Aké výhody a nevýhody majú v našich končinách menej tradičné jadrové reaktory v energetickom priemysle, porovnáva Andrej Žiarovský v podcaste VUJE #12

YouTube: bit.ly/3ApL75p

Počúvajte na Spotify: spoti.fi/4hwKPKA

Ako prvé nepochybne stoja za pozornosť reaktory typu Magnox, ktoré zohrali významnú úlohu v histórii jadrovej energetiky Spojeného kráľovstva. Prvý reaktor tohto typu bol spustený v britskej elektrárni Calder Hall, ktorú slávnostne otvorila kráľovná Alžbeta II. v roku 1956. Ak by sme už mali porovnať náš unikátny reaktor KS-150 z elektrárne A1 v Jaslovských Bohuniciach, ktorú sme spomínali v jednom z predošlých podcastov, s nejakou inou jadrovou technológiou, tak najviac podobný je mu práve Magnox.

Pomenovanie Magnox pochádza z anglického výrazu Magnesium Non-Oxidising, čo označuje zliatinu zloženú z 97 % horčíka a prímesi hliníka, zirkónu a berýlia používanú na pokrytie palivových článkov. V reaktore Magnox sa ako palivo tiež používal prírodný kovový urán a a na chladenie slúžil oxid uhličitý, ale ako moderátor slúžil čistý grafit.

Oxid uhličitý, ktorý má síce dobrú schopnosť odolávať radiácii, ale zároveň pre svoju náchylnosť k oxidačným chemickým reakciám zvyšuje v aktívnej zóne reaktora hrozbu korózie. Problému korózie čelil aj náš reaktor KS-150 v elektrárni A1, ktorý, rovnako ako Magnox, používal na chladenie oxid uhličitý. A práve, aby sa potlačil vznik korózie, britskí vedci a konštruktéri vyvinuli korózii odolnú zliatinu Magnox, ktorá tvorila pokrytie palivových článkov.

Reaktory tohto typu sa stavali v rokoch 1956 až 1971, pričom celkovo ich bolo vybudovaných dvadsaťšesť. Ich výkon sa postupne zvyšoval z počiatočných 50 MWe až na 400 MWe. Vďaka nízkemu energetickému zaťaženiu aktívnej zóny a jednoduchosti konštrukčného riešenia, ktorá bola ich najväčšou výhodou, na reaktory prvej generácie dosahovali pomerne dlhú životnosť. Mnohé z nich ostali v prevádzke až do 90. rokov, pričom posledné dva elektrárne, Oldbury a Wylfa, vyradila Veľká Británia až v rokoch 2012, resp. 2015.

„Za každým z netradičných reaktorov stojí nejaký príbeh. Primárnym dôvodom výstavby reaktorov typu Magnox nebola výroba elektrickej energie, ale produkcia plutónia pre jadrové zbrane, čo súviselo s obdobím Studenej vojny v 50. rokoch,“ vysvetľuje Andrej Žiarovský, a dodáva, že Veľká Británia sa práve vtedy rozhodla vybudovať svoju vlastnú tzv. jadrovú triádu.

Hoci bola technológia Magnox technicky aj prevádzkovo úspešná, nebola ekonomicky efektívna. Pokusom o vylepšenie ekonomických parametrov tejto technológie mali byť pokročilé plynom chladené reaktory AGR (Advanced Gass-cooled Reactor), ktoré už slúžili dominantne na výrobu elektrickej energie. Konštruktérom sa síce podarilo zvýšiť výkon reaktorov až nad 1000 MW, ale pri takto vysokých výkonoch táto technológia už narazila na svoje limity.

Reaktory AGR boli stavané v 80. rokoch 20. storočia a celkom ich bolo uvedených do prevádzky pätnásť. Pre vysokú poruchovosť však väčšina z nich už bola vyradená z prevádzky. Posledné štyri bloky by mali byť odstavené do roku 2028. Tým sa technológia Magnox definitívne prestane používať. „Plynom chladené reaktory tvorili v časoch svojej najväčšej slávy približne 4 až 5 percent zo všetkých reaktorov, ktoré vyrábali elektrickú energiu,“ dodáva Andrej Žiarovský.

Reaktory typu Pebble Bed

Technológia Pebble Bed vznikla krátko po 2. svetovej vojne a začala sa rozvíjať v Spolkovej republike Nemecko. Na rozdiel od reaktorov Magnox, CANDU a varných reaktorov, ktoré sa masívne využívali a pri nich môžeme hovoriť o sériovej výrobe, zostala technológia Pebble Bed len na experimentálnej úrovni.

Zatiaľ čo palivo do tradičných jadrových reaktorov má tvar pelety alebo valčeka, v reaktore typu Pebble Bed má palivo guľový tvar. Tzv. „pebbles“, predstavujú grafitovú matricu guľového tvaru, do vnútra ktorej je vlisovaných 10 až 15-tisíc TRISO palivových elementov. TRISO (Tri-structural ISOtopic) elementy majú priemer len 0,9 mm. Jadro z uránu obohateného na 8 až 9,5 % je obalené vrstvami pórovitého pyrolytického grafitu a karbidu silikónu

„Na začiatku vývoja technológie Pebble Bed sa zdalo, že má len samé výhody. Fyzikálne vlastnosti tohto typu reaktora sľubovali vysoký stupeň inherentnej bezpečnosti. Vďaka tzv. Dopplerovmu efektu, kedy pri zvyšovaní teploty v reaktore štiepna reakcia ustáva, je roztavenie aktívnej zóny týchto reaktorov prakticky nemožné,“ vysvetľuje Andrej Žiarovský.

Nemeckí inžinieri testovali túto technológiu v experimentálnom reaktore AVR a zistili, že skutočne dokáže udržať aktívnu zónu intaktnú aj pri extrémnych podmienkach, napríklad pri úplnom zastavení obehu chladenia. Reaktor tiež dosahoval mimoriadne vysokú termickú účinnosť až 45 % (v experimentálnych podmienkach dokonca až 50 %). To je hodnota, ktorá výrazne prekonáva účinnosť tlakovodných reaktorov pohybujúcu sa v rozmedzí 33 až 37 %. Významnou výhodou sa javila aj skutočnosť, že tento reaktor dokáže dosiahnuť veľmi vysoké vyhorenie paliva 100 až 190 GWd/t, čo je viac než dvojnásobok v porovnaní s bežnými tlakovodnými reaktormi.

Napriek všetkým týmto výhodám, čelí technológia Pebble Bed dvom hlavným problémom, ktoré zabránili ich širšiemu komerčnému využitiu. Prvým problémom je veľmi silná kontaminácia rádioaktívnymi produktmi reťazovej štiepnej reakcie, konkrétne stronciom-90 a céziom-137. „Náklady na odstavenie a dekontamináciu reaktora boli vy výsledku oveľa vyššie než náklady na jeho výstavbu,“ objasňuje Andrej Žiarovský. Druhým problémom bolo poškodzovanie „pebbles“ vzájomným otieraním sa počas ich cesty aktívnou zónou reaktora. To viedlo k vytvoreniu kontaminovaného grafitového prachu, ktorý bol unášaný chladiacim héliom a intenzívne zanášal potrubie a komponenty primárneho okruhu.

Aj keď Pebble Bed zostal v Európe len na experimentálnej úrovni, dokumentáciu potrebnú jeho ďalší vývoj odkúpili Južná Afrika a Čína. V Južnej Afrike sa na báze tejto technológie pokúšajú vyvinúť malý modulárny reaktor. Čína dokonca v decembri 2023 už spustila svoj vlastný reaktor Pebble Bed pod označením HTR-10 a pripravuje reaktor HTR-TM, ktorý by mal byť využiteľný v komerčnej prevádzke. Technológia je predmetom skúmania aj v Spojených štátoch amerických, zatiaľ však len v rámci vývojových štúdií.

Aký príbeh sprevádzal kanadskú jadrovú technológiu príznačne nazvanú CANDU, ako sa v energetickom priemysle uplatnili varné jadrové reaktory, ktoré boli inštalované aj v elektrárni Fukušima-Daiči, ako aj porovnanie ďalších vlastností pre nás netradičných jadrových technológií, sledujte v podcaste na YouTube kanáli našej spoločnosti VUJE, a. s.