Odolnější paliva pro jaderné elektrárny

Jako tolerantní se označuje jaderné palivo odolné vůči nadprojektovým haváriím jaderných elektráren spojených se ztrátou schopnosti chladit reaktor. Dokonce i v takovém případě musí vydržet dostatečně dlouhou dobu, aniž by byla porušena jeho těsnost a rozběhla se reakce rozkládající vodu na kyslík a vodík. Označováno je také jako palivo se zvýšenou odolností vůči haváriím (Accident-tolerant fuel – ATF). Je založeno na nových technologiích zvyšující bezpečnost i výkon a využívá nové materiály a návrhy pokrytí palivových pelet. Jeho zavedení by posunulo bezpečnost a spolehlivost jaderných elektráren na zcela novou úroveň.

Rusko zahájilo reaktorové testy
V rámci projektu Rosatomu probíhají práce na vývoji a komercionalizaci jaderného paliva odolného vůči těžkým haváriím. V palivové společnosti TVEL, která patří do ruské korporace Rosatomu, má na starosti výzkumné a konstrukční práce při vývoji tolerantního paliva výzkumný ústav VNIINM a koncem letošního ledna byly do testovací smyčky výzkumného reaktoru MIR v institutu NIIAR zavezeny první experimentální palivové kazety s palivem ATF, čímž začaly jejich reaktorové zkoušky. První fáze zkoušek a následná analýza bude dokončena ještě letos. Na základě získaných informací bude vybrána optimální kombinace materiálů palivového proutku a proběhnou výpočty neutronových parametrů aktivních zón tlakovodních reaktorů. Další důležitou etapou bude zavezení palivových kazet s pilotními tolerantními proutky do reaktoru jedné z ruských jaderných elektráren.
Dvě experimentální palivové kazety obsahují proutky určené jak pro reaktory VVER, tak pro západní verze tlakovodních reaktorů. Každá kazeta obsahuje 24 proutků s různými kombinacemi materiálů pokrytí palivových tablet. Tablety byly vyrobeny jak z tradičního oxidu uraničitého (UO3), tak z uran-molybdenové slitiny s vyšší hustotou a tepelnou vodivostí. Jako materiál pokrytí byla použita zirkoniová slitina s chromovým povlakem nebo slitina chromu a niklu.
V reaktoru MIR budou vytvořeny podmínky odpovídající provozu v reaktorech VVER a západních tlakovodních reaktorech, pro které TVEL vyrábí palivo TVS-Kvadrat svého vlastního designu. Konstrukce výzkumného reaktoru umožňuje provádět měření ve dvou oddělených smyčkách, takže může být souběžně testováno palivo pro ruské i západní reaktory.
Výrobě experimentálního tolerantního paliva předcházela rozsáhlá práce vědců a konstruktérů - probíhal detailní výzkum materiálů, ladily se nové technologie nanášení povlaků a odporového svařování a byly prováděny laboratorní zkoušky vzorků. Volba konkrétních materiálů byla dána z výsledků výzkumu, ale i ze zkušeností ruského jaderného průmyslu, protože některé ze zkoumaných materiálů jsou úspěšně používány v konstrukci palivových kazet pro výzkumné reaktory a v aktivních zónách reaktorů jaderných elektráren a plavidel.

Jaderná bezpečnost v americké režii
Na novém palivu pracují i Američané. Společnost Westinghouse získala od Amerického ministerstva energetiky (DOE) dotaci 93,6 mil USD (zhruba 2,1 mld. Kč) pro svůj program EnCore na vývoj jaderného paliva odolnějšího vůči haváriím. Firma prostředky využije k financování spolupráce se společností General Atomics a univerzitními partnery, aby urychlila uvedení prvních testovacích palivových proutků s pokrytím z karbidu křemíku pro běžné energetické reaktory. První vsázka palivových souborů obsahující testovací proutky EnCore má být letos umístěna do reaktoru Exelon Generation’s Byron 2.
DOE podporuje vývoj ATF konceptů od roku 2012 prostřednictvím programu Enhanced Accident Tolerant Fuel, zaměřeného na vývoj nových materiálů pro palivo a jeho pokrytí, umožňujících poskytovat lepší odolnost při nehodách spojených se ztrátou odvodu tepla z aktivní zóny reaktoru a udržet nebo zlepšit současný výkon paliva a ekonomiku provozu.
První fáze programu EnCore Fuel firmy Westinghouse zahrnuje nanesení chrómu na zirkoniové pokrytí ke zvýšení odolnosti palivových proutků vůči oxidaci a korozi a vyšší hustotu palivových pelet. Druhá fáze zahrnuje kompozitní pokrytí karbidem křemíku a pelety z uranových silicid s vysokou hustotou, které poskytnou vyšší bezpečnost a ekonomické výhody.
Testovací tyče s palivem EnCore pro reaktor Byron 2 mají obsahovat pochromované zirkoniové palivové proutky naplněné silicidovými uranovými peletami ze sloučeniny uranu a křemíku, místo dosud užívané sloučeniny UO3. To umožní dosáhnout vyšší hustoty uranových atomů v každé peletě, a tím i delší provozní životnost, zvýšení výstupního výkonu a vyšší úroveň vyhoření. Materiál má také čtyřikrát vyšší tepelnou vodivost než současná keramická forma palivových pelet, čímž dokáže udržet palivo při havarijních situacích déle neporušené.
DOE aktuálně spolupracuje se třemi společnostmi (Framatome, Global Nuclear Fuel a Westinghouse) pro komercializaci jejich paliva a jeho umístění do klasických energetických reaktorů nejpozději v roce 2025. Dotaci ve výši 49 mil. USD pro urychlení vývoje a komercializace svého ATF obdržel nedávno i francouzský koncern Framatome.

Foto: MIR, TVEL, Westinghouse

Publikováno: 1. 4. 2019 | Počet zobrazení: 1354 330