Nový proces výroby paliva otvára cestu pre jadrové reaktory novej generácie

Národné laboratórium v Idahu (INL) odstránilo hlavnú prekážku na ceste k praktickej realizácii jadrového reaktora štvrtej generácie. Pomocou nového procesu tím vyvinul nový spôsob efektívneho spracovania paliva pre špičkové reaktory s roztavenou soľou. V snahe podnietiť renesanciu jadrovej energetiky vedci pracujú na vývoji nových návrhov reaktorov. Jednou triedou týchto takzvaných elektrární štvrtej generácie sú reaktory s roztavenou soľou, ktoré nahrádzajú palivové tyče z obohateného uránu alebo plutónia a vodný moderátor/chladivo zmesou jadrového paliva a roztavenej soli. Tento koncept poskytuje množstvo výhod oproti bežným tlakovodným reaktorom, ktoré sa dnes používajú.

Existuje viacero rôznych druhov reaktorov s roztavenou soľou, ale majú niekoľko spoločných znakov. Fungujú pri vyšších teplotách ako bežné reaktory a pri atmosférickom tlaku. Vďaka tomu sú oveľa efektívnejšie a znižujú mechanické namáhanie a zároveň eliminujú hrozbu rýchleho roztavenia. Navyše nebezpečné alebo škodlivé plyny, ako je vodík a xenón, sa ľahko odvádzajú jednoduchým chemickým procesom.

^{Zdroj Foto: INL}

Keďže reaktory s roztavenými soľami pracujú pri teplotách približne 600 °C, majú o 50 % vyššiu účinnosť. Môžu neustále recyklovať svoje palivo, čo znižuje množstvo jadrového odpadu, a nové palivo sa môže pridávať a odpad odstraňovať v podstate pomocou kanalizácie. Sú takisto dosť flexibilné, schopné manipulovať s rôznymi palivami. Okrem toho konštrukcie reaktorov môžu byť modulárne a ľahko prispôsobiteľné pre malé zariadenia, ktoré sa dajú použiť na rôzne priemyselné aplikácie vrátane výroby ropy, vodíka, odsoľovania, plávajúcich elektrární a pohonu lodí.

Možno sa spýtate, prečo sa teda reaktory na roztavenú soľ nepostavili už skôr. V skutočnosti sa takéto reaktory používajú už od samého úsvitu jadrového veku. Už projekt Manhattan na výrobu prvej atómovej bomby používal zmes soli a uránu. Ten však dlho nevydržal, pretože nebolo k dispozícii dostatok uránového paliva a návrh s roztavenou soľou nebol dobrý na výrobu plutónia. Preto Oppenheimer a jeho kolegovia zvolili grafitový reaktor.

Odvtedy sa uskutočnilo niekoľko projektov na využitie roztavenej soli, ale nikdy sa neuchytili. Napriek svojim výhodám majú reaktory na roztavenú soľ aj určité nevýhody. Sú náchylné na problémy s koróziou, ako aj na tepelné a neutrónové namáhanie. Okrem toho soli odstraňujú ochranné vrstvy oxidov z kovových komponentov. Potom je tu problém opätovného spracovania paliva, ktoré je rádioaktívne.

Navyše založenie jadrových reakcií na tečúcich zmesiach horúcich kvapalín zahŕňa niektoré oblasti jadrovej fyziky, ktoré sú z technického hľadiska trochu problematické. A aby toho nebolo málo, je tu problém s výrobou paliva pre reaktor. Nemožno použiť kovový urán ako v bežných palivových tyčiach. Musí byť vo forme, ktorá sa bude rozpúšťať v chloridových soliach. To znamená určitú formu chloridu uránového, ako je trichlorid (UCl₃) alebo tetrachlorid uránový (UCl₄). Tie však predstavujú výzvy vrátane zložitosti výroby, chemickej stability a reaktivity, ďalších krokov chemického spracovania a problémov s koróziou.

Práve tým sa zaoberá projekt INL Molten Chloride Reactor Experiment (MCRE). Od roku 2020 sa technický tím pod vedením Billa Phillipsa usiluje nájsť správnu zlúčeninu uránu a spôsoby jej hromadnej výroby s 90 % účinnosťou. MCRE v spolupráci so spoločnosťami Southern Company a TerraPower sa snaží vybudovať prvý reaktor s roztavenými soľami s kritickým spektrom na svete, pričom cieľom je mať demonštračný reaktor do roku 2028 a komerčnú verziu do roku 2035.

Zdroj Foto: INL

V roku 2020 však laboratórium mohlo naraz vyrobiť iba 57 až 85 g paliva. No reaktor potrebuje tri a pol tony na dosiahnutie kritického stavu. INL preto pracuje s denaturovaným uránom, ktorý je oveľa lacnejší, ale chemicky identický so štiepnym uránom, aby sa vytvorilo viac paliva na jednu dávku. Vďaka mnohým pokusom a omylom v kombinácii s vlastnou prototypovou pecou a špecializovaným zariadením tím zistil, ako skombinovať presné podmienky, prísady a metódy na výrobu 18 kg naraz.

Podľa INL bude ďalším krokom výroba ďalších piatich dávok do októbra 2025, aby sa preukázal potenciál výroby obohateného jadrového paliva v plnom rozsahu a aby sa MCRE mohol nabíjať na prvé reaktorové experimenty. Tie budú zamerané na štúdium správania sa neutrónov v reaktore, overenie teoretických modelov pre rýchlospektrálne chloridové reaktory, meranie stability paliva, posúdenie odolnosti konštrukčných materiálov proti korózii v chloridových soliach a štúdium radiačného poškodenia ochranných materiálov.

Zdroj: newatlas.com.

Zdroj Foto: INL