Čeká nás revoluce v jaderném palivu?

Po desítky let procházelo jaderné palivo modifikacemi kvůli zefektivnění jeho provozu a nyní je rozběhnuto několik vývojových projektů, které dokáží zaběhnuté zvyky zcela změnit. Co všechno můžeme v příštích letech očekávat?

Ačkoliv se samotný reaktor nemění a třeba 60 let pracuje bez úprav, mění se hodně věcí okolo. Během života jaderné elektrárny se vymění celá turbína, různá čerpadla, systémy kontroly a řízení a spousta dalších zařízení. Ke změnám dochází i uvnitř reaktoru, protože se mění používané verze paliva.

V domácích jaderných elektrárnách jsou bloky VVER-440 a VVER-1000, takže se budeme soustředit na palivo určené pro tyto reaktory. Případná změna dodavatele by sice znamenala velké změny z pohledu logistiky a smluv, ale z pohledu technologií příliš ne. V aktivní zóně by stále byly kazety s proutky z klasického oxidu uraničitého se zirkoniovým pokrytím.

Už jsme si zvykli na to, že se palivový cyklus prodloužil ze tří let na pět s potenciálem až šesti let. Běžná je také optimalizace vlastní konstrukce palivové kazety a proutku přinášející lepší využití paliva. Z pohledu provozovatele se to všechno podepisuje na lepších provozních nákladech. Výzkum a vývoj však připravuje i radikální změny, které mají zvýšit bezpečnost a snížit dopad jaderné energetiky na životní prostředí.

TOLERANTNÍ PALIVO V ENERGETICKÉM REAKTORU

Velkou změnou v používaných materiálech je přechod na tzv. tolerantní palivo. Označení pochází z anglického accident tolerant fuel a jde o palivo, které ustojí havarijní podmínky v reaktoru. Po fukušimské havárii se všichni výrobci jaderného paliva pustili do vývoje paliva, které by zabránilo tak extrémnímu vývoji situace.

Pro reaktory VVER se uvažuje o čtyřech variantách tolerantního paliva. Palivové tablety může tvořit tradiční oxid uraničitý, nebo nová slitina uranu a molybdenu a pokrytí bude vyrobeno buďto ze zirkonia s chromovým povlakem, nebo ze slitiny chromu a niklu. Ozařování čtyř kombinací těchto materiálů probíhá od roku 2018 v ruském výzkumném reaktoru MIR a letos v září byly zavezeny první zkušební proutky i do energetického reaktoru. Ruská korporace pro atomovou energii Rosatom zavezla tři kombinované kazety do 2. bloku Rostovské elektrárny s reaktorem VVER-1000. Každá z těchto kazet obsahuje 6 proutků s oxidem uraničitým pokrytým zirkoniem s chromovým povlakem a 6 s pokrytím z chromu a niklu. Změna materiálu tablet by vyžadovala delší vývoj a schvalovací řízení, aby mohly být zavezeny do energetického reaktoru, byť ve zkušebním množství.

Při havárii, jako byla ta ve Fukušimě, dochází k tomu, že kvůli výpadku elektrického napájení přestane být reaktor chlazen. Rozehřáté palivo však stále produkuje velké množství tepla, které klesá jen pozvolna. Pokud nedojde k nouzovému obnovení chlazení, může v krajním případě dojít k přehřátí paliva na zhruba 1200 °C, kdy se velmi rychle rozběhne parozirkoniová reakce. Na přehřátém zirkoniu se voda rozkládá na vodík a kyslík, které po uvolnění na reaktorový sál mohou vytvořit výbušnou směs.

Jaderné bloky jsou pro tento případ vybaveny rekombinátory vodíku, které snižují jeho koncentraci pod hranici samovznícení, ale při mnohonásobném selhání ochrany to nemusí být dostatečné. Aby tedy byl zajištěn bezpečný stav reaktoru i při jakýchkoli extrémních podmínkách, plánuje se nahrazení povrhu pokrytí za jiné materiály, které parozirkoniovou reakci vylučují nebo ji výrazně omezují. Na zirkonium se proto nanášejí povlaky, nebo se úplně nahrazuje.

DOKONČENÍ PRVNÍCH ZKOUŠEK RECYKLOVANÉHO PALIVA REMIX

Další velkou změnou, která nás může v příštích letech čekat, je větší využití recyklace jaderného paliva. Současná strategie České republiky počítá s tím, že použité palivo se dává do meziskladů a v dlouhodobém výhledu bude ukládáno do hlubinného úložiště. Jinou cestu volí například Francie, která část paliva přepracovává a vyrábí z něj palivo MOX. Reaktory pro něj však musejí být certifikované a v některých případech musí být bloky upraveny. U starších reaktorů je navíc možné naplnit aktivní zónu přepracovaných palivem jen z části. Z použitého paliva se odebírá jen uran a plutonium a ostatní materiály zůstávají odpadem.

Jinou cestou se vydává TVEL, který vyrábí palivo pro většinu reaktorů typu VVER. REMIX používá regenerovaný uran vznikající z použitého paliva doplněním čerstvého uranu. To znamená, že toto palivo obsahuje uran i plutonium a další prvky generované v reaktoru při ozařování čerstvého paliva. Celá směs se točí v několikaletých cyklech dokola a odpadem se stane až bude uran příliš vyčerpán a nepůjde „dobít“ čerstvým materiálem. V každém cyklu to však znamená úsporu velkého množství obohaceného uranu a předcházení vzniku dalšího odpadu. Podstatnou výhodou této metody je relativně nízký obsah plutonia v palivu oproti MOX, takže se v reaktoru chová stejně jako klasické čerstvé palivo. Vede to k tomu, že není nutné jaderný blok upravovat a všechny systémy pracují podobně jako jsme zvyklí dnes. I tak ale vyžaduje dlouhou a náročnou certifikaci, která je v jaderné energetice nezbytnou součástí zavádění novinek.

V rámci zavádění nového paliva probíhaly ve 3. bloku Balakovské jaderné elektrárny jeho zkoušky. Ozařování tří kazet, každá z nich obsahovala kromě standardního paliva i šest zkušebních proutků, trvalo celkem pět let. Letos v září bylo palivo vyjmuto a po nezbytném zchlazení bude v roce 2023 převezeno do výzkumného ústavu, kde proběhne jeho detailní analýza. Dalším krokem bude zkušební provoz několika kazet složených kompletně z paliva REMIX. Až na základě něj bude moci být nový typ schválen a vstoupit na trh.

Vladislav Větrovec