Organický jaderný reaktor
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/ef/Aboveground_Portion_of_the_Piqua_Decommissioned_Reactor_Complex_and_Auxiliary_Building.jpg/220px-Aboveground_Portion_of_the_Piqua_Decommissioned_Reactor_Complex_and_Auxiliary_Building.jpg)
Organický jaderný reaktor nebo organicky chlazený reaktor (OCR) je typ jaderných reaktorů, ve kterých je využíváno organických kapalin, typicky uhlovodíkových látek jako jsou polychlorované bifenyly (PCB), pro chlazení a v menší míře i pro moderaci neutronů. Motivací pro vznik organických jaderných reaktorů byla zejména snaha vyvinout reaktory, ve kterých by docházelo ke korozivním jevům v mnohem menší míře než v případě chlazení a moderace vodou, čímž je možné dosáhnout použití dostupnějších materiálů a zjednodušení konstrukce reaktorů.
Rozdíly oproti běžným jaderným reaktorům[editovat | editovat zdroj]
V nejjednodušších prototypech organických reaktorů je chladivo pouze nahrazeno organickou kapalinou. Toho je nejsnadněji dosaženo, když je moderátor od chladiva oddělen, jako je tomu například v Britských reaktorech AGR a Kanadských reaktorech typu CANDU. V těchto případech je možno modifikací existujících reaktorů získat grafitem moderovaný, organicky chlazený reaktor a těžkou vodou moderovaný, organicky chlazený reaktor. Dalšími moderátory použitelnými v kombinaci s organickými chladivy jsou beryllium, oxid beryllia a hydrid zirkonia.[1]
Největší výzkumný program ze Spojených států se nicméně zaměřil na organicky moderovaný a chlazený reaktor, který se v základu velmi podobna tlakovodnímu reaktoru (PWR), ve kterých se voda v aktivní zóně vždy nachází v kapalném skupenství, jelikož došlo jednoduše k nahrazení vody vhodným organickým materiálem. V tomto případě je tedy organický materiál chladivem i moderátorem, což přináší jistá omezení. Z provozního hlediska je to ale také to nejjednodušší řešení, které prošlo velkým vývojem ve Spojených státech, kde tlakovodní reaktory byly již běžnou technologií.[2]
Dalším běžným typem reaktoru ve světě je také varný reaktor (BWR). V takovém reaktoru je voda pod nižším tlakem a je v aktivní zóně přivedena k varu. Je tak sice omezena provozní teplota, ale zařízení je jednodušší, jelikož není potřeba parního generátoru a s ním spojených potrubí a čerpadel. Tento typ reaktoru lze také transformovat v organicky moderovaný a chlazený, čemuž pomáhá i vlastnost vhodných organických tekutin, které se samy dokážou přehřát, když expandují do plynného stavu, což může zjednodušit konstrukci zařízení.[3]
Výhody a nevýhody organických chladiv a moderátorů[editovat | editovat zdroj]
Výhody[editovat | editovat zdroj]
V konvenčních lehkou vodou chlazených reaktorech je vyvíjeno velké úsilí, aby se v reaktorech používané materiály nerozpustily, nebo nezkorodovaly ve vodě. Velké množství korozivzdorných materiálů totiž nejsou použitelné, neboť nejsou dostatečně pevné, aby vydržely vysoké tlaky, jsou nevhodné z hlediska radiačního poškození, nebo mají negativní vliv na neutronovou bilanci aktivní zóny reaktoru. To platí i pro palivové soubory, které jsou ve většině vodou chlazených reaktorů složeny z keramických tablet oxidu uraničitého v zikroniovém pokrytí.[4]
Vybraná organická chladiva tento problém řeší, jelikož jsou hydrofobní a obecně nepřispívají ke korozi kovů. Proto jsou také často používána v antikorozivních činidlech. Snížení koroze dovoluje zjednodušení konstrukce mnoha částí reaktoru a palivové články už nevyžadují použití tak náročných materiálů. Ve většině případů organických jaderných reaktorů se palivo nacházelo ve formě kovového uranu pokrytého nerezovou ocelí nebo hliníkem.[5]
Významnou bezpečnostní výhodou je, že na rozdíl od vody oleje nepřechází do plynného skupenství tak prudce jako voda a nehrozí tedy parní exploze, při které dochází k velkému nárůstu objemu páry spojeného s nárůstem tlaku. Dalším potenciálním zdrojem exploze ve vodou chlazených reaktorech je tvorba vodíku při reakci zahřátého zirkoniového pokrytí s vodou. Jelikož v organické reaktory toto pokrytí nevyužívají, je jediným zdrojem vodíku rozpad chemických vazeb chladiva. Množství a rychlost vzniku vodíku tímto způsobem jsou dobře předvídatelné a pravděpodobnost nahromadění vodíku je extrémně malá. Výše zmíněnými výhodami jsou výrazně sníženy požadavky na systém kontejnmentu, který tak může být projektován na nižší maximální tlak.[6]
Nevýhody[editovat | editovat zdroj]
Použití organických chladiv a moderátorů skýtá i několik nevýhod. Mezi ně patří relativně malá měrná tepelná kapacita a s tím spojená nižší schopnost přenosu tepla, která je oproti vodě zhruba poloviční, což zvyšuje průtoky chladiva potřebné pro odvedení stejného množství energie.[5] Dalším problémem organických chladiv a moderátorů je, že se při vysokých teplotách dochází k jejich rozkladu. I přes rozsáhlý výzkum bylo nalezeno pouze několik chladiv stabilních při provozních teplotách a neočekává se, že by nějaká látka byla schopna vydržet dlouhodobý provoz při teplotách nad 530 °C.[7] Většina ze zvažovaných organických sloučenin je také hořlavá a některé jsou i toxické, čímž vyvstávají nejen bezpečností problémy, ale i obavy týkající se jejich úniku do životního prostředí.[5]
Dalším problémem olejových moderátorů je vzrůst moderační schopnosti s klesající teplotou. To znamená, že ohřátím moderátoru dojde ke snížení moderační kapacity, poté ke snížení výkonu reaktoru a k jeho ochlazení. Běžně je toto velmi důležitá bezpečnostní funkce. Nicméně, v případě olejového moderátoru je záporný teplotní koeficient tak vysoký, že může dojít k prudkému ochlazení. Není tak možné s takovými reaktory provádět příliš rychlé změny výkonu, například pro vyrovnávání poptávky v elektrické síti.[5]
Zdaleka největším problémem uhlovodíků je jejich náchylnost k radiolýze. Na rozdíl od termolýzy, při které vznikají lehčí uhlovodíky, při radiolýze vzniká mnohem širší spektrum produktů. Voda také podléhá radiačnímu rozkladu, ale její produkty jsou vždy vodík a kyslík, které následně rekombinují zpět ve vodu. Produkty rozpadu olejů nebylo možné rekombinovat a musely být odstraňovány.[7]
Pro vědce byla velmi znepokojující i reakce, při které dochází k polymerizaci produktů radiolýzy do větších molekul. Předpokládalo se, že by tyto nově vzniklé sloučeniny mohly vytvářet shluky uvnitř reaktoru, zejména v chladicích smyčkách, a mohly by mít významný negativní efekt na provoz reaktoru.[7] Byly to právě produkty polymerizace přichytávající se na pokrytí paliva, které vedly k odstavení reaktoru v Piqua po pouhých 3 letech provozu.[8]
Historie[editovat | editovat zdroj]
První experimenty[editovat | editovat zdroj]
Teoretický výzkum organicky chlazených reaktorů byl proveden mezi lety 1953 a 1956 v Argonne National Laboratory. Součástí této práce byla studie potenciálu bifenylových chladiv. V letech 1956 až 1975 byla firmou Aerojet provedena studie na rychlost vyhořívání polyfenylových chladiv a v následujících letech Hanford Atomic Products provedly několik studií na ozařování polyfenylu.[9]
V roce 1955 začala společnost Monsanto provoz jedné chladicí smyčky v Brookhaven Graphite Research Reactor pro studium přestupu tepla a v roce 1958 začala zvažovat studii varných difenylových smyček.[10] Firma Atomic Energy of Canada Limited začala ve stejnou dobu provádět podobné studie se záměrem zkonstruovat zkušební reaktor.[10]
Podobný program byl započat v padesátých letech v Harwellu ve Spojeném království. Tento program se brzy zaměřil na radiační poškození organických sloučenin, zejména polyfenylů. Okolo roku 1960 započal Euratom studie, které byly součástí jejich projektu ORGEL.[10][11][12] Podobný ale oddělený projekt byl veden v Itálii pod vedením Comitato Nazionale per l'Energia Nucleare (CNEN), ale jejich projekt PRO nebyl nikdy postaven. V Dánsku byla také provedena studie zvažující těžkou vodou moderovaný reaktor.[10][13]
Významné experimenty[editovat | editovat zdroj]
Prvním dokončeným organicky chlazeným a moderovaným reaktorem byl Organic Moderated Reactor Experiment (OMRE) v Idaho National Laboratory. Jeho stavba začala v roce 1955, kritičnosti dosáhl v roce 1957. Jako chladivo a moderátor v něm bylo použito terfenylů a jeho provoz byl obecně přijatelný. Reaktor produkoval 15 MW tepelné energie a byl v provozu pouze do roku 1963. Aby se otestovaly různé druhy paliva, chladiva a rozdílné provozní teploty od 260 do 370 °C, aktivní zóna byla za tuto dobu třikrát přestavěna. V plánu byla i výstavba většího 40 MW reaktoru s terfenylovým chladivem a moderátorem (Exeprimental Organic Cooled Reactor – EOCR) jako nástupce OMRE. Jeho výstavba začala v roce 1962, ale nikdy do něj nebylo zavezeno palivo, jelikož se Atomic Energy Commision zaměřila hlavně na lehkovodní reaktory.[8]
Dalším významným reaktorem byl komerční prototyp Piqua Nuclear Generating Station, postaven v Piqua ve státě Ohio v roce 1963. Stejně jako OMRE, i tento reaktor používal terfenyly jako chladivo, měl však výkon srovnatelný s EOCR. Ze 45 MW tepelného výkonu vyráběl 15 MW elektrické energie. Palivem byl na 1,5 % obohacený kovový uran ve formě trubiček pokrytých žebrovanými povlaky z hliníku. V provozu byl pouze do roku 1966, kdy byl odstaven kvůli vrstvám radiačně degradovaného chladiva, které se usazovaly na palivu.[8]
Nejvýkonnějším organickým reaktorem byl Kanadský WR-1 s 60 MW tepelného výkonu. Stavět se začal v roce 1965 v nově založených Whiteshell Laboratories v provincii Manitoba a kritičnosti dosáhl o rok později. WR-1 byl moderován těžkou vodou a chlazen terfenyly a netrpěl problémy s rozkladem chladiva jako v případě reaktorů ze Spojených států. V provozu byl do roku 1985, kdy už bylo užití těžké vody jako moderátoru i chladiva standardem a nebyla tak potřeba vyvíjet organický reaktor.[14]
Přestože i několik evropských států pracovalo na vývoji organický reaktorů, pouze Sovětský svaz jeden postavil. Práce na 5 MW reaktoru Arbus začala v roce 1963 v Melekess a reaktor byl v provozu do roku 1979. Arbus vyráběl 750 kW elektrické energie. [15] V roce 1979 byl přestavěn na reaktor AST-1 a dodával 12 MW průmyslového tepla až do roku 1988.[8]
Obnovený zájem[editovat | editovat zdroj]
Indičtí představitelé opakovaně vyjádřili svůj zájem na obnovení konceptu organických reaktorů. Indie původně obdržela materiály ke CANDU reaktorům v době provozu reaktoru WR-1. Pro snížení provozních nákladů tak došlo k několika oživením konceptu reaktoru WR-1. Panuje obecné přesvědčení, že je možné sestrojit plně funkční systém čištění organického chladiva, a proto byl v této oblasti zahájen vývoj. Nicméně do roku 2020 žádný takový experimentální systém nebyl postaven.[6]
Odkazy[editovat | editovat zdroj]
Reference[editovat | editovat zdroj]
- ↑ Stevenson 1961, s. 8–9.
- ↑ Stevenson 1961, s. 8.
- ↑ Stevenson 1961, s. 9.
- ↑ Brennen 2005, s. 26.
- ↑ a b c d Stevenson 1961, s. 14.
- ↑ a b Parthasarathy 2008.
- ↑ a b c Stevenson 1961, s. 13.
- ↑ a b c d Shirvan a Forrest 2016, s. Table 1.
- ↑ Stevenson 1961, s. 10.
- ↑ a b c d Stevenson 1961, s. 11.
- ↑ EUROPEAN COMMUNITY INFORMATION SERVICES. Euratom advances Orgel program. European Community Information Service, 2. ledna 1962 [online]. 2 January 1962 [cit. 2018-11-30]. Dostupné online.
- ↑ LENY, J. C.; ORLOWSKY, S.; CHARRAULT, J. C.; LAFONTAINE, F. ORGEL - A European Power Reactor Design. [s.l.]: EURATOM, 1962. Dostupné online.
- ↑ ARGONNE NATIONAL LAB. Organic Nuclear Reactors: An Evaluation of Current Development Programs. ANL-6360 Reactor Technology. 1961. Dostupné online. DOI 10.2172/4822394. (English)
- ↑ WR-1 [online]. Manitoba Branch of the Canadian Nuclear Society, 2005-03-18 [cit. 2021-06-03]. Dostupné v archivu pořízeném dne 2005-03-18.
- ↑ TSYKANOV, V. A.; CHECHETKIN, Yu. V.; KORMUSHKIN, Yu. P.; POLIVANOV, I. F.; POCHECHURA, V. P.; YAKSHIN, E. K.; MAKIN, R. S. Experimental nuclear heat supply station based on the arbus reactor. Soviet Atomic Energy. 1981, s. 333–338. ISSN 0038-531X. DOI 10.1007/bf01126338. (anglicky)
Literatura[editovat | editovat zdroj]
- SHIRVAN, Koroush; FORREST, Eric. Design of an Organic Simplified Nuclear Reactor. Nuclear Engineering and Technology. Srpen 2016, s. 893–905. DOI 10.1016/j.net.2016.02.019.
- BRENNEN, Christopher. An Introduction to Nuclear Power Generation. [s.l.]: Dankat Publishing, 2005. Dostupné online.
- PARTHASARATHY, K.S. The long-forgotten organic cooled reactor. Tribune India. 5. září 2008. Dostupné online.