívny héliový Braytonov cyklus, výroba elektrickej energie dosahuje účinnosť od 44% do 50%.

Rekuperatívny Braytonov cyklu je znázornený aj na obrázku. Jeho princíp spočíva v stláčaní a rozpínaní plynu, v našom prípade hélia, pri kontinuálnom dodávaní tepelnej energie stlačenému plynu v tepelnom výmenníku. Rovnaký princíp sa využíva v spaľovacích motoroch, kde zmes paliva a vzduchu je vháňaná do valca (pri reaktore je to tepelný výmenník). Po zhorení zmesi vzniká vo valci vysoký tlak, ktorý vytlačí piest. V prípade jadrovej elektrárne má tepelný výmenník nemenný objem. Stláčanie zmesi paliva a vzduchu (v reaktore je to hélium) piestom je nahradené kompresorom a vytláčanie piestu je nahradené jednoduchým unikaním plynu z tepelného výmenníka. Rýchlosť unikajúceho plynu je však taká veľká, že je možné s ňou roztáčať turbíny generátora. Aby sa zvýšila účinnosť premeny tepelnej energie na elektrickú, do takéhoto okruhu sa tesne za turbínu umiestni rekuperátor, ktorý využíva odpadové teplo využitého plynu v turbíne na ohrev plynu opätovne vstupujúceho do tepelného výmenníka. Tým pádom je potrebné menej ohriať plyn v tepelnom výmenníku.

Na druhej strane koncept reaktora chladeného roztavenými soľami musí čeliť určitým technologickým výzvam, ktoré ho radia na chvost časového plánu zaradenia energetickej jednotky do prevádzky. Väčšina súvisí práve s použitím solí, kde je potrebné zvládnuť kontrolu a stálosť ich chemického zloženia, čo kladie vysoké požiadavky na konštrukčné materiály. Tým, že štiepny materiál obieha v rámci primárneho okruhu, boli odstránené niektoré ochranné bariéry, čím sa zvyšuje požiadavka aj na bezpečnosť a ochranu proti žiareniu.

Slnečná elektráreň využívajúca roztavenú soľ.Slnečná elektráreň využívajúca roztavenú soľ.

Na záver by som chcel upozorniť aj na projekt slnečnej elektrárne, ktorý taktiež využíva roztavené soli na akumuláciu získanej energie. Roztavené soli sú vynikajúce teplonosné médium a vyznačujú sa vysokou tepelnou zotrvačnosťou. V praxi to znamená, že aj pri strate zdroja tepelnej energie, pri západe slnka alebo vysokej oblačnosti, dokážu ešte niekoľko hodín dodávať tepelnú energiu na výrobu napríklad pary pre parnú turbínu elektrárne. Týmto spôsobom sa dajú eliminovať nevýhody fotovoltaických panelov, ktoré sú priamo závisle na slnečnom svite.

Páčil sa Vám tento článok? Pridajte si blogera medzi obľúbených a my Vám pošleme email keď napíše ďalší článok
Pridaj k obľúbeným

Hlavné správy

ŠPORT

Slovan neplatí ani za nájom štadióna, mestu dlhuje takmer 400-tisíc eur

Hokejový klub nemá na výplaty ani na nájom štadióna. Vedenie tvrdí, že sezónu v KHL dohrá.

ŠPORT

Za Slovanom stále cítiť pachuť vytunelovaných harvardov

Medzi majiteľmi je dodnes firma zapletená do tunelovania harvardských fondov.

PLUS

Zamrzla a nebilo jej srdce. Potom vstala z mŕtvych

Žena bola hodiny mŕtva, zmrzla na kosť a zažila zmŕtvychvstanie.


Už ste čítali?