Při vývoji francouzského reaktoru ASTRID bude pomáhat BělojarskáJE

V ruském rychlém reaktoru BN-600 bude testováno palivo pro francouzský reaktor ASTRID. Se zástupci Rosatomu se na tom dohodli představitelé francouzské výzkumné organizace CEA během návštěvy Bělojarské jaderné elektrárny.

Delegace organizace CEA se seznámila s postupy pro manipulaci s jaderným palivem ve třetím bloku Bělojarské jaderné elektrárny s reaktorem BN-600. Šlo o dopravu čerstvého paliva, jeho uskladnění před použitím, zavezení do reaktoru i odvoz použitého paliva do přepracovacího závodu. Součástí návštěvy byla také konference francouzsko-ruské pracovní skupiny, která zpřesnila podmínky zakázky na testování palivových kazet.

Dalším krokem bude výroba palivových kazet pro reaktor ASTRID, která proběhne ve Francii. Následně budou přepraveny do ruského výzkumného Ústavu jaderných reaktorů NIIAR, kde budou umístěny do kazet používaných v aktivní zóně reaktoru BN-600. Po několika letech ozařování budou vyjmuty a v laboratoři proběhne analýza jejich spolehlivosti.

Návštěva proběhla v rámci dohody o spolupráci při mírovém využívání jaderné energie, kterou má Rosatom uzavřenu s organizací CEA. Spolupráce mezi Francií a Ruskem v oblasti rychlých reaktorů probíhá již dva roky. V rámci ní bylo například do Ruska dodáno chladicí médium pro reaktor BN-800, větší verzi BN-600. Dva tisíce tun tohoto kovu byly vyrobeny ve Francii, kde je k dispozici výrobní technologie v patřičné reaktorové kvalitě.

Reaktor ASTRID

Organizace CEA (Commissariat à l'énergieatomique et auxénergiesalternatives), jejíž zástupci navštívili BělojarskouJE, je přední evropskou výzkumnou organizací zaměřující se na oblast energetiky a obrany. Jejím hlavním projektem v  jaderné energetice je vývoj rychlého reaktoru ASTRID (AdvancedSodiumTechnologicalReactorforIndustrialDemonstration) chlazeného sodíkem, ale spolupracuje také při vývoji rychlého reaktoru ALLEGRO chlazeného plynem, což je projekt zemí Visegrádské čtyřky.

Reaktor ASTRID patří k pokročilým reaktorům IV. generace a má se stát spojovacím článkem mezi francouzskými rychlými reaktory Phénix a Superphénix a komerčními sodíkem chlazenými bloky. Jeho elektrický výkon činí 600 MWe, v případě komerčního typu se počítá s výkonem do 1500 MWe. Stejně jako jeho předchůdci, bude i ASTRID používat palivo MOX, s jehož provozem v rychlých reaktorech má Francie 40leté zkušenosti. Ve srovnání se svými předchůdci však přináší mnoho nových a inovativních řešení, která zlepšují jeho bezpečnost a ekonomiku provozu.

Hlavním rozdílem oproti předcházejícím francouzským rychlým reaktorům je jiný typ aktivní zóny. Jak SFRv2 tak CFV se skládají z palivových kazet s šestiúhelníkovým průřezem. Ve střední části aktivní zóny typu SFRv2 se nachází kazety se štěpným materiálem (oxid uraničitý) a vnější obálku tvoří kazety s množivým materiálem (směsné palivo). Celá aktivní zóna je potom obklopena reflektorem neutronů. Tento jednodušší postup však vede k jedné nepříjemné vlastnosti, a to ke kladnému teplotnímu dutinovému koeficientu reaktivity. To znamená, že pokud dojde na zahřátých palivových souborech k úbytku sodíku, reaktivita poroste a stejně tak i výkon reaktoru. Tento efekt sice zvládají systémy řízení reaktoru potlačovat již desítky let, ale vývoj nových reaktorů jde jiným směrem.

Cílem projektantů je dosáhnout takzvané inherentní bezpečnosti, tedy vyloučit vznik vážných poruch a havárií již z principu. Proto byl vyvinut typ aktivní zóny CFV, který má záporný tepelný dutinový koeficient reaktivity, takže úbytek sodíku kolem rozpálených palivových souborů vede k utlumování řetězové štěpné reakce.

Toho lze dosáhnout například tím, že každá palivová kazeta bude mít několik částí. Nejspodnější tablety budou z množivého materiálu, vystřídá je sloupec paliva ze štěpného materiálu, poté bude následovat opět množivá vrstva a další štěpná vrstva. V horní části palivové kazety potom bude dutina vyplněná sodíkem a až nad ní bude stínění. Vnější část aktivní zóny je vyskládána jiným typem kazet s chybějící druhou množivou vrstvou.

Nového reaktoru se však jen tak nedočkáme. Prozatím se nachází ve fázi projektování na úrovni basic design, to znamená, že projektanti zatím řeší především koncepční stránku reaktoru. Konkrétním konstrukčním a stavebním řešením se budou zabývat od roku 2018, kdy projekt přejde do fáze detail design. Na rok 2019 je plánováno udělení stavebního povolení a od roku 2020 by na staveništi měly probíhat stavební práce. Kritičnosti má být dosaženo v roce 2025 a o dva roky později by měl být ukončen zkušební provoz a reaktor přejde do komerčního provozu. Autoři projektu počítají s přibližně deseti lety provozu reaktoru ASTRID na získání zkušeností s tímto typem a řešení jaderného ostrova a na jejich zapracování do projektu komerčního bloku.

 

Rychlé reaktory řady BN

Čeho se ale dočkáme velmi brzy, je ukončení zkušebního provozu reaktoru BN-800 a zahájení jeho komerčního provozu. Tento reaktor je zatím posledním typem řady ruských rychlých reaktorů BN, avšak zdaleka není zakončením jejich vývoje.

První energetický rychlý reaktor na světě byl spuštěn poblíž kazašského města Aktau (dříve Ševčenko) na pobřeží Kaspického moře a nesl označení BN-350. Mezi lety 1973 a 1999 vyráběl elektřinu a odsoloval mořskou vodu, která byla po zpracování dodávána do vodovodní sítě.

Jeho následovníkem je reaktor BN-600, který byl uveden do provozu v roce 1981 vBělojarské JE ve Sverdlovské oblasti Ruska. Jde o projektový typ, který posouvá řadu BN ke komerčnímu reaktoru ekonomicky konkurenceschopnému nejrozšířenějším typům.

Cesta vedla přes další projektový typ, jehož výstavba byla na dvacet let přerušena kvůli rozpadu východního bloku a s ním spojeným hospodářským podmínkám. K dosažení kritičnosti reaktoru BN-800 došlo v červnu loňského roku a letos by měl být ukončen zkušební provoz. Pak bude zahájeno zkušební uzavření palivového cyklu, které je dnes v jaderné energetice s napětím očekáváno. Tlakovodní reaktory, které jsou v současnosti nejpoužívanější, nedokáží plně využít potenciál jaderného paliva, takže je do budoucna plánováno, že bude přepracováváno a využito v rychlých reaktorech. Ty totiž dokáží přeměnit a rozštěpit látky, které tlakovodní reaktory nezvládnou.  Díky tomu, že z neštěpitelného materiálu vzniká štěpný, se rychlým reaktorům také říká množivé.

Tímto postupem je možno energeticky zužitkovat také některé štěpné produkty, které zůstávají v palivu tlakovodních reaktorů, především těch s velmi dlouhým poločasem rozpadu. Jaderné palivo tak nebude nutno skladovat miliony let odděleně od životního prostředí, ale jeho aktivita dosáhne úrovně přírodního uranu již za několik staletí. Avšak aby se to stalo realitou, mají před sebou vědci ještě dlouhou cestu.

Reaktor BN-600 je používán pro testování nových druhů paliva MOX i nitridové a tak hraje významnou roli při uzavírání palivového cyklu. Výzkumný úkol, který se tím zabývá, nese název Proryv (česky Průlom) a je jedním z nejdůležitějších projektů ruské společnosti pro atomovou energii Rosatom.

Ekonomičnost provozu reaktoru BN-800 není dostatečná na to, aby se uplatnil jako komerční typ. Náklady na kW instalovaného výkonu vychází přibližně na 1,5násobek hodnoty pro reaktor VVER-1000. I tak ale Čína plánuje stavbu dvou reaktorů tohoto typu jako prvního krůčku při uzavírání svého palivového cyklu. Do roku 2018 má být v této zemi v provozu bezmála 50 tlakovodních reaktorů a bude zahájena výstavba dalších desítek bloků tohoto typu. Proto potřebuje flotilu rychlých reaktorů, které by přeneseně řečeno „spalovaly“ použité palivo z tlakovodních reaktorů.

Součástí čínského programu na rozvoj rychlých reaktorů je i výstavba dvou bloků s BN-800, které by měly být spuštěny kolem roku 2025. V budoucnu se ale má opírat především o reaktory domácí konstrukce. Proto také zahájila spolupráci s ruskými odborníky z projekční kanceláře OKBM Afrikantov. Ve spolupráci s OKB Gidropress a ústavem NIKIET a Kurčatovovým ústavem vznikl reaktor CEFR. Jde o vývojový typ rychlého reaktoru čínské konstrukce, který má instalovaný výkon 20 MWe a konstrukčně vychází z řady BN. Na jeho základě má do roku 2020 vzniknout projektový blok 600MWe a po roce 2028 má být spuštěn i demonstrační komerční blok o výkonu 1000 MWe.

Budoucnost reaktorů BN spočívá v typu BN-1200, který má být konkurenceschopný tlakovodním reaktorům. Společnost OKBM Afrikantov již má vypracován projekt, který nyní upravuje na základě zkušeností získaných provozem BN-800. Po roce 2025 by v ruských jaderných elektrárnách měly být spuštěny tři bloky s reaktorem BN-1200, které se stanou prvními skutečně komerčními sodíkovými reaktory.

Palivo pro rychlé reaktory BN vyrábí a dodává ruská palivová společnost TVEL, která zásobuje jaderným palivem všechny české jaderné reaktory.

 

Obr. V popředí stojí dvojblok Bělojarské jaderné elektrárny s předchůdci reaktorů RBMK, v pozadí je blok s rychlým reaktorem BN-600, (zdroj Rosatom)