Vývoj technologie rychlých reaktorů a recyklace paliva

Co kdyby vysokoaktivní jaderný odpad produkovaný jadernými elektrárnami mohl podnítit oběhové  hospodářství v energetickém sektoru? Ano, mohly by ho zajistit rychlé reaktory pracující v uzavřeném palivovém cyklu. Rychlé reaktory využívají k udržení řetězové štěpné reakce neutrony, které nejsou zpomalovány moderátorem (např. vodou v nejpoužívanějších reaktorech současnosti – tlakovodních a varných). Při provozu v plně uzavřeném palivovém cyklu, ve kterém se jaderné palivo recykluje a znovu používá, by mohly rychlé reaktory získat 60 až 70krát více energie ze stejného množství přírodního uranu než současné klasické reaktory, a tím výrazně snížit množství vysokoaktivního odpadu.

„Při použití rychlých reaktorů v uzavřeném palivovém cyklu lze jeden kilogram jaderného odpadu recyklovat vícekrát, dokud se nespotřebuje veškerý uran a nespálí se i aktinidy, které zůstávají radioaktivní po tisíce let. Zůstane pak asi 30 gramů odpadu, radioaktivního jen 200 až 300 let,“ říká Michail Chudakov, zástupce generálního ředitele MAAE a vedoucí odboru jaderné energetiky.

Rychlé reaktory byly mezi prvními technologiemi nasazenými v počátcích jaderné energetiky, kdy byly zdroje uranu vnímány jako vzácné. Protože však technické a materiálové problémy brzdily vývoj a byla objevována nová ložiska uranu, staly se průmyslovým standardem lehkovodní reaktory. V několika zemích však probíhají snahy o pokrok v technologii rychlých reaktorů, mimo jiné o jejich návrat ve formě malých modulárních reaktorů (SMR) a mikroreaktorů (MR).

Dnes funguje na světě pět rychlých reaktorů

V provozu jsou dva provozní reaktory (BN-600 a BN-800) a jeden testovací reaktor (BOR-60) v Ruské federaci, dále Fast Breeder Test Reactor v Indii a konečně Čínský experimentální rychlý reaktor. Evropská unie, Japonsko, Spojené státy americké, Spojené království a další mají projekty rychlých reaktorů přizpůsobené různým cílům a probíhajícím funkcím, včetně SMR a MR. Pro některé země je provoz rychlých reaktorů v plně uzavřeném palivovém cyklu považován za cestu k zajištění dlouhodobé udržitelnosti jaderné energie. O rychlých reaktorech jsme již psali např. zde: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/2921-rychle-reaktory-s-uzavrenym-cyklem-jaderneho-paliva, a také zde: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/476-rychle-reaktory-budoucnost-jaderne-energetiky.

Uzavřený palivový cyklus

Ruský pilotní demonstrační energetický komplex, který se staví v Seversku, zahrnuje olovem chlazený rychlý reaktor BREST-OD-300, závod na výrobu paliva a závod na přepracování směsného nitridu uran-plutonia z použitého paliva. Bude zde také hlubinné úložiště odpadu. Důležitost tohoto pilotního projektu nespočívá pouze v demonstraci výroby nového paliva, jeho použití a následné recyklaci, ale také v tom, aby se tak stalo na jednom místě. „Mít celý proces uzavřeného palivového cyklu na jednom místě je dobré pro jadernou bezpečnost, zabezpečení a záruky,“ řekl Amparo Gonzalez Espartero, technický vedoucí pro jaderný palivový cyklus v MAAE. „Mělo by to dávat větší smysl i z ekonomického hlediska, protože jaderný odpad a materiály by se nemusely přemisťovat mezi lokalitami, jak je tomu v současnosti v některých zemích. Tím by se také minimalizovaly dopravní a logistické problémy.“

Provoz uzavřeného palivového cyklu v jakémkoli měřítku vyžaduje rychlé reaktory a infrastrukturu pro přepracování a recyklaci. Kromě jiných důvodů ztěžují mít zařízení na přepracování v každé zemi ekonomické a bezpečnostní aspekty. Aby se udržely nízké náklady, přepracovací zařízení poskytují služby jiným zemím nebo země zařízení sdílejí.

Rusko také plánuje nasadit po roce 2035 rychlý reaktor o výkonu 1 200 MW_e příští generace jako součást samoudržitelného systému vedle lehkovodních reaktorů. S pomocí rychlého reaktoru bude vyhořelé palivo z lehkovodních reaktorů přepracováno a znovu použito, přičemž výsledná stopa odpadu bude až desetkrát menší než u běžného jaderného palivového cyklu.

Projekty v jiných zemích postupují

Čína staví dva sodíkem chlazené rychlé reaktory (CFR-600) v okrese Xiapu v provincii Fujian. První blok je v provozu a očekává se, že bude připojen k síti v roce 2024. V USA se vyvíjí projekt rychlého reaktoru podporovaný spoluzakladatelem Microsoftu Billem Gatesem; nebude zatím fungovat v uzavřeném palivovém cyklu, i když země obnovuje úsilí o práci na uzavřených cyklech jaderného paliva a využívá svůj stávající jaderný odpad k rozvoji vlastních dodávek paliva. V Evropě je projekt MYRRHA v Belgii zaměřen na vybudování systému chlazeného olovem a bismutem a řízeného urychlovačem do roku 2036, aby se otestovala jeho schopnost odbourávat minoritní aktinidy jako součást budoucího plně uzavřeného palivového cyklu. (O počátcích projektu MYRRHA jsme psali zde: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/548-reaktor-jmenem-myrrha. Zde je podrobná prezentace projektu: https://www.oecd-nea.org/dbdata/meetings/jeff_stakeholders_2019/JSW_9.pdf.)

„Recyklování zdroje, jako je vyhořelé jaderné palivo, by přineslo zemím čistou energetiku a ekonomické výhody,“ řekl Vladimir Kriventsev, vedoucí týmu pro vývoj technologie rychlých reaktorů v MAAE. „Přichází to v době, kdy technologické inovace v oblasti materiálové vědy, reaktorové fyziky a inženýrství vedly k lepším návrhům s vylepšenými bezpečnostními prvky a sníženými konstrukčními a provozními náklady, které zlepšují ekonomiku jaderné elektrárny poháněné rychlým reaktorem.“

MAAE hraje klíčovou roli při podpoře vývoje a nasazení rychlých reaktorů sdílením informací a zkušeností prostřednictvím koordinovaných výzkumných projektů, technických publikací, technických pracovních skupin a konferencí. Mezinárodní projekt MAAE pro inovativní jaderné reaktory a palivové cykly také pomáhá rozvoji rychlých reaktorů a souvisejících jaderných palivových cyklů tím, že podporuje země při plánování a spolupráci.

Více informací zde: https://www.iaea.org/topics/fast-reactors

Technická pracovní skupina pro rychlé reaktory

Technical Working Group for Fast Reactors (TWG-FR) je mezinárodní skupina  odborníků, kteří poskytují poradenství a podporu implementaci programu MAAE v oblasti pokročilých technologií a výzkumu a vývoje (R&D) pro rychlé reaktory a podkritické hybridní systémy pro energetiku, produkci a využití/transmutaci nuklidů s dlouhou životností. První TWG-FR MAAE byla založena již v roce 1967 jako základní kámen aktivit MAAE v oblasti vývoje technologie rychlých reaktorů.

Rozsah

TWG-FR pomáhá při formulování mezinárodní vize použitelné pro současné a pokročilé rychlé reaktory, stejně jako pro podkritické hybridní systémy pro výrobu energie a využití či transmutaci radioaktivních nuklidů s dlouhou životností. Rozsah této TWG zahrnuje:

• Návrh a technologie pro současné, evoluční a inovativní rychlé reaktory (experimentální, prototypové nebo demonstrační a rychlé reaktory komerční velikosti) a podkritické hybridní systémy, včetně rychlých reaktorů nechlazených sodíkem a podkritických hybridních systémů;
• Ekonomika, výkon a bezpečnost rychlých reaktorů a podkritických hybridních systémů;
• Pokročilé palivové cykly a možnosti paliv pro využití a transmutaci aktinidů a produktů štěpení s dlouhou životností, včetně využití thoria.

Funkce TWG-FR jsou: 

• Poskytovat rady a pokyny a zajišťovat podporu v členských zemích pro realizaci programových aktivit v oblasti pokročilých technologií a výzkumu a vývoje pro rychlé reaktory a podkritické hybridní systémy;
• Poskytnout fórum pro sdílení informací a znalostí o národních a mezinárodních rozvojových programech v oblasti pokročilých technologií a výzkumu a vývoje pro rychlé reaktory a subkritické hybridní systémy;
• Působit jako spojovací článek mezi činnostmi MAAE ve specifické oblasti TWG-FR a národními vědeckými komunitami a vyměňovat obousměrně informace s národními komunitami;
• Poskytovat poradenství ohledně přípravných akcí v členských státech a činností MAAE při plánování a provádění koordinovaných výzkumných projektů, společných hodnocení a dalších činností, jakož i přezkumu výsledků pokročilých technologií a výzkumu a vývoje pro rychlé reaktory a podkritické hybridní systémy (např. systémy řízené urychlovačem a systémy fúze či štěpení) pro výrobu energie a pro využití či transmutaci nuklidů s dlouhou životností;
• Vypracovávat i revidovat vybrané dokumenty z řady Nuclear Energy Series, posuzovat stávající nedostatky a radit při přípravě nových v rámci činností TWG-FR;
• Přispívat do zpráv o stavu, technických setkání a aktuálních konferencí v oblasti pokročilých technologií a výzkumu a vývoje pro rychlé reaktory a podkritické hybridní systémy;
• Identifikovat důležitá témata k diskusi Stálé poradní skupiny pro jadernou energii (SAGNE);
• podporovat účast mladých profesionálů.

Zdroj: MAAE