Tolerantní palivo se letos dostane do reaktoru VVER

Po několika letech výzkumů se jaderné palivo odolné proti nehodám (tzv. tolerantní palivo z anglického accident tolerant fuel), které je určené pro reaktory typu VVER, dostává do energetického reaktoru. Rostovská jaderná elektrárna naváže na zkušební ozařování ve výzkumném reaktoru a otestuje několik kombinací materiálů nového typu paliva.

Po fukušimské havárii zaměřili výrobci jaderného paliva pozornost na materiály, které by zabránily přehřátí paliva v případě těžké havárie a zmírnily její průběh. Ruský výrobce paliva pro reaktory typu VVER a další typy reaktorů, Palivová společnost Rosatomu TVEL, vytipoval čtyři kombinace materiálů pokrytí palivového proutku i samotných palivových tablet a testuje je ve výzkumném reaktoru Mir. První fáze ozařování byla dokončena v říjnu 2019 a naváže na to zkušební ozařování v reaktoru VVER-1000 Rostovské jaderné elektrárny, které má podle plánů začít letos.

Klasické palivo tvoří palivové tablety vyrobené z oxidu uraničitého, které jsou umístěny v trubičce ze zirkoniové slitiny. TVEL zkoumá klasické tablety a tablety vyrobené ze slitiny uranu a molybdenu, které mají větší hustotu a tepelnou vodivost a díky tomu jsou považovány za velmi perspektivní materiál pro budoucí jaderné palivo. Kombinuje je s pokrytím ze zirkonia s chromovým povlakem a pokrytím ze slitiny chromu a niklu. Která kombinace materiálů bude z provozního hlediska nejúspěšnější bude rozhodnuto právě na základě zkoušek ve výzkumném a energetickém reaktoru.

V lednu 2019 byly do reaktoru Mir zavezeny dvě kazety po 24 proutcích s uvedenými kombinacemi materiálů. Po prvním ozařovacím cyklu byly kazety vyjmuty a byl zkontrolován jejich stav. Několik proutků z nich bylo vytaženo kvůli materiálové analýze a nahrazeno čerstvými, které jsou ozařovány společně se zbytkem. Paralelně s tím se rozběhne i ozařování několika zkušebních proutků, které budou vloženy do normální palivové kazety (v každé kazetě jich bude 12), v reaktoru druhého bloku Rostovské elektrárny. Tyto proutky budou kombinovat uranové tablety a zirkoniové pokrytí s chromovým povlakem nebo pokrytí ze slitiny chromu a niklu. Díky tomu bude zároveň ověřeno chování těchto materiálů přímo v energetickém reaktoru.

Palivo pro VVER-1000

Práce na vývoji paliva pro reaktory VVER-1000 se kromě tolerantního paliva ubírají i dalšími směry, zaměřují se především na jeho optimalizaci a prodlužování palivových kampaní. Například Temelín v roce 2018 začal postupně přecházet na nový typ paliva TVSA-T Mod.2, která má vyšší mechanickou pevnost a prakticky vylučuje změny tvaru paliva a to zvyšuje bezpečnost provozu bloku. Kromě toho má konstrukce menší hydraulický odpor a palivo obsahuje větší množství uranu, což zlepšuje jeho provozní charakteristiky. Celkově jsou díky novému palivu nižší provozní náklady, a naopak vyšší úroveň bezpečnosti.

Bulharská jaderná elektrárna Kozloduj v prosinci 2019 podepsala novou smlouvu na dodávky paliva TVSA-12, která bude platit do roku 2025. Podobně jako v Temelíně jde o palivo nové generace, které prošlo optimalizací konstrukce. Díky němu byl výkon bloku zvýšen na 104 % původního a mohla být prodloužena palivová kampaň, což společně snižuje náklady na výrobu elektřiny. Na toto palivo začal Kozloduj postupně přecházet v roce 2016.

Aby mohlo pokračovat zlepšování charakteristik palivového cyklu a tím i ekonomická optimalizace provozu jaderných elektráren, bude nutné jít cestou zvýšení obohacení nad 5 %, což je hranice, která dnes omezuje maximální obohacení paliva pro energetické reaktory. Společnost TVEL usiluje o zvýšení maximálního obohacení na 7 %, které umožní prodloužit palivovou kampaň z 18 na 24 měsíců. To by znamenalo, že jaderné bloky mohou být prakticky v provozu dva roky bez odstávky. S touto snahou není ruská společnost ve světě sama a i další výrobci jaderného paliva chtějí jít nad 5 %.

REMIX pro stávající i nové bloky

Uvedené typy paliva jsou vylepšením předchozích a optimalizují provoz elektrárny. Podobně radikální změna, jako přinese tolerantní palivo pro bezpečnost bloku, se očekává od paliva REMIX, které umožní recyklaci použitého jaderného paliva a sníží dopad jaderné energetiky na životní prostředí.

Toto palivo představuje jednu z cest, jak vracet použité palivo do aktivní zóny energetických reaktorů. Palivo je po použití v reaktoru nejdříve dochlazováno několik let v bazénu vedle reaktoru a pak je převezeno do přepracovacího podniku. Tam je k původnímu materiálu doplněn čerstvý obohacený uran, který jej zjednodušeně řečeno „dobije“, a je z něj vyrobeno nové palivo. Celý cyklus trvá zhruba 12 let, takže za 60 let provozu reaktoru lze palivo použít celkem pětkrát.

Rozdílem oproti jiným způsobům recyklace použitého paliva je to, že se produkty štěpení, ani další látky, které se v palivu generují během provozu v jaderné elektrárně, neodstraňují a zůstávají uvnitř něj. Díky tomu vzniká menší objem radioaktivního odpadu, a navíc je uran 238 ve větší míře přeměňován na plutonium 239, které pak v reaktoru slouží jako palivo. Navíc použité palivo není nutné nikde dlouhodobě skladovat a nehrozí degradace jeho obsahu z hlediska dalšího využití, ani mechanická degradace jeho obalů. Radioaktivní odpady, které během provozu vzniknou pak bude provozovatel řešit až za 60 let za pomoci budoucích technologií.

Důležité je to, že palivo REMIX má stejné neutronové spektrum jako klasické palivo, takže jej lze používat ve stávajících reaktorech, aniž by bylo nutné provádět jejich zásadní úpravy.

Výroba je ale technologicky výrazně náročnější, protože se pracuje s materiály nebezpečnými pro člověka a pro životní prostředí. Vše tak musí probíhat automatizovaně a roboticky a k přepravě čerstvého paliva REMIX je nutné používat speciální transportní kontejnery. K dalším výhodám patří to, že palivo je přepracováváno „suchou cestou“, takže nevznikají kapalné radioaktivní odpady.

Testování tohoto paliva probíhá už třetí palivovou kampaň ve třetím bloku Balakovské jaderné elektrárny s reaktorem VVER-1000 v Rusku. V roce 2016 do ní byly zavezeny palivové kazety, které obsahují kromě klasických uranových proutků také 6 proutků REMIX. Ozařování bude probíhat do roku 2021, kdy bude palivo vyjmuto a bude převezeno do výzkumného ústavu Rosatomu v Dimitrovgradě, kde bude prozkoumáno. Dále se toto palivo testuje v Kolské jaderné elektrárně s reaktory VVER-440 a v Kalininské jaderné elektrárně s reaktory VVER-1000.

Palivo pro VVER-440

Stranou vývoje nezůstává ani palivo pro reaktory typu VVER-440, i když jde zpravidla o starší jaderné elektrárny (s výjimkou slovenských Mochovců). V červenci 2019 byla podepsána mezi společnostmi ČEZ a TVEL podepsána dohoda o použití paliva nové generace v Dukovanech. Půjde o typ RK-3+, který má lepší hydraulické a fyzikální vlastnosti, čímž zlepšuje efektivitu využití. Elektrárna palivo zaveze poté, co bude licencováno pro použití v Česku.

Celý článek vyjde již brzy v časopise All for Power č. 2/2020.