Energy Well - studna energie

Přinášíme rozhovor s Ing. Markem Ruščákem, PhD., který ve skupině ÚJV vede zajímavý a progresivní projekt malého jaderného reaktoru k výrobě elektrické energie. Energy Well je jedním z projektů SMR (malých modulárních reaktorů) a je zajímavý zvláště proto, že je projektem ryze českým, vzniklým v ÚJV Řež. Ideou je použití roztavené fluoridové soli jako chladiva v primárním okruhu. Takové tepelné schéma umožňuje dosahovat vysokých teplot (až 700 ^oC) při relativně nízkém, respektive atmosférickém (kolem 0,1 MPa) tlaku v primárním okruhu. (Jen pro srovnání: u klasických PWR pracujeme s teplotami kolem 300 ^oC a tlaku 15 MPa.) Na výzkumech chování tekutých solí se v  ÚJV Řež již dlouho pracuje, je tedy na co navazovat.

Co to je projekt Energy Well? 

Energy Well (energetická studna) je projekt malého reaktoru bazénového typu řešený ve společnosti Centrum výzkumu Řež (CVŘ). Systém je určen pro dodávku tepla a elektrické energie, popřípadě technologického tepla pro některé výrobní procesy. Unikátní a patentově chráněný je způsob výměny paliva. Celé zařízení může být dodáváno na několika automobilových návěsech, respektive v několika standardních námořních kontejnerech. Jako palivo je navrženo TRISO (o palivu TRISO jsme již psali zde Vývoj mikromodulárního reaktoru | 3 pól - Magazín plný pozitivní energie (3pol.cz)) a odvod tepla z paliva je řešen tekutou fluoridovou solí. Neaktivní část tvoří na primární okruh navazující dva okruhy s výstupem nadkritického CO₂, který pohání turbogenerátor terciárního okruhu. (Pozn. red.: v kritickém bodu charakterizovaném kritickou teplotou, tlakem a hustotou mizí u příslušné látky rozdíly mezi plynem a kapalinou.)

Předpokládá se, že do konce dekády vyvineme a sestrojíme funkční neaktivní vzorek kritických systémů prokazující funkčnost koncepce. Do projektu jsou zapojeny dceřiné společnosti a útvary společnosti ÚJV Group. Vývoj je zatím financován z vlastních zdrojů a dotačních výzkumných projektů. 

Jak k tomu došlo? 

Kolem roku 2015 jsme dostali zadání od mého otce Martina Ruščáka, který v té době řediteloval Centru výzkumu Řež (CVŘ). Znělo asi takto: „Namalujte koncept energetického systému na výrobu tepla a elektrické energie s malým reaktorem chlazeným tekutou solí s palivem TRISO. Výměna paliva bude probíhat v mateřském závodě a celé zařízení bude přepravovatelné v námořních kontejnerech či na kamionech. Při návrhu konceptu by měly být zohledněny výstupy a know how ze všech dosavadních výzkumných projektů CVŘ (ÚJV) a využití experimentálních zařízení z projektu SUSEN (dotační projekt Sustainable energy na vybudování experimentálních systémů)."

Ve skupině ÚJV se dlouhodobě pracuje na problematice tekutých fluoridových solí, včetně společného projektu MPO a DOE v rámci výzkumu MSR generace 4, v reaktorovém oddělení ÚJV jsou k dispozici testovací smyčky s tekutou solí a nadkritickým CO₂, heliová smyčka, smyčka s tekutým olovem. Analýzou dosavadních výsledků různých výzkumných projektů se ukázalo, že použití tekuté soli jako teplonosiče je nejefektivnější. Tento fakt a výsledky předchozích výzkumů určil další směr koncepce Energy Well. Dostali jsme se k základnímu konceptu řešení. Jaderný reaktor malého výkonu, chlazený tekutou fluoridovou solí zvanou FLiBe (fluorid lithno-berylnatý se složením Li₂BeF₄), používající palivo Triso deskové konstrukce, se třemi tepelnými okruhy – sůl × sůl × CO₂. Výměna paliva stačí po cca 7 letech. Turbína bude fungovat na nadkritický CO₂, potenciálně s tepelným výměníkem k odběru tepla. 

Co je cílem projektu a jaké jsou hlavní milníky? 

Konečným cílem je výstavba demonstrační jednotky. K tomu ale vede ještě dlouhá cesta. Zatím vidíme konkrétně do roku 2031, kdy chceme mít maketu v menším měřítku. Ta by potvrzovala všechny výpočty a prokazovala funkčnost celého projektu. Jde o tzv. integral test facility. Současně by byla východiskem pro „manipulační design“, tedy jak s údržbou, revizemi, opravami a dalšími provozními podpůrnými systémy. Do mezinárodní spolupráce nebo řešitelského konsorcia jsme se zatím nezapojili. S americkým ministerstvem energetiky DOE spolupracujeme v otázkách experimentálních vlastností fluoridové soli. Také jsme v kontaktu s výrobcem paliva TRISO. Paralelně probíhá analýza legislativního prostředí, které by bylo aplikovatelné na tento typ malých jaderných zařízení. 

Kdo jsou řešitelé a jak bude vypadat předpokládaný provoz?

Řízení týmu projektu Energy Well je v kompetenci Centra výzkumu Řež (dceřiná společnost ÚJV Řež). V CVŘ je ustanovena Skupina Energy Well vedená Petrem Březinou. Vlastní koncepce výměny paliva je patentově chráněna. Principiálně dispozice zařízení obsahuje dvě pozice pro dvě nádoby reaktoru s palivem a částí primárního okruhu s tekutou solí. První je „pracovní“ reaktorová nádoba s palivem, která funguje v provozním režimu. Druhá pozice je osazena stejnou nádobou reaktoru s čerstvým palivem. Po uplynutí pracovní doby (cca 7 let) je palivo v první nádobě vyčerpáno. Systém přejde na druhou nádobu s čerstvým palivem, která se tak stane nádobou pracovní a první nádoba funguje jako skladovací pro vyhořelé palivo. Po jisté době (cca 5-7 let) je možné transportovat celou nádobu i s vyhořelým palivem do výrobního závodu, kde se použité palivo vyjme a do nádoby se zaveze čerstvé palivo . Použité palivo se likviduje standardním procesem likvidace vyhořelého paliva (meziskladování a následně uložení na hlubinné úložiště) nebo přepracováním (reprocessing). Čerstvě zavezená nádoba reaktoru se odveze zpět na lokalitu a instalací do systému se cyklus uzavírá. 

Je už něco hotového? 

Kolem roku 2018 došlo k finalizaci tepelného schématu, řešitelé požádali o patentovou ochranu konceptu výměny paliva a začalo se pracovat na detailech tepelného schématu a konstrukci některých částí. Současná koncepce předpokládá aktivní zónu o rozměrech 2,5 m × 2 m válcového tvaru s 19 palivovými kazetami s palivem Triso. Jako chladivo se navrhuje FLiBe o teplotě 600 ^oC až 700 ^oC. Z předchozího výzkumu (ÚJV, Ing. Uhlíř, Energovýzkum, prof. Matal a Škoda Jaderné Strojírenství) jsou dostatečné znalosti o chování tekuté soli a také byl vyvinut materiál MoNiCr pro primární a sekundární solné okruhy. Tepelné schéma zahrnuje vysokorychlostní turbínu na CO₂ s nadkritickými parametry. Pro demonstraci projektu byl zhotoven částečně funkční model celého systému, který se momentálně vystavuje na Světové výstavě v Dubaji.

Podrobnosti o projektu lze najít na www.energywell.cz 

Co máte před sebou? 

Jak již bylo výše uvedeno, koncepce je jasná, manipulace s výměnou paliva je unikátní a zajímavá, existuje funkční demonstrační model pro marketingové účely a je jasné, kam se bude projekt ubírat v následujících deseti letech. Cílem je Integral test facility do roku 2031. 

Finance? 

Kdo se točí kolem jaderných projektů, dokáže odhadnout, že kompletní vývoj je otázkou mnoha milionů, ne-li miliard korun. Proto je financování z vlastních zdrojů nemožné. Zatím jsou práce financovány z grantů TA ČR a MPO a vlastních zdrojů CVŘ. Nerozvine-li se mezinárodní spolupráce, třeba něco podobného jako v případě projektu Allegro, nelze z těchto zdrojů projekt dokončit.

Od papírového reaktoru ke skutečně fungující demo jednotce je dlouhá, drahá a lopotná cesta. Řešení je mimo jiné i na těch, kdo vytvářejí koncepci naší energetiky. Projekt Energy Well byl několikrát prezentován na konferencích a psalo se o něm v časopise Jaderná energie i ve veřejných médiích. V rámci projektu a jeho cílů bude nutné vyvinout i nové materiály a komponenty. Zveřejnění záměru a technické podrobnosti by mohly vést k rozšíření zájmu technických profesionálů i technické veřejnosti a tím popřípadě najít další spolupracující společnosti. 

Držíme palce a děkujeme za rozhovor.

Hlavní technické parametry Energy Well

Celkové tepelné schéma Energy Well

Co je to TRISO palivo 

TRISO je zkratka pro TRi-strukturní ISOtropní částicové palivo. Palivo TRISO bylo vyvinuto ve Spojených státech a Velké Británii v roce 1960 a jeho základem je oxid uraničitý UO₂. V roce 2002 se ministerstvo energetiky (DOE) zaměřilo na zlepšení paliva TRISO pomocí palivových jader oxykarbidu uranu a zvýšení jeho ozařovacího výkonu a na výrobní metody s cílem dále rozvíjet pokročilé vysokoteplotní plynové reaktory. Jádro palivové kuličky je zapouzdřeno třemi vrstvami materiálů na bázi uhlíku a keramiky, které zabraňují uvolňování radioaktivních štěpných produktů. Částice jsou neuvěřitelně malé (o velikosti máku) a velmi robustní. Mohou být vyrobeny do tvaru válcových pelet, zalisované v deskách nebo ve velikosti a tvaru kulečníkových koulí nazývaných „oblázky" pro použití buď ve vysokoteplotních reaktorech chlazených plynem, nebo roztavenými solemi. Paliva TRISO jsou strukturálně odolnější vůči neutronovému ozařování, korozi, oxidaci a vysokým teplotám (faktory, které nejvíce ovlivňují výkonnost paliva) než tradiční reaktorová paliva. Každá částice funguje jako samostatný kontejnmentový systém díky svým trojitě potaženým vrstvám. To jim umožňuje zadržovat štěpné produkty za všech podmínek reaktoru. Jednoduše řečeno, částice TRISO se nemohou roztavit v reaktoru a mohou odolat extrémním teplotám, které jsou daleko za prahem současného jaderného paliva. 

Mikrofotografie paliva TRISO (zdroj CVŘ Řež)