REAKTOR WYSOKOTEMPERATUROWY


[Rozmiar: 140521 bajtów]

(źródło rysunku: http://nuclear.inl.gov/gen4/vhtr )

Historia reaktorów wysokotemperaturowych


[Rozmiar: 35912 bajtów]

Historia HTR w pigułce (źródło: J. L. Kloosterman"Design criteria for the HTR core", Physics of Nuclear Reactors, TU-Delft, 20.11.2008)


Koncepcja budowy reaktorów wysokotemperaturowych zrodziła się już ponad 40 lat temu, bazując na reaktorach gazowych (np. MAGNOX w Wielkiej Brytanii). Pierwsza elektrownia bazująca na reaktorach gazowych powstała w 1956 roku w Calder Hall w Wielkiej Brytanii. Reaktory chłodzone były CO2 i moderowane grafitem.

W latach 60-tych chłodziwem reaktorów doświadczalnych został hel. Były to instalacje: DRAGON w Wielkiej Brytanii oraz w Peach Bottom w USA oraz AVR w Niemczech, gdzie temperatura helu sięgała na wylocie 750oC. W latach 80-tych zbudowano w Niemczech elektrownię THTR, pracującą na paliwie torowo-uranowym. Przełom lat 80-tych i 90-tych przyniósł kryzys rozwoju energetyki jądrowej, zatem również technologii HTR. Zainteresowanie to jednak pomyślnie powróciło w ostatnich latach. Współcześnie prace nad rozwojem technologii wysokotemperaturowych trwają w USA (General Atomics, Modular High Temperature Gas-cooled Reactor - MHTGR), w Japonii (od 1999 roku działa tam reaktor HTTR), w Chinach (działający od 2000 roku reaktor HTR-10), w RPA (obecnie budowany reaktor Pebble Bed Modular Reactor - PBMR), a także w Europie (program AREVA, EURATOM, HTR-NT, Raphael).


Przede wszystkim bezpieczeństwo.


Reaktory wysokotemperaturowe zaliczają się do reaktorów IV generacji. Ich niewątpliwie dużą zaletą jest szczególnie wysoki poziom bezpieczeństwa jądrowego (przewyższającym reaktory wodne), to oznacza bardzo niski stopień zagrożenia skażeniem radiacyjnym w przypadku awarii reaktora. Zostało to osiągnięte poprzez zastosowanie specjalnych technologii paliwowych oraz chłodziwa, a także możliwością budowania kompaktowych modułów o małej mocy cieplnej. Reaktory wysokotemperaturowe bazują na paliwie produkowanym technologią TRISO - są to kule paliwowe o średnicy 60 mm, które mieszczą w sobie kikanaście tysięcy maleńkich kuleczek, w których wnętrzu znajduje się tlenek uranu. Zewnętrzne warstwy mikrokulki to między innymi węglik krzemu, który dzieli dwie warstwy zbudowane z tzw. węgla pyrolitycznego. Całość znajduje się w kuli grafitowej o średnicy 0.92 mm.

[Rozmiar: 452718 bajtów]

(źródło rysunku: S. Taczanowski, "Reaktory wysokotemperaturowe - historia", AGH, Kraków 2006)


Tak skomplikowana konstrukcja paliwa pozwala na łatwą wymianę zużytego paliwa - wystarczy wymieniać kule. Z kul paliwowych usypuje się złoża przesypowe (np. reaktor THTR) lub umieszcza się je w specjalnych klasterach.

[Rozmiar: 869273 bajtów]

Wnętrze reaktora THTR-300 (źródło: www.thtr.de/technik-hte-rea.htm)
[Rozmiar: 489921 bajtów]

Wnętrze reaktora MHR (źródło: S. Taczanowski, J. Centar, "Węgiel z energią jądrową - symbioza dla produkcji paliw płynnych i gazowych", AGH, Kraków, 2006
Dlaczego reaktory HTR są bezpieczniejsze od reaktorów III generacji ?

Ponieważ w tego typu reaktorach instaluje się pasywne systemy bezpieczeństwa. Chłodziwem oraz gazem roboczym reaktorów HTR jest hel. Oparcie odprowadzania ciepła o naturalne systemy konwekcyjne daje dodatkową redukcję zagrożenia. Temperatura helu na wyjściu może osiągać nawet 1000 oC. W razie awarii chłodzenia nie stanie się katastrofa - hel się nie aktywuje i po prostu ucieka z reaktora nie powodując skażenia środowiska (reaktory chłodzone wodą tego nie gwarantują). Zbiorniki substancji gaszących po otwarciu ciśnieniowych zaworów bezpieczeństwa, zalewają reaktor powodując jego wychłodzenie. Innym sposobem wygaszenia reaktora jest grawitacyjne opuszczenie do rdzenia prętów kontrolnych. Ponadto niższe parametry techniczne reaktorów HTR, takie jak temperatura czy gęstość mocy, podnoszą poziom bezpieczeństwa. Ważne jest również, że paliwo takich reaktorów jest zamknięte w kulach, co nie pozwala wydostać się substancjom radioaktywnym na zewnątrz.

Godne podkreślenia jest również maksymalizacja wykorzystania paliwa - bardzo głębokie wypalanie powoduje, że generowane jest znacznie mniej odpadów na jednostke wytworzonej energii. W reaktorach HTR jest możliwość wypalania starego zużytego już wczesniej paliwa jądrowego - można w nich wypalać silnie radioaktywne izotopy cyklu torowego, a więc odpady promieniotwórcze pochodzące z elektrowni HTR są dużo bardziej przyjazne środowisku. Duża szczelnośc kapsuł paliwowych nie pozwala na wycieki paliwa.

Reaktory HTR produkują ciepło o wysokiej temperaturze, które może wytworzyć prąd (trwają prace nad helowymi turbinami prądotwórczymi), jak również może ono zostać wykorzystane w przemyśle. Synergia jądrowo-węglowa, czyli połączenie wysokotemperaturowej elektrowni jądrowej z gałęziami przemysłu, takimi jak fabryka wodoru i tlenu, bezemisyjna produkcja paliw syntetycznych z węgla lub z z CO2, produkcja nawozów sztucznych, to niewątpliwie atrakcyjną formą wykorzystania potencjału technologii jądrowej. Energetyka jądrowa staje się wsparciem, a nie zagładą starszych technologii. Technologia HTR to źródło nie tylko elektryczności, ale również ciepła procesowego i grzewczego.