Dzisiejszy temat będzie być może lżejszy niż, ironicznie, kwestia lżejszego od powietrza metanu i jednocześnie, jak na standardy energetyki jądrowej, bardzo gorący. Mianowicie: reaktor nadkrytyczny (SCWR). Czym jest to urządzenie? Otóż jest to niefortunnie wciąż pozostający w fazie koncepcji reaktor wodny IV generacji, będący wstanie dostarczyć parę nadkrytyczną. O ile zwykły reaktor PWR (czyli ciśnieniowy wodny) pozwala na wytworzenie pary o temperaturze około 350°C a jego sprawność elektryczna nie przekracza 34%, podobnie jak reaktor reaktor BWR (czyli wrzący), o tyle reaktor nadkrytyczny pozwala na wytworzenie pary nadkrytycznej o temperaturze przekraczającej 500°C, którą to można zasilić turbozespoły elektroenergetyczne, znajdujące się w elektrowniach opalanych węglem czy gazem ziemnym. Jego sprawność elektryczna natomiast może wynieść nawet 44%, podobnie jak w przypadku elektrowni opalanych paliwami kopalnymi. Być może sama nazwa, “nadkrytyczny”, jest marketingowo, w związku z brakami w wiedzy technicznej u ogółu społeczeństwa, z deka niefortunna, dlatego osobiście nadałbym mu nazwę handlową “zaawansowany reaktor wodny”, czyli AWR.
Podobnie jak w reaktorze wrzącym, para w reaktorze nadkrytycznym wytwarzana jest bezpośrednio w jego wnętrzu i kierowana do turbozespołu. Nadkrytyczna para wodna w takim reaktorze, podgrzana do temperatury tych 550°C, znajdowałaby się pod ciśnieniem nieco powyżej 22,1MPa (około 215,7 atmosfer), które to jest wyższe niż w reaktorze PWR. Ponadto jest ona lepszym przewodnikiem ciepła i jest mniej lepka, niż woda. Jednakże pod takim ciśnieniem jest ona około 60% mniej gęsta od zwykłej wody, takiej jak w PWR[1]. Oznacza to dość słabą moderację neutronów, co w połączeniu z brakiem losowo powstających pęcherzy pary jest zaletą. Nie tylko, w przeciwieństwie do reaktorów BWR, nie mamy tutaj problemu ze spadkiem reaktywności rdzenia takiego reaktora, ale i pozwala prędkim neutronom, powstającym w wyniku rozszczepień paliwa, na skuteczne oddziaływanie (pod postacią bycia pochłoniętymi przez jądra U-238, celem wytworzenia rozszczepialnego Pu-239) na dłuższy dystans, czyniąc z SCWR skutecznie reaktor powielający, pozwalający na zamknięcie cyklu paliwowego i wykorzystanie 100% energii zawartej w uranie, obniżając tym samym koszt paliwa i zwiększając jego dostępność. Rdzeń SCWR zawierałby stosunkowo wysoko wzbogacone paliwo (do około 30% materiału rozszczepialnego), sprawiając, że miałby on bardzo niewielkie rozmiary przy wysokiej gęstości mocy, podobnie jak reaktory FBR.
Zanim ktokolwiek się zmartwi rozprzestrzenianiem broni jądrowej nadmienię tylko, iż pluton, powstający w tego typu reaktorach, zawiera około 30% izotopu paliworodnego Pu-240, który nie jest rozszczepialny, i którego obecność w tak dużej ilości uniemożliwia budowę rdzenia bomby jądrowej z niego[2]*.
Największą zaletą reaktora nadkrytycznego jest jego prostota. W przeciwieństwie do reaktora PWR, nie wymaga on skomplikowanego systemu kontroli ciśnienia pary (stabilizatorów parowych) ani wytwornic pary, gdyż jak już wspomniałem, para ta powstaje w samym reaktorze, tak jak w reaktorze BWR. Również w przeciwieństwie do tego, nie potrzebuje on osuszaczy pary i stosunkowo dużej obudowy. W związku z niewielkimi rozmiarami, pomimo wysokiego ciśnienia, ściany jego obudowy ciśnieniowej nie będą musiały być grubsze niż w przypadku reaktora ciśnieniowego. Urządzenie to może być bezpośrednio podłączone do istniejącego już turbozespołu elektrowni opalanej paliwami kopalnymi a brak skomplikowanej armatury dookoła niego sprawia, że może to być bardzo tania i relatywnie łatwa w realizacji opcja na szybką nuklearyzację krajów takich jak Polska, mających dużo mocy węglowych.
Niefortunnie, chociaż mamy wielkie doświadczenie z samą parą nadkrytyczną, wciąż wiemy za mało o chemii stopów w środowisku pary tejże pary przy obecności silnego promieniowania jonizującego i dużych strumieni neutronów o wysokich energiach (strumienie neutronów w reaktorze SCWR będą rząd wielkości większe niż dla PWR, bliżej reaktorów FBR a ich energie będą dość wysokie, rzędu setek keV). Na szczęście, idąc za Wikipedią, w 33 ośrodkach w 14 krajach na świecie trwają prace badawcze nad tym. Rozwiązanie tego problemu umożliwi budowę tych reaktorów w już istniejących zakładach, bez zaporowo kosztownych modyfikacji już istniejących i budowy nowych linii produkcyjnych skomplikowanych komponentów, czego mogą wymagać inne reaktory IV generacji, takie jak FBR czy LFTR. Ponadto, jako wada tych reaktorów, wskazywana jest niewielka ilość wody w jego obiegu, jednakże z technicznego punktu widzenia nie istnieją żadne przeciwwskazania, by u dołu tego obiegu, tam gdzie woda powraca do ogrzania, umieścić zbiornik buforowy o dowolnej objętości, ustalonej na podstawie wymogów bezpieczeństwa.
Ostatecznie, na podstawie powyższych faktów, przypuszczam, iż w niedalekiej przyszłości to reaktory SCWR, chociaż nie tak głośne jak reaktory torowe ciekłosolne (LFTR)** czy powielające prędkie, chłodzone metalami (jak rosyjskie BN-800 czy BREST-300), staną się podstawą energetyki jądrowej, wypierając droższe, bardziej skomplikowane, trudniejsze w produkcji i instalacji reaktory PWR, i BWR, zwłaszcza iż SCWR pozwala na wykorzystanie znacznej części już istniejącej infrastruktury energetycznej. Co więcej, dzięki temu, iż są chłodzone lekką, przeźroczystą, nietoksyczną wodą, z którą mamy olbrzymie doświadczenie a nie solami lub metalami (takimi jak ciężki ołów czy palny sód), dzięki czemu za równo kontrola pracy ich rdzeni jak i zwyczajna instalacja armatury oraz systemów bezpieczeństwa jest prostsza. Ponadto pamiętajmy, że im mniej części, tym mniej okazji do awarii i kosztownych remontów. Nie twierdzę jednak, że inne konstrukcje nie znajdą zastosowania – FBR wciąż będą miały wyższe współczynniki powielania paliwa a LFTR są wysoce skalowalne, co pozostaje nie bez znaczenia.
Na ilustracji przedstawiony jest ideowy schemat reaktora nadkrytycznego.
*By wytworzyć pluton militarny, należy umieścić wsad uranowy w reaktorze na nie dłużej, niż trzy tygodnie. Operacja taka, w przypadku reaktora cywilnego, biorąc pod uwagę dość skomplikowaną procedurę wymiany paliwa, skutecznie uniemożliwia wykorzystanie go “po cichu” do produkcji broni jądrowej, gdyż ciągłe włączanie i wyłączanie go byłoby oczywistym znakiem, że ktoś to próbuje robić. Dodatkowo koszta takiego postępowania byłyby zaporowe. Za wyjątkiem reaktorów kanałowych, takich jak RBMK, IPHWR i CANDU, w których wsad paliwowy można wymieniać bez ich wyłączania, wytwarzanie plutonu na potrzeby wojska jest zwyczajnie niemożliwe. Poza tym ewentualne wzbogacanie plutonu w wirówkach jest dużo trudniejsze, niż wzbogacanie uranu.
**Napełnienie reaktora nadkrytycznego ciężką wodą teoretycznie pozwoliłoby na zastosowanie w nim cyklu torowego, podobnie jak we współczesnych PWR. Niektóre PWR, jakie jak francuski EPR, zostały zaprojektowane specjalnie z tą myślą. Nie stosuje się tego, ponieważ paliwo ze wzbogaconego uranu jest bardzo tanie (do 2gr/kWh(e)) i nikomu się nie opłaca budowa infrastruktury pod produkcję wsadów torowych.
Używamy plików cookies w celu optymalizacji naszej witryny i naszych serwisów.
Funkcjonalne
Zawsze aktywne
Przechowywanie lub dostęp do danych technicznych jest ściśle konieczny do uzasadnionego celu umożliwienia korzystania z konkretnej usługi wyraźnie żądanej przez subskrybenta lub użytkownika, lub wyłącznie w celu przeprowadzenia transmisji komunikatu przez sieć łączności elektronicznej.
Preferencje
Przechowywanie lub dostęp techniczny jest niezbędny do uzasadnionego celu przechowywania preferencji, o które nie prosi subskrybent lub użytkownik.
Statystyka
Przechowywanie techniczne lub dostęp, który jest używany wyłącznie do celów statystycznych.Przechowywanie techniczne lub dostęp, który jest używany wyłącznie do anonimowych celów statystycznych. Bez wezwania do sądu, dobrowolnego podporządkowania się dostawcy usług internetowych lub dodatkowych zapisów od strony trzeciej, informacje przechowywane lub pobierane wyłącznie w tym celu zwykle nie mogą być wykorzystywane do identyfikacji użytkownika.
Marketing
Przechowywanie lub dostęp techniczny jest wymagany do tworzenia profili użytkowników w celu wysyłania reklam lub śledzenia użytkownika na stronie internetowej lub na kilku stronach internetowych w podobnych celach marketingowych.