Jaderné palivo odolné proti nehodám

V americkém reaktoru ATR (Advanced Test Reactor) Národní laboratoře v Idahu se právě testuje nový typ jaderného paliva, tzv. palivo odolné proti nehodám (ATF, Accident Tolerant Fuel). Palivo se vyvíjí v rámci programu amerického ministerstva energetiky (DOE), jehož cílem je komercializace ATF do roku 2025. Francouzská společnost FRAMATOME testuje v laboratoři dva nové koncepty: povlak palivových proutků z chromu, který je navržen tak, aby chránil palivo před poškozením a oxidací při vyšších teplotách; a palivové pelety dopované chromem, u nichž se předpokládá, že budou mít delší životnost a budou lépe pracovat za havarijních podmínek.

Dvacet šest miniaturních palivových tyčí se testuje ve speciálním testovacím obvodu, který napodobuje podmínky chladicího okruhu běžného energetického lehkovodního reaktoru. Reaktor ATR může simulovat rychlé stárnutí paliva tak, že poškození neutrony, které by trvalo roky, se projeví již za několik měsíců. Údaje o chování paliva se pak vyhodnotí a budou podkladem pro Jadernou komisi USA (Nuclear Regulatory Commission, obdobu našeho SÚJB) při žádosti o licencování nového typu paliva. ATF využívají pokročilé konstrukce povlakových materiálů a konstrukcí palivových pelet pro zvýšení bezpečnosti a výkonu jaderného paliva. Mají potenciál vydržet ztrátu chlazení v aktivní zóně reaktoru po delší čas než současné typy paliva, a tím rozšířit stávající bezpečnostní rezervu pro jaderné elektrárny. Také díky své delší životnosti mohou zlepšit výkon stávajících jaderných elektráren a připravit cestu pro licencování paliv pro pokročilé reaktory.

Současný experiment by měl běžet až do ledna 2021

Zároveň se v reaktoru Hatch v Georgii testují další palivové tyče z jiných ATF, které byly vyvinuty v rámci programu ATF DOE. Vzorky paliv se pak použijí při dalších zkouškách na zkušebním zařízení Transient Reactor Test Facility, také v Idaho National Laboratory, aby se stanovily jejich bezpečné provozní limity. Společnost Framatome je jednou ze tří společností (dalšími jsou Globální jaderné palivo (GNF, joint venture firmy General Electric a Hitachi) a Westinghouse), které spolupracují s DOE na komerčním využití konceptů ATF. Program ATF byl zahájen po nehodě Fukushima Daiichi v roce 2011 a jeho cílem je demonstrovat schopnosti technologie ATF do roku 2022 a komerční nasazení do roku 2025. Zrychlený časový rámec je rozhodující pro to, aby prospěch z nového paliva měla ještě stávající flotila energetických jaderných reaktorů, licencovaných do třicátých let 21. století.

Varianty ATF

Od roku 2012 program DOE ATF sponzorují tři průmyslové týmy. DOE vyžaduje, aby palivo ATF poskytlo provozovatelům jaderných elektráren delší čas na zvládnutí případné nehodové situace (tj. zemětřesení, cunami, hurikán atd.), aby udrželo nebo zlepšovalo výkon reaktoru za běžných operací a aby bylo k dispozici do roku 2022-23. Některé z technologií, které přicházejí v úvahu, zahrnují nátěry stávajících zirkoniových povlaků palivových tyčí, vývoj alternativních povlaků, jako jsou pokrytí ze slitin karbidu křemíku (SiC) a slitin na bázi molybdenu, plášť ze slitiny FeCrAl, či přísady do uranových pelet. Tři týmy, které prověřují tyto možnosti a návrhy, se skládají z několika špičkových amerických laboratoří, univerzitních vědců a inženýrských společností.

GNF zkouší dvě varianty

IronClad, materiál pokrytí palivových článků z ferritické oceli, je speciálně odolný proti oxidaci za vysokých teplot a má vynikající parametry při provozu za širokého rozpětí provozních podmínek. ARMOR, zirkonové pokrytí, zajišťuje zvýšenou ochranu palivových tyčí proti otěru a je rovněž odolný oxidaci. Olověné zkušební soupravy (neobsahují uranové palivo) vyrobili v nejmodernějším zařízení GNF ve Wilmingtonu v Severní Karolíně. Testovací sestavy na bázi olova IronClad a ARMOR ATF firmy GNF byly zavezeny do prvního bloku elektrárny Hatch společnosti Southern Nuclear Operations Company letos v březnu (Hatch je varný reaktor o výkonu 876 MW_e v Georgii).

I Westinghouse chystá svou variantu

Olověné zkušební palivové tyče EnCore ATF společnosti Westinghouse, které se vyvíjejí ve dvou fázích, budou na počátku roku 2019 zavezeny do druhého bloku elektrárny Byron firmy Exelon (tlakovodní reaktor o výkonu 1100 MW_e v Illinois).

Co musí Accident Tolerant Fuel umět

• Být odolný k velmi vysokým teplotám (více než 1 700 ^oC)
• Zvýšit zadržení štěpných produktů v náročných podmínkách z minut na hodiny resp. dny
• Omezit reakci pokrytí paliva s vysokoteplotní párou a tím snížit tvorbu vodíku
• Zlepšit interakci palivo-pokrytí při výkonech za extrémních podmínek
• Zlepšovat ekonomiku provozu za normálních provozních podmínek

Kongres schválil a prezident podepsal v letošním roce na podporu vývoje ATF 85 milionů dolarů.

Zdroje:

https://www.inl.gov/article/advancing-nuclear-fuel/

http://www.world-nuclear-news.org/UF-Tests-begin-on-Framatome-accident-tolerant-fuel-1806187.html#.WyfZpItYr5s.linkedin

https://phys.org/news/2018-04-custom-designed-alloy-nuclear-safety.html