Zprávy

Když se řekne jaderný reaktor, většina lidí si představí dlouhé palivové tyče ponořené ve vodě. Existuje však technologie, která tento tradiční obraz staví téměř na hlavu. Vysokoteplotní reaktory používají jako chladivo helium, jako moderátor grafit a jejich palivo může mít podobu tisíců malých grafitových koulí. Uvnitř každé z nich se přitom ukrývají tisíce ještě menších palivových částic. Tento způsob konstrukce vznikl už před desítkami let, ale v poslední době znovu získává pozornost jako jedna z možných cest k jaderné energetice nové generace.

Reaktor bez vody v primárním okruhu

Základním rozdílem proti nejrozšířenějším současným jaderným elektrárnám je chladivo. Vysokoteplotní reaktory používají helium, které proudí aktivní zónou a odvádí z ní teplo.

Helium má pro tento účel několik výhod. Je chemicky velmi stabilní a umožňuje dosahovat vysokých teplot. U čínského HTR-PM opouští aktivní zónu helium o teplotě přibližně 750 °C. Reaktor pak předává teplo přes parogenerátor vodnímu okruhu, kde vzniká pára pohánějící turbínu.

Vysoká teplota však není zajímavá jen kvůli výrobě elektřiny. Právě ona otevírá možnost využívat jaderný reaktor také jako zdroj průmyslového tepla. To může být důležité například při výrobě vodíku, v chemickém průmyslu nebo při dalších procesech, kde je zapotřebí velké množství tepla.

Grafitová koule jako malá palivová kazeta

U takzvaných pebble-bed reaktorů, tedy reaktorů s kuličkovým ložem, nejsou palivové články tvořeny dlouhými tyčemi. Palivo je zabudováno do grafitových koulí přibližně velikosti kulečníkové koule.V případě HTR-PM má jedna koule průměr asi šest centimetrů a obsahuje přibližně 12 000 palivových částic TRISO. Celý reaktor tak pracuje s obrovským množstvím velmi malých palivových jednotek.Tato koncepce má jednu pozoruhodnou vlastnost: palivo lze do reaktoru průběžně přidávat a současně z něj vyjímat koule, které již dosáhly požadovaného vyhoření. Reaktor proto nemusí být kvůli klasické výměně paliva pravidelně celý odstaven.

TRISO jako několikanásobně chráněné palivo

Skutečným srdcem této technologie však není grafitová koule, ale mikroskopická částice TRISO. Uprostřed se nachází palivové jádro, obvykle oxid uraničitý. Kolem něj jsou vrstvy uhlíkových materiálů a karbidu křemíku. Ty vytvářejí několik ochranných bariér, jejichž úkolem je zadržet radioaktivní štěpné produkty uvnitř částice. Je to důležitý rozdíl proti představě, že radioaktivita je v reaktoru zadržována pouze velkou ocelovou nádobou a dalšími konstrukcemi. U TRISO je významná část ochrany zabudována přímo do samotného paliva. Laboratorní a provozní zkušenosti ukazují, že správně vyrobené TRISO částice si mohou zachovat velmi dobrou schopnost zadržovat štěpné produkty i při extrémních teplotách. Odborné práce pro HTR-PM pracují s hranicí kolem 1600 °C jako s významnou teplotní hranicí pro zachování integrity palivových částic při havarijních stavech.

Bezpečnost, která se opírá o fyziku

Právě vysoká tepelná odolnost paliva je jedním z důvodů, proč jsou vysokoteplotní reaktory považovány za zajímavé z hlediska pasivní bezpečnosti. Klasický reaktor musí při havárii zajistit odvod zbytkového tepla pomocí celé řady systémů. U vysokoteplotního reaktoru pomáhá také samotná konstrukce aktivní zóny. Grafit má velkou tepelnou kapacitu a reaktor má relativně nízkou výkonovou hustotu. TRISO částice jsou navíc konstruovány tak, aby vydržely vysoké teploty. Cílem není tvrdit, že takový reaktor nemůže havarovat. Přesnější je říci, že při některých scénářích, například při ztrátě chlazení, má konstrukce větší prostor pro pasivní odvod tepla a omezení následků. Čínský HTR-PM byl navržen právě s důrazem na tyto inherentní a pasivní bezpečnostní vlastnosti.

Čína přešla od experimentu k provozu

Nejdále se v praktickém nasazení této technologie dostala Čína. Její elektrárna HTR-PM v Shidao Bay byla připojena k síti v roce 2021 a do komerčního provozu vstoupila v prosinci 2023. Elektrárna využívá dva reaktorové moduly, každý s tepelným výkonem 250 MW. Oba moduly dodávají teplo společnému parnímu turbínovému soustrojí s celkovým elektrickým výkon přibližně 210 MW. HTR-PM má sloužit jako technologický základ pro další vysokoteplotní reaktory a modulární elektrárny. Výhodou modulárního uspořádání je možnost spojovat více reaktorových jednotek s jedním energetickým systémem. Zajímavé je také využití vyrobeného tepla. V roce 2024 byl v oblasti Shidao Bay uveden do provozu systém dálkového vytápění využívající teplo z HTR-PM. Podle World Nuclear Association zásobuje teplem přibližně 1850 domácností a nahrazuje spalování uhlí.

Druhá strana mince: co s vyhořelým palivem?

Každá jaderná technologie má kromě výroby energie také svůj „konec příběhu“ – co se stane s palivem po jeho vyjmutí z reaktoru. U TRISO paliva je tato otázka zvlášť zajímavá. Odolnost TRISO, která je během provozu velkou výhodou, totiž současně komplikuje jeho přepracování. Vyhořelé palivo není jednoduše tvořeno pouze uranem a několika kovovými konstrukčními částmi. Velkou část jeho objemu představuje grafit. Podle Mezinárodní agentury pro atomovou energii tvoří grafit přibližně 92 procent objemu vyhořelého paliva z vysokoteplotních reaktorů. To je jeden z hlavních rozdílů proti palivovým systémům běžných vodou chlazených reaktorů. Vyhořelé palivové koule lze nejprve skladovat v suchých skladovacích systémech a poté přichází otázka, zda je dlouhodobě uložit jako odpad, nebo se pokusit získat část materiálů zpět. Jenže právě zde nastává technický problém: TRISO částice jsou konstruovány tak, aby byly mimořádně odolné. Navíc vzniká další radioaktivní odpad – tentokrát z grafitu, uhlíkových vrstev a keramických materiálů. IAEA proto upozorňuje, že zkušenosti s takzvanou „zadní částí palivového cyklu“ vysokoteplotních reaktorů jsou ve světě stále velmi omezené. Právě proto se touto problematikou zabýval i odborný program IAEA zaměřený na nakládání s vyhořelým palivem z vysokoteplotních reaktorů.

Velký potenciál, ale s problematickým odpadem

Čínský HTR-PM navíc ukázal, že tato koncepce nemusí zůstat pouze na papíře nebo v laboratoři. Reaktor je dnes provozovaným energetickým zařízením a Čína jej využívá jako základ pro další rozvoj této technologie. Současně ovšem platí, že technologii nelze hodnotit pouze podle toho, jak bezpečně vyrobí elektřinu. Stejně důležitá je otázka celého životního cyklu paliva. Budoucnost vysokoteplotních reaktorů tak nebude záviset jen na ceně elektřiny nebo bezpečnosti samotného reaktoru. Jedním z klíčových témat bude také to, jak ekonomicky a bezpečně nakládat s tisíci tunami materiálu, které po desetiletích provozu zůstanou v podobě vyhořelého grafitu, TRISO částic a radioaktivních odpadů.

Zdroj:  www.iaea.org, www.world-nuclear.org