I přes Fukušimu dávají Japonci jádru velkou budoucnost, malé reaktory nevyjímaje

Japonsko jakožto ostrovní stát s téměř nulovou zásobou fosilních zdrojů již dlouhou dobu
spoléhá na jadernou energii. Země započala s jaderným výzkumem přibližně v polovině
padesátých let minulého století.

První komerční jaderná elektrárna Tokai s výkonem 166 MW(e) byla uvedena do provozu v roce 1966. Množství jaderných elektráren v Japonsku poté narůstalo velmi rychle. Před havárií v jaderné elektrárně Fukušima bylo v Japonsku v roce 2011 v provozu 54 komerčních reaktorů.

Tyto reaktory tvořily přibližně 30 procent zdrojů vyrobené elektřiny. Po havárii ve zmíněné elektrárně před devíti lety se jaderné reaktory začaly postupně odstavovat a upravovat. V květnu 2012 již nebyl v provozu ani jeden.

To mělo za následek značný nárůst ceny elektřiny. Proto čtyři roky po havárii (v roce
2015) byla po úpravách jako první znovu uvedena do provozu jaderná elektrárna Sendai. Od té doby se počet reaktorů, které jsou v provozu, vyšplhal na 33 a další dva jsou ve výstavbě.

Japonsko se dlouhodobě zaměřuje taktéž na výzkum malých modulárních reaktorů. Konkrétně se zabývá dvěma vodou chlazenými reaktory (jeden varný a jeden tlakovodní), jedním vysokoteplotním reaktorem, jedním rychlým reaktorem a jedním solným reaktorem. Pojďme si je představit blíže.

DMS (double MS: modular simplified a medium small reactor)

Firma Hitachi vyvinula DMS, což je malý varný reaktor (BWR), který generuje výkon přibližně 300 MW(e). Cílem reaktoru DMS je optimalizovat konstrukci podle výkonu a dosáhnout vysoké hospodárnosti využitím osvědčených technologií z již existujících reaktorů.

Teplo produkované v aktivní zóně je odváděno přirozenou cirkulací chladiva, čímž se eliminuje nutnost cirkulačních čerpadel. Tato vlastnost umožňuje zjednodušenou a kompaktní tlakovou nádobu reaktoru a taktéž kontejnment.

Díky přirozené cirkulaci jsou vnitřní části reaktoru a reaktorové systémy také zjednodušeny. Hlavními rysy konstrukce reaktoru DMS je zjednodušení a zmenšení systémů a zařízení, integrovaná modulace konstrukce, standardizace rozložení zařízení a efektivní využití osvědčené technologie. Továrně vyrobený modul zkracuje dobu výstavby a umožňuje transport modulů na místo.

Varné reaktory malé až střední velikosti jsou vhodné pro odlehlé regiony s méně rozvinutou infrastrukturou.

Návrh DMS poskytuje také možnost pro neelektrické využití energie, například pro dálkové vytápění, těžbu (např. těžba ropného písku) a odsolování.

Projekt DMS byl startovacím projektem pro japonsko-americkou spolupráci (firmy Hitachi a General Electric) na varném reaktoru BWRX-300, o kterém jsme již psali a který by byl
ideální náhradou za reaktory VVER-440.

Reaktor DMS (vlevo) a řez kontejnmentem DMS (vpravo). Zdroj: IAEA

IMR (integrated modular water reactor)

Další typ malých modulárních reaktorů je projektem firmy Mitsubishi Heavy Industries. Ta vyvíjí integrovaný modulární vodní reaktor (IMR), což je středně velký reaktor s tepelným výkonem 1 000 MW(t) , který produkuje elektrický výkon 350 MW(e).

IMR je vyvinut k potenciálnímu nasazení po roce 2025, přičemž využívá systém přirozené cirkulace pro přenos tepla. Primárním prostředkem pro řízení reaktivity je mechanismus řídicích tyčí umístěných uvnitř nádoby reaktoru. Tyto konstrukční prvky umožňují eliminovat systém nouzového chlazení aktivní zóny (ECCS).

Reaktor IMR je primárně navržen jako stacionární modul na výrobu elektřiny. Kapacitu elektrárny lze snadno zvýšit a upravit podle potřeby instalací dalších modulů. Díky těmto modulárním charakteristikám je vhodný pro jak velké elektrárny, které mohou využít několik modulů najednou, tak i pro malé distribuované elektrárny, zejména pokud je kapacita sítí malá.

Tento typ lze také použít na kombinovanou výrobu elektřiny a dálkového vytápění, odsolování mořské vody nebo výrobu procesní páry. IMR přijímá struktury, systémy a zařízení, které nevyžadují rozsáhlý vývoj. To má usnadnit získání souhlasu regulačního orgánu pro výstavbu a provoz elektrárny.

Reaktor IMR a řez kontejnmentem IMR (vpravo). Zdroj: IAEA

GTHTR 300 (gas turbine high temperature reactor)

Dalším typem je GTHTR 300, což je vysokoteplotní víceúčelový inherentně bezpečný reaktor o výkonu 300 MW(e), který Japonská agentura pro atomovou energii (JAEA) vyvíjí pro komercializaci po roce 2030.

Teplota chladicího média reaktoru je výrazně vyšší než u lehkovodních reaktorů, v rozmezí 850–950 °C. Díky této vysoké teplotě umožňuje širší škálu aplikací, jak již prokázal provoz testovacího vysokoteplotního reaktoru HTTR.

TRISO palivo vysokoteplotního reaktoru. Zdroj: researchgate.net

Konstrukce využívá plynovou turbínu s přímým cyklem, která zjednodušuje zařízení tím, že vylučuje vodní a parní systémy, a současně zajišťuje účinnost výroby na úrovni 45 až 50 procent.

Návrh počítá s prizmatickým TRISO palivem (viz obrázek vpravo), o kterém již byla zmínka v minulém díle seriálu. Jako chladivo bude použit inertní plyn: helium.

Typické aplikace zahrnují výrobu elektrické energie, termochemickou výrobu vodíku, kogeneraci, odsolování využívající pouze odpadní teplo a výrobu oceli. Při výrobě vodíku je maximální teoretický výkon na jeden reaktor 120 tun vodíku za den. Při kogeneraci je výroba elektřiny 280–300 MW(e) s možností odsolování mořské vody v objemu až 55 000 m³ / den.

Reaktor GTHTR 300. Zdroj: IAEA

Reaktor 4S (super-safe, small and simple)

Modulární reaktor 4S je malý sodíkem chlazený bazénový rychlý reaktor, používající kovové palivo od firmy Toshiba. Je vyvíjen jako zdroj energie pro víceúčelové aplikace a nabízí dvě výkonová řešení: 30 MW(t) / 10 MW(e) a 135 MW(t) / 50 MW(e). Tyto energetické výstupy byly vybrány na základě analýz poptávky.

Aktivní zóna reaktoru 4S je navržena tak, aby měla životnost třicet let při výkonu 30 MW(t) a deset let při výkonu 135 MW(t). Reflektor obklopující aktivní zónu je pohyblivý, což kompenzuje ztrátu reaktivity vyhoříváním paliva během provozu.

Elektrický výkon elektrárny lze řídit systémem voda-pára, díky kterému je reaktor
použitelný pro provoz se změnou výkonu. 4S je určen k dodávkám elektřiny do odlehlých oblastí, těžebních míst i pro neelektrické aplikace. Zařízení může být konfigurováno pro dodávání vodíku a kyslíku pomocí procesu vysokoteplotní elektrolýzy.

Reaktor 4S. Zdroj: IAEA

Reaktor FUJI

Tento reaktor s roztavenými solemi (MSR) používá jako chladivo, jak již název napovídá,
roztavenou (a to nejčastěji fluoridovou) sůl. Roztavená sůl je kapalina, která je stabilní a inertní při vysoké teplotě a lze ji použít při velmi nízkém tlaku.

Protože roztavení aktivní zóny nebo parní/vodíkový výbuch jsou zde nemožné, lze dosáhnout vysoké bezpečnosti. Sůl je použita jako kapalné palivo a zároveň jako chladivo.

Palivová sůl je směsí fluoridů thoria, uranu, beryllia a lithia. Thorium zde působí jako štěpitelný materiál, záchytem neutronu se thorium změní na uran-233, který je štěpný a podstupuje štěpení neutrony.

Primární okruh SMR FUJI. Zdroj: IAEA

Technologie MSR byla původně vyvinuta v americké Oak Ridge National Laboratory (ORNL) v šedesátých letech 20. století a byly postaveny tři experimentální reaktory. Jeden z nich byl provozován čtyři roky bez vážných problémů. Je tedy ověřeno, že tato technologie je proveditelná.

Reaktor MSR-FUJI byl vyvíjen od osmdesátých let 20. století japonskou skupinou (nyní jde již o mezinárodní skupinu International Thorium Molten-Salt Forum (ITMSF), pozn. red.). Jeho vývoj byl ale založen na výsledcích ORNL s cílem rozsáhlého nasazení reaktoru ve světě.

MSR-FUJI je velikostně flexibilní od 100 MW(e) do 1 000 MW(e). Nejnovější a typická
konstrukce (FUJI-U3) je však 200 MW(e), kterou lze klasifikovat jako malé modulární
reaktory (SMR).

Tepelný výkon FUJI-U3 je 450 MW(t), a tak lze dosáhnout tepelné účinnosti 44 procent. Kromě toho by jednoduchá základní struktura a vysoká palivová účinnost měly usnadňovat příznivé ekonomické výsledky.

Schéma SMR FUJI. Zdroj: IAEA

V posledním díle seriálu se zaměříme na vývoj SMR v dřívějším Československu a současném Česku.