Rychlé neutronové reaktory jsou jedinečným vývojem ruských vědců a budoucností celého jaderného energetického průmyslu

Mírumilovný atom je jedním z pilířů světové energie, bez něhož je moderní společnost prostě nemožná. Navzdory všem výhodám stávajících jaderných elektráren hlavní chybou bylo a zůstává odstraňování vyhořelého jaderného paliva.

Zdá se, že i tento problém bude vyřešen - díky unikátnímu ruskému vývoji uzavřeného jaderného palivového cyklu, jehož realizace je možná v jaderných reaktorech využívajících rychlé neutrony.

Jaký je problém moderní jaderné energie

Mírový atom tedy slouží lidstvu k výrobě elektřiny po celém světě již více než tucet let. Ale je tu jeden velmi vážný problém. Ne veškerý přírodní uran je vhodný jako palivo pro jaderné reaktory.

Uran-238 je v přírodě velmi rozšířený (92 protonů, 146 neutronů) a jeho podíl na světových rezervách je 99,3% celkového uranu na Zemi. Ale to není vhodné pro jaderné reaktory jako palivo.

Pouze zbývajících 0,7% světové dodávky ve formě uranu 235 (92 protonů, 143 neutronů) může sloužit jako palivo. Ale ani tato zbývající část uranu nemůže být jednoduše odebrána a naložena do reaktoru. Musí být předem obohacen a podíl uranu-235 na celkové hmotnosti uranu-238 se zvýšil asi 700krát.

Ukazuje se, že i přes obrovské světové zásoby bude uran, který je opravdu vhodný pro palivo, podle průměrných výpočtů dostačující pouze na 50 let.

Všechno není tak ponuré, jak se na první pohled zdá. Uran-238 může být stále upraven pro jaderné reaktory. Je pravda, že k tomu je nutné převést uran-238 na plutonium-239 a tento proces je možný pouze při vystavení rychlým neutronům.

Jak se ukázalo, tato transformace není snadná. Většina moderních reaktorů přeci pracuje na „pomalých“ neutronech, které jsou záměrně zpomaleny, protože uran-235 „nechce komunikovat“ s rychlými neutrony. Ale uran-238 se naopak nepodílí na procesu transformace na pomalých neutronech.

Není ekonomicky proveditelné provést přeměnu uranu 238 na plutonium 239 samostatně. Je mnohem efektivnější použít k tomu takzvané extra neutrony, které se tvoří během rozkladné reakce. Proto jsou v moderních reaktorech speciálně odstraňovány pomocí absorbérů.

Musíme tedy spojit „nevyžádaný“ uran-238 a „správný“ uran-235 na jednom místě - v atomovém reaktoru. A poté bude možné jak vyrábět elektřinu, tak konkrétně přeměňovat „zbytečný“ uran 238 na nové jaderné palivo pro reaktory. Předpokladem pro to je však skutečnost, že musí (reaktor) pracovat na rychlých neutronech.

Ale vytvoření takového skutečně fungujícího rychlého neutronového reaktoru se ukázalo jako velký problém pro mnoho inženýrů. S tímto úkolem se vyrovnali pouze ruští inženýři-vědci.

Rychlé neutronové reaktory, jaké jsou jejich vlastnosti

Potřebujeme tedy reaktor, který běží na uranu 235, a zároveň musíme zajistit, aby fungoval na rychlých neutronech. Aby to bylo možné, je nutné výrazně zvýšit hustotu toku neutronů (aby byl uran-235 ochotnější interagovat s rychlými neutrony).

To znamená, že bude nutné použít obohacené palivo, zatímco teplotní režim a neutronové toky budou výrazně tvrdší - budou zapotřebí stabilnější materiály.

Kromě toho je třeba se vyvarovat materiálů, které zpomalí neutrony. To znamená, že klasická verze - voda - není v tomto případě vhodná, protože dokonale zpomaluje neutrony.

Proto byla rtuť používána jako chladivo v raných fázích vývoje rychlých reaktorů, ale tato možnost byla rychle opuštěna kvůli vysoké toxicitě kovu.

V dalších fázích experimentů zkoušeli takové kovy jako olovo, vizmut a sodík.

Nejslibnějším materiálem byl sodík a olovo. A v první fázi se sovětským inženýrům podařilo „zkrotit“ sodík.

První komerční, plně funkční rychlý neutronový reaktor byl sovětský reaktor BN-600. A již v roce 2015 společnost Rosatom spustila reaktor BN-800 (sodík). Jedná se o jedinečný reaktor svého druhu, který je již přizpůsoben pro provoz na plutoniové palivo s plně uzavřeným chovným cyklem.

Jaká je výhoda rychlých reaktorů

Předběžné výpočty ukazují, že díky této technologii se podíl jaderného paliva vhodného pro reaktory prudce zvyšuje z mírných 0,7% na 30%.

V důsledku toho se efektivní zásoby paliva zvýší přibližně 43krát, což znamená, že by měly být dostatečné ne po dobu asi 50 let, ale po dobu více než dvou tisíciletí. Myslím, že je rozdíl i při velmi hrubém výpočtu.

Navíc jsou tyto reaktory schopné plně fungovat na vyhořelé jaderné palivo z „pomalého“ reaktory, což slibuje řešení největší bolesti hlavy ekologů - jak nakládat s použitou jadernou energií palivo.

Také takové reaktory jsou mnohem bezpečnější. Nakonec místo horké vody pod vysokým tlakem používají sodík. Sodík se stává kapalným při 100 stupních Celsia a do varu přechází až při 900 stupních.

Vzpomeňme si, jak chladicí systém funguje na „konvenčních“ jaderných reaktorech. Tam voda pod obrovským tlakem působí jako chladivo. Je zřejmé, že vysoký tlak představuje vysoké riziko odtlakování a nehody.

Se sodíkem nejsou žádné takové problémy. Vzhledem k tomu, že bod varu je vysoký, lze jej udržovat při normálním tlaku, což znamená, že není šance na únik a nehodu.

I v případě abnormální situace bude reaktivita sodíku hrát ve prospěch bezpečnosti. Při interakci s kyslíkem a parami vlhkosti v atmosféře bude sodík vázán na perzistentní chemikálie sloučeniny, které zůstanou na území stanice a nebudou se rozptylovat po okrese a šířit radioaktivní látky znečištění.

Rusko je před ostatními

Přes četné pokusy různých zemí má pouze Rusko, zejména Rosatom, plnohodnotnou komerční verzi rychlého neutronového reaktoru.

Dokonce ani Francouzi (se svým slibným vývojem „Phoenixova reaktoru“) se nedokázali vypořádat s problémem periodického provozu ochranných systémů a v roce 2010 projekt zastavili.

Japonci také otestovali svou vlastní verzi - reaktor Monju, ale po sérii nehod se rozhodli ji rozebrat.

Indové také chtěli vytvořit svůj vlastní rychlý neutronový reaktor, ale nic se nestalo.

V Rusku se technologie vyvíjí hladce a již probíhají práce na projektu rychlého reaktoru BN-1200, ve kterém se jako chladivo používá roztavené olovo. Podle plánu bude plně funkční do roku 2030.

Ukazuje se, že Rusko je jedinou zemí, která může skutečně vyrábět jadernou energii efektivní a skutečně bezpečný díky jedinečné konstrukci - rychlému neutronovému reaktoru.