Reaktory wysokotemperaturowe chłodzone gazem
HTGR (High Temperature Gas-cooled Reactors)
Do czego mogą służyć i czym różnią się od reaktorów lekkowodnych?
(Mariusz. P. Dąbrowski, Narodowe Centrum Badań Jądrowych)
Reaktory jądrowe, dzięki zachodzącym wewnątrz rdzenia procesom rozszczepienia ciężkich pierwiastków na lżejsze, wytwarzają ciepło, które może być wykorzystane do różnych celów. Obecnie głównym zastosowaniem tego ciepła jest wytworzenie pary wodnej, która kierowana na turbinę, wprawia ją w ruch i wytwarza prąd elektryczny. Zatem można powiedzieć, że reaktory jądrowe (głównie chłodzone wodą) są wykorzystywane do produkcji prądu elektrycznego – sama nazwa „elektrownia jądrowa” sugeruje takie ich zastosowanie.
Ponieważ jednak pierwotnym produktem procesów rozszczepienia jest ciepło, więc można je wykorzystywać bezpośrednio. Temu celowi służą elektrociepłownie jądrowe lub ciepłownie jądrowe. W pierwszym przypadku tylko część produkowanego w reaktorze ciepła jest używana do produkcji prądu elektrycznego. W drugim, w ogóle nie produkuje się prądu elektrycznego – jedynie ciepło. Patrząc z praktycznego punktu widzenia ciepło jest potrzebne dla celów komunalnych i przemysłowych przynajmniej tak samo jak prąd elektryczny. Na przykład to ciepło można (poprzez transmisję pary) zastosować do ogrzewania budynków w okresie zimowym. Jednak jest to tylko część zapotrzebowania, bowiem bardzo duża ilość ciepła potrzebna jest do uruchomienia procesów w przemyśle chemicznym lub paliwowym. Obecnie przemysł ten wykorzystuje w tym celu głównie paliwa tzw. kopalne (węgiel, gaz, ropa naftowa) emitujące ogromne ilości dwutlenku węgla do atmosfery. Rzecz jasna można by w tym celu zastosować współczesne reaktory jądrowe. Jednak ciepło wytwarzane w działających obecnie reaktorach jądrowych jest ciepłem o niskiej temperaturze (ok. 300 °C), a przemysł potrzebuje ciepła o wyższej temperaturze (minimum 500 °C, a nawet do ok. 1000 °C). Okazuje się, że z pomocą mogą przyjść tutaj reaktory nowej generacji – tzw. reaktory wysokotemperaturowe (z ang. High Temperature Reactors – HTR lub High Temperature Gas-cooled Reactors - HTGR, jeśli są chłodzone gazem, obie nazwy często używane są zamiennie). Ich ważną zaletą względem stosowanych obecnie w przemyśle konwencjonalnych źródeł ciepła jest bezemisyjność, a co za tym idzie, ochrona klimatu i środowiska naturalnego ze względu na brak emisji dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych.
Reaktory wysokotemperaturowe, mogące potencjalnie pracować w bardzo wysokich temperaturach – dużo wyższych niż obecnie stosowane reaktory generacji II i III (głównie reaktory lekkowodne LWR – Light Water Reactors), można zaliczyć do tzw. generacji IV reaktorów jądrowych. Generacja IV charakteryzuje się przede wszystkim dużo większym bezpieczeństwem, dużo lepszą ekonomią, znaczną redukcją ilości odpadów radioaktywnych oraz większą odpornością na możliwość rozprzestrzeniania materiałów mogących służyć do produkcji broni jądrowej.
Dyskusja o reaktorach jądrowych zwykle wzbudza lęk i kontrowersje wśród społeczeństwa. Dzieje się to głównie ze względu na kojarzone z nimi ryzyko wypadku przemysłowego. Jednak nie ma działalności przemysłowej, a nawet żadnej działalności człowieka, która mogłaby charakteryzować się 100 % bezpieczeństwem, czyli mówiąc inaczej, zerowym ryzykiem wypadku. Nawet jazda rowerem może być niebezpieczna, chociaż niebezpieczeństwo, ze względu na niewielkie rozwijane prędkości jest dużo mniejsze niż w przypadku jazdy na nartach ze stromego zbocza, czy też szybkiej jazdy samochodem. W analizach probabilistycznych awarii lub wypadków ryzyko jest wynikiem pomnożenia dotkliwości skutków danego zdarzenia i częstotliwości jego występowania. Na przykład ryzyko wypadku lotniczego może być podobne (w rzeczywistości jest mniejsze) od ryzyka wypadku samochodowego pomimo iż dotkliwość wypadku lotniczego dla pasażerów samolotu jest dużo większa niż dotkliwość wypadku samochodowego kosztem mniejszej częstotliwości występowania wypadków lotniczych.
Biorąc pod uwagę powyższe obawy należy podkreślić, że zasadniczą cechą reaktorów wysokotemperaturowych chłodzonych gazem jest ich wbudowane (często nazywane inherentnym) bezpieczeństwo, pozwalające na lokalizowanie ich w pobliżu zakładów przemysłowych i większych skupisk ludności. Bezpieczeństwo tego typu można też nazwać naturalnym, bowiem gwarantowane jest ono niemal na tej samej zasadzie co odruch bezwarunkowy u człowieka (np. mrugnięcie powieką podczas zagrożenia oka lub zasłonięcie się rękoma w przypadku ataku).
Oczywiście oprócz tego, reaktor HTGR, podobnie jak reaktory II i III generacji, spełnia podstawowe wymagania bezpieczeństwa stawiane przez Międzynarodową Agencję Energii Atomowej (MAEA).
Po pierwsze, moc reaktora jest regulowana w trakcie jego pracy, a w przypadku dowolnej awarii, reaktor jest natychmiast wyłączany.
Po drugie, ciepło generowane w rdzeniu reaktora przez reakcje jądrowe może być odebrane zarówno podczas jego pracy, jak również po jego wyłączeniu.
Po trzecie, jest on tak skonstruowany, aby zapobiec wydzielaniu i rozprzestrzenianiu się substancji promieniotwórczych na zewnątrz reaktora.
Przede wszystkim wysokotemperaturowy reaktor IV generacji HTGR ma charakterystyczny dla reaktorów niższych generacji mechanizm jego wyłączania. Jest to zespół prętów bezpieczeństwa, uwalnianych pod wpływem zawsze działającej na Ziemi siły ciężkości (ciężaru, każącego spadać dowolnym przedmiotom na Ziemię), co zachodzi samoczynnie i nie wymaga aktywnego użycia żadnej energii wyprodukowanej przez dowolne urządzenie stworzone przez człowieka. Pręty bezpieczeństwa są uwalniane do spadku automatycznie na sygnał przekroczenia dopuszczalnych parametrów pracy reaktora mogących stanowić zagrożenie bezpiecznego jego działania.
Jednak poza tymi podstawowymi cechami, reaktor HTGR posiada charakterystyki bezpieczeństwa, które pojawiają się niezależnie od możliwych awarii i błędów obsługi. Taką najważniejszą charakterystyką jest samoczynna regulacja mocy reaktora gwarantowana silnym ujemnym sprzężeniem zwrotnym pomiędzy temperaturą rdzenia a reaktywnością. Polega ona na tym, że nawet niewielki wzrost temperatury rdzenia dzięki naturalnym procesom fizycznym (takim jak np. zmniejszenie się gęstości paliwa, czy też zmniejszenie się przekrojów czynnych na zachodzenie reakcji jądrowych1), powoduje natychmiastowe zmniejszenie reaktywności, co z kolei prowadzi do natychmiastowej stabilizacji lub zmniejszenia się mocy reaktora. Z drugiej strony, niewielkie obniżenie się temperatury rdzenia powoduje natychmiastowy niewielki wzrost reaktywności i w konsekwencji tego, także mocy reaktora, pozwalając na powrót do stanu stabilnej pracy reaktora. W reaktorze HTGR nie może zatem pojawić się nieograniczony wzrost (często nazywany “ekskursją”) mocy, który mógłby (tak jak w reaktorach niższych generacji, gdzie stosuje się tzw. “chwytacz stopionego rdzenia”) doprowadzić do zniszczenia lub stopienia się rdzenia. W języku inżynierii jądrowej mówi się, iż awaria reaktywnościowa jest niemożliwa.
Znaczenie ujemnego współczynnika temperaturowego można opisać za pomocą ciągu zdarzeń:
Wzrost temperatury w reaktorze → Spadek reaktywności → Natychmiastowa stabilizacja mocy (czyli stabilna praca reaktora) i spadek temperatury → Stabilizacja mocy reaktora na poprzednim poziomie.
To dzieje się w przeciwieństwie do dodatniego współczynnika temperaturowego (który wystąpił w przypadku wypadku w Czarnobylu), gdzie miał miejsce inny scenariusz:
Wzrost temperatury → Wzrost reaktywności → Wzrost mocy → Dalszy wzrost temperatury → Destabilizacja reaktora.
Inną ważną charakterystyką bezpieczeństwa reaktorów HTGR jest możliwość samoczynnego odbioru tzw. ciepła powyłączeniowego z rdzenia reaktora po utracie substancji chłodzącej, czyli uniknięcie jednego z głównych problemów jaki pojawił się po awarii reaktora w Fukushimie. Dzieje się to za pomocą naturalnych procesów fizycznych przewodzenia ciepła najpierw przez otaczający rozgrzane pręty paliwowe blok grafitowy o dużej pojemności cieplnej, a potem poprzez odprowadzenie ciepła z rozgrzanego grafitu, poprzez osłony reaktora, do otoczenia za pomocą promieniowania cieplnego. Dla porównania, w reaktorach LWR proces chłodzenia awaryjnego wymaga zastosowania tzw. awaryjnego systemu chłodzenia rdzenia, który musi być włączony przez człowieka, a przede wszystkim dostępny, bowiem nie jest to proces samoczynny (naturalny).
Z kolei użyta do chłodzenia substancja - gazowy hel - w przypadku reaktorów HTGR ma także znaczące walory bezpieczeństwa w porównaniu z używaną w większości reaktorów niższych generacji wodą. Otóż hel jest gazem szlachetnym, który w zwykłych warunkach nie wchodzi w reakcje chemiczne z innymi substancjami, w związku z czym nie ma zagrożenia wybuchem w przypadku awarii tak jak ma się to z wodą, która reaguje z metalowymi koszulkami (osłonami) prętów paliwowych, utleniając je, co z kolei powoduje powstanie wybuchowego wodoru (ta sytuacja miała miejsce w Fukushimie).
W końcu, reaktory HTGR mają jeszcze jedną ważną charakterystykę bezpieczeństwa, która zapobiega możliwości wydostania się substancji promieniotwórczych, produktów reakcji rozszczepienia do otoczenia. Ta charakterystyka pojawia się dzięki systemowi barier otaczających uranowe paliwo we wnętrzu rdzenia reaktora, a ściślej w pastylkach paliwowych. Mianowicie, paliwo jest produkowane w postaci wielowarstwowych kuleczek o średnicy ok. 1 mm i nazywane TRISO (TRIstructural-ISOtropic). Cząstka paliwa składa się z wewnętrznej części (o średnicy ok. 0.6 mm) zawierającej materiał rozszczepialny (jądro), który jest otoczony kolejno przez: pierwszą warstwę węgla pirolitycznego o małej gęstości, drugą warstwę węgla pirolitycznego o dużej gęstości, trzecią warstwę ceramicznego i odpornego na wysoką temperaturę węglika krzemu i w końcu czwartą warstwę węgla pirolitycznego o dużej gęstości.
Rys. 1. Przekrój warstw paliwa TRISO (źródło:https://ceramics.org/ceramic-tech-today/refractories/from-new-fuels-to-waste-disposal-next-gen-nuclear-reactors-depend-on-advanced-ceramics )
Paliwo TRISO jest bardziej odporne na uszkodzenia pod wpływem temperatury niż paliwo stosowane w reaktorach LWR, które może ulec uszkodzeniu już w temperaturze 1000 °C, co dalej powoduje intensywne wydzielanie się produktów rozszczepienia. Pomimo, że ze względu na pasywne chłodzenie rdzenia reaktora panująca w nim temperatura nie przekracza 1600 °C, to wytrzymałość paliwa TRISO na wysokie temperatury sięga nawet 2200 °C. W związku z powyższym dla reaktorów HTGR inna jest filozofia tzw. barier bezpieczeństwa (tzw. „obrona w głąb”, ang. “defence-in-depth”). W związku z powyższym w reaktorach wodnych stosuje się podwójną obudowę bezpieczeństwa, a w reaktorach HTGR wprowadza się termin „system barier”, w którym główną rolę gra nie obudowa bezpieczeństwa, lecz powstrzymywanie produktów rozszczepienia u samego źródła ich powstawania, to jest wewnątrz paliwa.
Wymagania bezpieczeństwa powodują także, iż reaktory HTGR projektowane są na moc mniejszą niż reaktory LWR. I tak reaktory LWR mogą mieć moc od kilkuset nawet to 3000 MW, to moc HTGR to maksymalnie 600 MW, a najbardziej pożądaną dla polskiego przemysłu chemicznego i paliwowego jest jednostka 180 MWt(Megawatów termicznych). W istocie rzeczy HTGR mogą wytwarzać prąd elektryczny, ogrzewać budynki, służyć do odsalania wody, dostarczać ciepło dla procesów przemysłowych, jak również (przy pracy w bardzo wysokiej temperaturze ok. 1000 °C) służyć do produkcji paliwa przyszłości jakim jest wodór.
W projekcie GOSPOSTRATEG-HTR, jednym z zadań przygotowanie do procesu licencjonowania reaktorów HTR na przykładzie reaktora badawczego. Reaktor ten oprócz zadań badawczych zawierałby także podstawowe cechy reaktora przemysłowego i w związku z tym stanowiłby swoisty demonstrator technologii HTGR.
Zastosowanie reaktora HTR w przemyśle (autor rysunków: prof. Grzegorz Wrochna):
