Reaktory wysokotemperaturowe typu HTR i VHTR

Streszczenie

Reaktory HTR i VHTR są typem reaktorów wytwarzających bardzo wysokiej temperatury. Podstawowa konstrukcja tego typu reaktorów, to złoże otoczaków (ang. Pebble Bed). W HTR tysiące sferycznych elementów paliwowych tworzy rdzeń reaktora, który chłodzony jest przez gaz obojętny (hel, azot lub dwutlenek węgla). Reaktor zaprojektowany jest do pracy w wysokich temperaturach i w razie potrzeby może schładzać się przez naturalny obieg powietrza. Wytwarzane w reaktorze wysokie temperatury pozwalają uzyskać wyższą sprawność cieplną niż to możliwe w tradycyjnych elektrowniach jądrowych.

Wprowadzenie

Pomimo istnienia różnych konstrukcji oraz różnych wielkości reaktorów, rozróżnia się cztery kategorie aktualnie eksploatowanych lub też projektowanych reaktorów jądrowych (Rys. 1).

Rysunek 1. Generacje reaktorów nuklearnych nastające po sobie z biegiem lat. Generacja I - prototypowe reaktory komercyjne, opracowane w latach 50 i 60-tych, rozbudowanej i zmodyfikowane reaktory wojskowe; Generacja II - większość aktualnie eksploatowanych na świecie reaktory nuklearnych; Generacja III, III+ - reaktory aktualnie budowane; Generacja IV - reaktory aktualnie projektowane, które będą skomercjalizowane po 2030 roku [1].

Reaktor typu HTR (ang. High Temperature Reactor) po raz pierwszy zbudowano w Niemczech i był to reaktor PBR (ang. Pebble Bed Reactor) tj. złoże kul (otoczaków). Reaktor PBR był moderowany grafitem i chłodzony gazem. Reaktor HTR, to typ reaktora wysokich temperatur formalnie znany jako reaktor wysokiej temperatury chłodzony gazem HTGR (ang. High Temperature Gas Reactor ). Najmłodszym odpowiednikiem reaktora HTR, jest reaktor VHTR (ang. Very High Temperature Reactor), który należy do jednej z sześciu klas reaktorów Generacji IV (Rys. 1).

HTGR w wielu krajach rozbudowywano do końca lat osiemdziesiątych. Tylko prototypy tych reaktorów były eksploatowane, a wszystkie zostały zlikwidowane po maksymalnie dwunastu latach pracy. Technologia HTGR jest zatem bardzo dojrzała ale dotychczasowe próby jej wdrożenia nastąpiły w niekorzystnym momencie głębokiego i długotrwałego spadku cen ropy naftowej oraz katastrofy w Czarnobylu (Rys. 2).

Po upływie blisko dwudziestu lat reaktory HTGR pomimo stosunkowo wysokiej ceny gazów szlachetnych, konsekwentnie wzbudzają zainteresowanie pod kątem wykorzystania ciepła zarówno do procesów przemysłowych jak i pozyskiwania energii elektrycznej. Jeden z najbardziej zaawansowanych programów realizowany jest w Koeberg (RPA) (Rys. 3).

Rysunek 2. Historia reaktorów wysokotemperaturowych [2].

Mianowicie ma on na celu wykorzystanie ciepła HTGR do produkcji wodoru jako paliwa, który mógłby zastąpić ropę naftową, poprzez zastosowanie go w ogniwach paliwowych. Program ten ma już spore opóźnienia i prawdopodobnie nie wystartuje z początkiem 2015 roku.

Rysunek 3. Elektrownia jądrowa z reaktorem HTGR budowana w Koeberg [3]

Budowa i istota działania reaktorów HTR

Wśród reaktorów HTGR można rozróżnić dwie podstawowe konstrukcje rdzeni - sztywny oraz rdzeń usypany. Rdzeń sztywny składa się z sześciokątnych bloków grafitowych, które szczelnie do siebie przylegają. Płynie przez nie w pionowych kanałach chłodziwo oraz w których rozmieszczone są pręty regulacyjne i paliwo w postaci cylindrów także odlanych z grafitu, zawierających granulki węglika uranu.

Interesującym rozwiązaniem jest rdzeń usypany, który tworzą kule grafitowe, zawierające bardzo małe granulki składające się z mieszaniny tlenku uranu i tlenku toru, bądź węglika uranu i węglika toru, pokryte wielowarstwowo węglikiem krzemu skutecznie zatrzymującym produkty rozszczepienia. Kule w ilości od kilkuset tysięcy do ponad miliona sztuk (w zależności od wielkości rdzenia) wsypane są do cylindrycznego pojemnika grafitowego, stanowiącego jednocześnie reflektor (Rys. 4).

Rysunek 4. Schemat budowy reaktora HTGR z rdzeniem usypanym [4].

Sferyczne elementy paliwa zwane „pebbles”, są unikatową cechą reaktora PBMR (HTGR). Sfery wielkości piłki tenisowej zrobione są z pirolitycznego grafitu, który odgrywa tu rolę moderatora. Wewnątrz każdej sfery umieszczone są tysiące mikrocząstek zwanych cząstkami TRISO (od trzech materiałów). Wszystkie duże sfery zamknięto w cylindrycznej grafitowej przestrzeni zwanej „bed”, używanej jako reflektor neutronów. Znajdują się tu również pręty sterujące (Rys. 6).

Materiałem rozszczepialnym w TRISO jest uranu-235 a także tor-232, który w trakcie pracy reaktora pochłania neutrony i przechodzi w rozszczepialny U-233. Uran stosowany jest w postaci dwutlenku uranu (UO2) i dwuwęgliku uranu (UC2), zaś tor tylko w postaci dwutlenku toru (ThO2).

Dwutlenek uranu (0,5 mm) otoczony jest czterema warstwami trzech materiałów izotropowych: porowatym węglem o małej gęstości (warstwa buforująca), gęstą i obojętną warstwą węgla pirolitycznego, która nie ulega rozkładowi cieplnemu, ceramiczną warstwą węglika krzemu, która nadaje lepszą integrację strukturalną całej sferze i dodatkowo zatrzymuje produkty rozpadu przy znacznie podwyższonej temperaturze oraz gęstą warstwą zewnętrzną węgla pirolitycznego (Rys. 5).

Rysunek 5. Budowa sferycznych elementów paliwowych [5].

Tak przygotowane TRISO osadzone jest w formie wielu małych pokrytych cząstek w elemencie paliwa „pebble” ze średnicą 60 mm, który jest moderatorem (Rys. 6).

Rysunek 6. Sferyczny element paliwowy zawierający TRISO (po lewej), cylindryczny pojemnik grafitowy (reflektor) z prętami sterującymi (po prawej) [5,6].

Węgiel pirolityczny to materiał podobny do grafitu. Produkowany jest przez ogrzewanie węglowodorów do temperatury bliskiej ich rozkładowi, która pozwala na krystalizację grafitu (pirolizę). Węgiel pirolityczny zazwyczaj posiada pojedyncze płaszczyzny łupliwości podobne do miki w przeciwieństwie do grafitu, który tworzy mikroskopijne losowo zorientowane strefy. Materiał ten jest lepszym przewodnikiem termicznym niż grafit wzdłuż płaszczyzny łupliwości, co czyni go najlepszym dostępnym przewodnikiem cieplnym. W dodatku jest bardziej diamagnetyczny.

W temperaturze pokojowej można unieść próbki nad magnesami ziem rzadkich (Rys. 7).

Rysunek 7. Próbka węgla pirolitycznego unoszona przez pole magnetyczne [7].

Węglik krzemu jest związkiem krzemu z węglem otrzymywanym w temperaturze bliskiej 2400˚C, posiada wysoka twardość i dużą wytrzymałość mechaniczną. Materiał ten ma wyjątkowo wysokie przewodnictwo cieplne i elektryczne a także równie wysoką wytrzymałości na nagłe zmiany temperatury i utleniające działanie powietrza. W zależności od zawartości krzemu, żelaza, węgla oraz budowy kryształów wyróżnia się odmianę czarną, zieloną oraz metalurgiczną (Rys. 8).

Rysunek 8. Próbka węgliku krzemu [8].

TRISO zaprojektowano zatem tak, aby przetrwały we właściwie zbudowanym reaktorze nawet najbardziej niesprzyjające warunki typu zróżnicowana rozszerzalność cieplna, ciśnienie gazu rozszczepiania, temperatury powyżej 1600°C oraz uszkodzenia mechaniczne.
Drugim rodzajem reaktora opartego na technice HTGR jest reaktor z pryzmatycznym blokiem chłodzonym gazem, taki jak GT-MHR (ang. Gas Turbine Modular Helium Reactor), w którym cząstki paliwa TRISO są sfabrykowane i umieszczone w matrycy bloku grafitu. Oba z tych projektów reaktora są wpisane w reaktory bardzo wysokiej temperatury VHTR, które są zasilane paliwem w sposób ciągły (Rys. 4).

Hel jako gaz szlachetny używany jest do chłodzenia rdzenia reaktora. Zależnie od celu aplikacji, hel przepływający przez złoże podgrzany jest do 950°C. Wszystkie komponenty podstawowego obwodu helu są złączone w zbiorniku ciśnieniowym reaktora zbudowanego z betonu sprężonego.
Powolny ruch paliwa poprzez reaktor pozwala zmniejszyć rozmiary rdzenia, co prowadzi do zmniejszenia reaktywności rdzenia oraz gęstości mocy, to z kolei zwiększa bezpieczeństwo (Rys. 4). Na bezpieczeństwo pracy reaktora wysokotemperaturowego wpływają również ognioodporne właściwości węglika krzemu, zastosowanie węgla o różnej porowatości - TRISO, element rozszczepialny jest w formie tlenków metalu albo karbidów (węglików), reaktor zaprojektowany jest tak, by w scenariuszach wypadków, które mogą podnieść temperaturę reaktora do 1600°C, mógł ochłodzić się przez naturalne krążenie i jeszcze pozostać nietkniętym.
Reaktor HTGR ma jeszcze dodatkową przewagę nad innymi typami reaktorów, mianowicie jego gazy nie rozkładają substancji zanieczyszczających i nie absorbują neutronów, tak jak w przypadku wody.

Zastosowania reaktorów HTR w przemyśle i energetyce

Wydzielanie wysokiej temperatury wraz z generowaniem energii elektrycznej sprawia, że rozwiązania oparte o reaktory HTGR i VHTGR są atrakcyjnym rozwiązaniem do zastosowań w przemyśle, wszędzie tam gdzie w procesach wytwórczych wymagana jest wysoka temperatura i zapotrzebowanie na energię elektryczną (Rys. 9).

Rysunek 9. Zastosowania ciepła technologicznego pozyskanego z elektrowni wysokotemperaturowej VHTR [9].

Przykładem może być nisko emisyjna produkcja wodoru na przykład dla zastosowań w ogniwach paliwowych. Wysokie temperatury HTGR pozwalają na wyższą sprawność cieplną, niż możliwą w tradycyjnych elektrowniach jądrowych (powyżej 50%. W temperaturze 900°C, wodór można wydajnie i bez emisji CO2 produkować w procesach pośrednich (na przykład w cyklu siarkowym) z wody (Rys. 10).

2H₂O → 2H₂ + O₂

Rysunek 10. Reaktor wysokotemperaturowy w przemyśle [10]

Wykorzystując ciepło reaktora wysokotemperaturowego można całkowicie wyeliminować emisję dwutlenku węgla przy produkcji paliw syntetycznych, można nawet zmniejszyć jego emisję z pobliskiej elektrowni węglowej współistniejącej z reaktorem wysokotemperaturowym.
Rozważając technologię, w której jednym surowcem do produkcji paliw będzie nie węgiel a dwutlenek węgla pozyskany z elektrowni węglowej zaś drugim wodór uzyskany z rozkładu wody na wodór i tlen w procesie zasilanym przez ciepło z jądrowego reaktora wysokotemperaturowego.

Rysunek 11. Synergia przemysłu węglowego i energii jądrowej [11].

Elektrownia węglowa z kolei zużyje tlen z rozkładu wody w procesie spalania węgla, co zwiększy jej efektywność zamiany węgla na elektryczność bo umożliwi uzyskanie wyższych temperatur. Dodatkowo spalanie węgla w tlenia wyeliminuje emisję bardzo szkodliwych tlenków azotu, które powstają, gdy węgiel spalany jest w powietrzu (Rys. 11).

Podsumowanie
Reaktory typu VHTR należą do IV generacji reaktorów obecnie planowanych. Większość z nich prawdopodobnie nie będzie dostępna do użytku komercyjnego przed rokiem 2030. Jednakże już dziś można zauważyć szereg pozytywnych cech, które niesie nowa technologia. Mianowicie zmniejszenie odpadów promieniotwórczych, od 100 do 300 razy większy uzysk energii, zwiększone bezpieczeństwo użytkowania oraz szereg aplikacji nie tylko w energetyce ale i w przemyśle.

Autor: Karolina Wójciuk

Literatura:

1.   http://en.wikipedia.org/wiki/Generation_IV_reactor
2.   http://en.wikipedia.org/wiki/Pebble_bed_reactor
3.   http://www.world-nuclear-news.org/C-Contract_for_second_Koeberg_simulator-1112094.html
4.   http://www.energetyka-jadrowa.cire.pl/st,37,237,tr,19,0,0,0,0,0,rodzaje-elektrowni.html
5.   Taczanowski, S., Reaktory wysokotemperaturowe - historia, www.slcj.uw.edu.pl/htrp/PrezentacjePAA./Taczanowski-histhtr.pdf
6.   http://www.thtr.de/technik-bau.htm
7.   http://fizyka.zamkor.pl/artykul/76/606-zestaw-nr-60-lewitacja-diamagnetyczna/
8.   https://pl.wikipedia.org/wiki/W%C4%99glik_krzemu
9.   http://en.wikipedia.org/wiki/Pebble_bed_reactor
10. Pieńkowski, L., Energetyka Jądrowa w Polsce? Tak ale jak?, www.if.pw.edu.pl/~pluta/konw/k260106/k260106.pdf
11. Pieńkowski, L., Energetyka Jądrowa w Polsce. Synergia przemysłu węglowego i energii jądrowej, www.min-pan.krakow.pl/se/pelne_teksty20/k20_pienkowski.pdf