Rodí se nová generace jaderných reaktorů

ABSTRACT: Some small modular reactor projects could enter the demonstration phase as early as 2026. Promising projects include the sodium-cooled fast reactor, the TRISO liquid salt-cooled reactor, and the Rwandan Dual Fluid Reactor project.

SÁZKA NA SODÍK

„Jaderná energie, pokud to uděláme správně, nám pomůže vyřešit naše klimatické cíle,“ řekl novinářům miliardář a spoluzakladatel Microsoftu Bill Gates, a založil společnost TerraPower. Jejím posláním je otevřít novou jadernou elektrárnu Natrium v Kemmereru ve Wyomingu na místě zdejší 60 let staré uhelné elektrárny. Její výstavba má mírné zpoždění způsobené tím, že po invazi Ruska na Ukrajinu museli nahradit ruské palivo americkým. Gates doufá, že její nová koncepce způsobí revoluci v jaderné energie v USA a podpoří americkou energetickou nezávislost.

Většina jaderných reaktorů v USA používá k chlazení systému vodu. Ta ale není nejvýhodnější k absorbování tepla a existují rizika spojená s přehřátím.

Nový reaktor, který má být uveden do provozu v roce 2030, bude k chlazení používat místo vody tekutý sodík. Bod varu sodíku je osmkrát vyšší než u vody a na rozdíl od ní se kapalný sodík nemusí neustále čerpat zpět do systému. Má také vysokou tepelnou vodivost a nekoroduje potrubí. Teplo generované v reaktoru se odvádí kapalným sodíkem, aby se voda přivedla k varu. Z páry pak parní turbíny generují elektřinu. Demonstrační systém by měl být schopen zásobovat město s přibližně 225 000 domácnostmi.

Reaktor je jeden ze série malých modulárních reaktorů (SMR), o nichž se v posledních letech hodně mluví. Sériová výroba má také tu výhodu, že údržba a demontáž mohou probíhat mimo staveniště. Náklady na sodíkový reaktor se odhadují na přibližně 1 miliardu dolarů. Reaktor využívá jako palivo uran HALEU.

HALEU (High Assay Low Enriched Uranium) je termín, který označuje uran, který obsahuje vyšší koncentraci izotopového jaderného paliva uranu-235 než běžný obohacený uran, ale stále nižší než vysoce obohacený uran používaný v jaderných zbraních. Zatímco normální obohacený uran obvykle obsahuje mezi 3 a 5 procenty uranu-235, uran HALEU má mezi 5 a 20 procenty uranu-235. Používá se jako palivo pro pokročilé jaderné reaktory, které mají vyšší účinnost a bezpečnost než klasické jaderné reaktory. Uran HALEU je považován za perspektivní, protože zlepšuje výkon jaderných reaktorů a zároveň snižuje riziko šíření jaderných zbraní, protože je obtížnější vyrobit z této suroviny materiál pro zbraně.

Technologie Natrium se vyznačuje rychlým reaktorem chlazeným sodíkem o výkonu 345 MWe se systémem skladování energie na bázi roztavené soli. Technologie úložiště dokáže v případě potřeby zvýšit výkon systému až na 500 MWe na více než pět a půl hodiny. Tento inovativní doplněk umožňuje elektrárně Natrium bezproblémovou integraci s obnovitelnými zdroji a vede k rychlejší a nákladově efektivnější dekarbonizaci elektrické sítě při současné výrobě diskutovatelné bezuhlíkové energie. Uran pro navrhovanou jadernou elektrárnu TerraPower v Kemmereru by mohl pocházet z Wyo­mingu. Společnost Uranium Energy Corp., která má ve Wyomingu asi 20 uranových závodů, oznámila, že podepsala memorandum o porozumění se společností TerraPower za účelem „obnovení domácích dodavatelských řetězců uranového paliva“ a zároveň bude zásobovat navrhovaný sodíkový reaktor TerraPower v Kemmereru.

Návrh jaderné elektrárny Natrium v Kemmereru ve Wyomingu

Zdroj: TerraPower

Uranový provoz Christiensen Ranch společnosti Uranium Energy Corp. ve Wyomingu

Zdroj: Uranium Energy Corp.

Vizualizace demonstračního reaktoru na roztavenou sůl Hermes o výkonu 35 MWt v areálu East Tennessee Technology Park Heritage Center v Oak Ridge

Zdroj: Kairos Power

SÁZKA NA SŮL

Nový jaderný reaktor společnosti Kairos Power spoléhá na jiný chladicí systém. A už se může pochlubit prvními úspěchy: jeho potrubím v Albuquerque v americkém státě Nové Mexiko proudilo více než měsíc celkem 12 tun tekuté soli, jež má sloužit jako chladivo. Test překonal hranici 1000 provozních hodin. Na základě tohoto výsledku vydal americký jaderný regulátor Nuclear Regulatory Commission (NRC) stavební povolení pro první testovací reaktor této společnosti.

„Náš přístup k technologii a konstrukci se zásadně liší od současných komerčních reaktorů,“ říká Edward Blandford, spoluzakladatel a technologický ředitel společnosti Kairos. Dnes téměř všechny komerční jaderné elektrárny používají stejný typ obohaceného uranu jako palivo k výrobě elektřiny prostřednictvím jaderného štěpení a výroby páry v turbínách. Teplota je řízena chladicím systémem, který využívá vodu.

Společnost plánuje použít alternativní palivo nazvané TRISO (Tristuctural-Isotropic Fuel), které se skládá z drobných částic obsahujících uran, které lze zabudovat do grafitových obalů. Jaderné palivo TRISO je robustní a odolává vysokým teplotám, záření a korozi. Navíc chladicí systém reaktoru TRISO používá místo vody tekutou sůl. Reaktory s roztavenou solí byly poprvé vyvinuty v 50. letech a testovány v 60. letech 20. století, ale vývojové práce byly zastaveny, protože průmysl přešel na vodou chlazené konstrukce. Nyní je o tyto technologie znovu zájem.

V prosinci loňského roku obdržela společnost souhlas od amerického regulátora NRC k výstavbě Hermes-1, prvního testovacího reaktoru. Hermes-1 bude mít tepelný výkon 35 MW, dnešní komerční reaktory mají obvykle elektrický výkon okolo 1 000 MW s odpovídajícím vyšším tepelným výkonem. Dokončení výstavby experimentálního reaktoru je naplánováno na rok 2026.

Reaktor se letos začal stavět v technologickém areálu East Tennessee Technology Park Heritage Center (ETTP) v Oak Ridge. Místo nebylo vybráno náhodně. Toto místo ve východní části amerického státu Ten­nessee má přezdívku Atomic City, protože zde byl v roce 1942 položen základ jaderného projektu Manhattan. Dnes se zde nachází Oak Ridge National Laboratory a Y-12 Na­tional Security Complex.

Hermes-1, který nebude vyrábět žádnou energii, bude chlazen roztavenou solí zvanou FLIBE, což je zkratka pro její složky – fluor, lithium a berylium. Sůl absorbuje teplo z jaderného štěpení produkovaného palivem TRISO.

SÁZKA NA OLOVO

Rwanda postaví testovací jaderný reaktor s využitím nové technologie na základě dohody s kanadsko-německou společností Dual Fluid Energy Inc. Reaktor bude využívat inovativní technologii, jejímž základem je kapalné palivo a olověné chladivo, což povede k menší tvorbě radioaktivního odpadu. Očekává se, že demonstrační reaktor bude v provozu do roku 2026 a následné testování technologie Dual Fluid má být dokončeno do roku 2028. Testovací fáze bude stát 75 milionů USD a bude ji financovat společnost Dual Fluid, jak na tiskové konferenci v Kigali uvedl její generální ředitel Goetz Ruprecht.

Podle Dual Fluid je princip fungování konstrukce jeho reaktoru založen na různých kapalinách pro palivo a chlazení. Dual Fluid Energy byla založena jako veřejná společnost ve Vancouveru v Kanadě v lednu 2021, aby uvedla svou technologii do stavu sériové výroby. Patent získala už před několika lety, ale v Německu nebyl o tuto technologii zájem. Prototyp duálního fluidního reaktoru by měl být spuštěn do roku 2030.

Místo palivových tyčí používá Dual Fluid dvě cirkulující tekutiny: Jedna obsahuje palivo a druhá odebírá teplo. „Jaderné palivo může uvolnit celý svůj potenciál při 1000 stupních Celsia. To nabízí zcela nový rozměr z hlediska výkonu a efektivity,“ uvádí společnost na svých webových stránkách a dodává: „Jaderná energie dnes využívá palivové tyče, které jsou konstrukcí z počátků jaderné technologie. S palivovými tyčemi se využívá pouze velmi malá část uranu a drtivá většina z něj se likviduje jako odpad. Stávající fluidní jaderné koncepty využívají palivo lépe.”

Dual Fluid tvrdí, že jeho elektrárna je vždy bezpečná a chráněná. Tavné pojistkové zátky v potrubí poskytují dodatečnou ochranu. Pokud je překročena očekávaná teplota, tají. Pak palivo stéká dolů do speciálních nádob a řetězová reakce se okamžitě zastaví.

Díky extrémně vysoké hustotě energie je dvoutekutinový reaktor výrazně menší než běžný reaktor stejného výkonu. Dvoufluidní reaktor v tisícmegawattové verzi není větší než auto. To znamená, že může být instalován levně pod zemí, v bezpečí před pády letadel a teroristickými útoky. Očekává se, že demonstrační reaktor – nebude větší než běžná pračka – bude uveden do provozu do roku 2026, s následným testováním duální kapalinové technologie do roku 2028.

Přirozeně se nabízí otázka: Proč zrovna Rwanda? Podle Mezinárodní energetické agentury se v Africe v příštích letech očekává obrovský nárůst poptávky po elektřině. Výsledkem bude trh, na kterém budou hrát roli všechny zdroje energie – fosilní, obnovitelné i jaderné. Energetická technologie duálních tekutin vede k ekonomickým výhodám, které Afrika zoufale potřebuje. V diskusích s různými africkými zeměmi se jako nejvhodnější země ukázala Rwanda.

Rwandská vláda poskytne místo a infrastrukturu pro projekt, zatímco Dual Fluid bude odpovědný za financování a technickou realizaci. Rwandští vědci navíc v rámci partnerství absolvují praktický výcvik v oblasti jaderných technologií.

V současné době má Rwanda instalovaný elektrický výkon ve svých elektrárnách 332,6 MW, z nichž většina pochází z vodních přehrad a zbytek z metanu, slunce a rašeliny. V Africe má v současnosti funkční jadernou elektrárnu pouze Jihoafrická republika a ruská státní energetická společnost Rosatom loni zahájila výstavbu první egyptské jaderné elektrárny. Uganda uvedla, že očekává, že do roku 2031 začne z jaderné energie vyrábět alespoň 1000 MW.

Rwandský úřad pro atomovou energii uvedl, že se vláda dohodla se společností Dual Fluid, že po dokončení testů začne výstavba zkušebního reaktoru. Na základě experimentálního provozu se přistoupí k výstavbě jaderné elektrárny.