Malá americká společnost Lightbridge vyvinula revoluční jaderné palivo

Lightbridge je malá americká společnost se sídlem v Restonu, VA kousek od Washingtonu DC. Tato společnost vyvinula nový typ paliva pro lehkovodní jaderné reaktory. Podle vyjádření představitelů společnosti je jejich nový typ paliva bezpečnější a ekonomicky výhodnější než tradičně používané palivo. Akcie této společnosti jsou veřejně obchodované na americkém elektronickém burzovním trhu NASDAQ. O jakou technologii se jedná a má šanci na uplatnění?

Kde lze novou technologii uplatnit?

Podle vyjádření firmy může být jejich palivo použito v jakémkoliv lehkovodním reaktoru na světě. Na světě v současnosti v provozu 450 energetických jaderných reaktorů, ze kterých je 370 lehkovodních (tlakovodní nebo varné), většina nově stavěných jsou právě lehkovodní reaktory. Trh se zdá být tedy poměrně velký, nicméně už zde přichází pochybnosti o Lightbridge technologii. Lehkovodní reaktory obecně nepoužívají stejné palivo. Palivo například pro ABWR reaktory se zásadně liší od klasických PWR reaktorů nebo VVER reaktorů. A i jednotlivé typy VVER reaktorů například VVER-440 (dukovanské reaktory) a VVER-1000 (temelínské reaktory) mají naprosto odlišné konstrukce svých paliv odrážející specifika konkrétního reaktoru. Z tohoto důvodu je velmi těžké vyvíjet palivo pro všechny typy reaktorů zároveň, je třeba se zaměřit na konkrétní technologii.

vver_seed

Maketa palivového souboru pro VVER reaktory od firmy Lightbridge; zdroj: Lightbridge

Toho jsou si inženýři jistě vědomi a při hlubším zkoumání lze v jejich patentech nalézt konkrétní technologie, na které se firma zaměřuje. Management firmy by však musel přiznat, že velikost jejich teoretického trhu není 370 reaktorů, ale pouze polovina. I tak se jedná o poměrně velký trh s obraty v desítkách miliard ročně. Jedním z reaktorů, pro které se teoreticky Lighbridge palivo hodí, jsou také reaktory VVER-1000, které jsou v provozu v Temelíně, na Ukrajině, v Bulharsku, Rusku a Indii. Důvodem, proč je americká společnost zaměřená mimo jiné na ruské reaktory, je, že samotní autoři této technologie jsou Rusové. Proto je i velká část dostupných výpočtů provedená právě pro reaktory typu VVER-1000.

Kovové palivo místo keramického

Základem klasického paliva používaného v uvedených reaktorech jsou keramické pelety z oxidu uranu, které jsou uzavřeny v pokrytí ze zirkoniové slitiny. Velikost a geometrie pelet, příměsi nebo přesný typ použité zirkoniové slitiny se mění v závislosti na výrobci a použité technologii. Základ je ovšem stejný. Lightbridge však vyvinul palivo z kovové slitiny uranu a zirkonia konkrétně U-50Zr. Toto palivo je nalisováno do kovového pokrytí s proměnnou tloušťkou, nikde se však neuvádí jeho přesné charakteristiky, mělo by však jít o binární slitinu Zr-Nb. Ve středu tohoto palivového proutku je potom tzv. displacer, který slouží ke snížení teploty ve středu paliva a také jako vyhořívající absorbátor. Jeho přesné složení také firma neuvádí.

vver_proutek

Radiální řez palivovým proutkem Lightbridge pro VVER reaktory; zdroj: European patent office (EP2228801)

Kovová paliva nejsou úplnou novinkou. Například reaktory MAGNOX provozované dříve zejména ve Velké Británii využívaly přírodní uran ovšem v kovové formě. Podobně některé rychlé reaktory využívaly kovové palivo. Šlo dokonce o podobnou slitinu U-10Zr. Jedním ze zásadních problémů v případě použití této slitiny je například extrémní napuchání paliva, které vedlo k jeho praskání a poškození. Firma Lighbridge uvádí, že tento jev bude v případě slitiny U-50Zr redukován. V otevřených zdrojích však chybí data, která by to potvrzovala. Další zásadní změnou je změna geometrie. Klasické palivo má válcový tvar v některých případech s centrálním otvorem. Palivo Lighbridge je v řezu křížové (nebo trojúhelníkové), jak je ukázáno na obrázku.

proutek

Schéma palivového proutku pro reaktory PWR typ 17X17; Zdroj:European patent office (EP2372717)

Dva typy palivových souborů

Z popsaných palivových proutků se skládá celý palivový soubor, který se následně zaváží do reaktorů. Firma vyvinula dva typy palivových souborů. Prvním je tzv. seed technologie, kdy se použije standardní palivová geometrie. Do centrální části palivového souboru je vložen seed z kovového uranu, a okolní palivové proutky s klasickou geometrií mohou obsahovat thorium nebo nízko obohacený uran a mohou sloužit jako tzv. blanket a množit štěpný materiál. Při vhodném navržení aktivní zóny tak může dojít k tvorbě velkého množství nového paliva a zároveň celkově vyššímu využití paliva.

vver_axial

Axiální řez palivovým souborem Lightbridge pro VVER reaktory; zdroj: European patent office (EP2228801)

Později využila společnost znalost technologie „seedu“ a navrhla celou konstrukci s použitím kovového paliva.

vver_soubor

Palivovový soubor Lightbridge pro VVER reaktory typu seed; zdroj: European patent office (EP2228801)

Společnost má registrováno několik patentů na svoje palivo. Některé z nich jsou platné také v České Republice. Jde například o evropské patenty EP2077560, 2372717, 2228801 a    získané v dubnu a květnu letošního roku.

Výhody a nevýhody technologie

Podle firemních zdrojů bude díky použití tohoto paliva snížená maximální teplota v palivu jak při normálním provozu, tak při haváriích. Díky tomu se sníží množství generovaného vodíku při haváriích (jako se stalo ve Fukušimě). Dále lze prodloužit palivové cykly a dosáhnout zvýšení výkonu reaktoru, což vede k větší ekonomičnosti provozu jaderné elektrárny. Díky možnému použití množivého materiálu a thoria se také podstatně zvýší využitelnost paliva, která je v současné době v řádech jednotek procent. Použití thoria a nízko obohaceného uranu také povede k větší udržitelnosti a nižší potřebě zdrojů (uranu).

pwr

Řez palivovým souborem Lightbridge pro PWR reaktory (17X17); zdroj: European patent office (EP2372717)

Zásadním problémem je, že technologie ještě nebyla licencována, což může trvat velmi dlouho. Pro použití v menších zemích včetně ČR by byla jistě potřeba licence od nějakého respektovaného regulátora. Lightbridge již oznámil, že našel prvního partnera, se kterým bude pracovat na licencování a zavezení testovacích palivových souborů do reaktoru. Jméno však zatím neoznámil. Je ovšem známé, že Lightbridge spolupracuje se čtyřmi americkými provozovateli jaderných elektráren (Duke, Exelon, Southern a Dominion) a dá se předpokládat, že to bude jeden z nich. Jaderný regulátor si jistě vyžádá detailní technická data včetně ozařovacích testů, které mohou trvat několik let. Společnost oznámila, že testy budou provedeny v haldenském reaktoru v Norsku a měly by začít na jaře příštího roku. Jak dlouho bude trvat samotné licencování lze jen těžko odhadovat, ale v lepším případě jednotky let. Po obdržení licence pro tzv. leading test assemblies, kterých bude jenom několik, je možné je zavést do reaktoru. Po ukončení několika kampaní se palivo vyjme a udělají se testy. Na jejich základě je možné zažádat o licenci pro zavezení paliva do větší části reaktoru. Po získání této licence bude možné vyrobit více paliva a firma možná začne vydělávat. Dříve než v roce 2022 to ale určitě nebude.

Druhou zásadní nevýhodou je, že neproběhly experimenty a to znamená, že ani výpočetní kódy nelze validovat. Provedené výpočty tak mohou ukazovat velmi dobré výsledky, ale experimenty mohou odhalit reálné problémy.

Výroba paliva

Společnost Lightbridge je poměrně mladá a nemá kapacitu na samotnou výrobu paliva. Proto se musela spojit s velkým výrobcem paliva a volba padla na společnost Areva, se kterou Lightbridge vytvořila joint-venture. V rámci tohoto spojení bude Areva ve svých výrobních závodech vyrábět palivo. Dohoda byla oficiálně oznámena, ale zatím nebyla formalizována.

lightbridge

Postup při vývoji nového paliva ve firmě lightbridge; zdroj: Lightbridge

Jak je uvedeno výše, společnost je veřejně obchodovaná na burze NADAQ. Vzhledem k mnoha překážkám a taky složité situaci, v jaké se jaderná energetika nachází, není překvapením, že její cena klesá. Dnes se jedna akcie prodávala za 1,12 dolaru, ale na jaře 2014 to bylo ještě téměř 18 dolarů. Po oficiálním podpisu smlouvy s Arevou a zveřejněním jména spolupracujícího provozovatele jaderných elektráren by se mohla cena zvednout.

Generální ředitel Lightbridge bude poradcem Trumpovy administrativy

Další dobrou zprávou pro firmu Lightbridge je, že se její ředitel (Seth Grae) stal členem prestižní poradní komise CINTAC, která radí ministerstvu obchodu v oblastech vývozu amerických jaderných technologií. Komise bude radit zejména novému ministru obchodu (Wilbur Ross), který byl vybrán jako nový člen Trumpovy administrativy. Jedním ze zmíněných cílů nového ministra je právě zvýšení amerického export jaderných technologií, který v posledních letech stagnuje. Komisi kromě zmíněného ředitele tvoří dalších 38 manažerů, inženýrů nebo konzultantů z největších amerických jaderných společností jako GE, Westinghouse Electric Company nebo NuScale.



4 odpovědí na Malá americká společnost Lightbridge vyvinula revoluční jaderné palivo

  1. C napsal:

    A nějaký cenový odhad by nebyl? Kolik bude stát toto kovové palivo proti tomu oxidovému? Bude se dát snáze nakládat s vyhořelým při přepracování? Pokud se to palivo dá snadno upravit pro produkci dalšího bude to pro export velmi kontroverzní.

    Jinak kroucené palivové proutky nejsou ničím novým, dost podezřele se to podobá prutům do KS150 a nikdy nepostaveného TR 1000, které měly pracovat s kovovým uranem.
    crcd.kipt.kharkov. ua/sites/default/files/galere1_1.jpg (spodní a střední prut)

    Myslím že dost zásadním kritériem pro případný úspěch bude cena tohoto paliva a pak cena na MWh. Jestli to bude nákladnější v obou parametrech a jedinou výhodou bude produkce dalšího paliva, změní snad tak VVER na množivé?, moc daleko se s tím nedostanou.

    • Martin Ševeček napsal:

      Přesný cenový odhad jsem nikde nenalezl a i kdyby nějaký uvedli, bral bych to hodně s rezervou. Firma uvádí, že díky možnému prodloužení kampaní a možnému zvýšením výkonu (lze provést díky vyšším rezervám do limitních hodnot) vydělá provozovatel reaktoru o výkonu 1100MW při cenách elektřiny 55 dolarů/MWh o 60 milionů dolarů ročně. Těchto 60 milionů se skládá ze zvýšení výkonu (48 milionů) + 24 měsíční cyklus (8 mil)+ méně odstávek (4 mil). Jaké jsou však potřebné investice? To lze jenom hádat. Vyrobili zatím pouze několik testovacích souborů a možná ani sami neví, jak moc se sníží cena při masové produkci. Ale jenom výroba trubek tohoto tvaru s proměnnou tloušťkou stěny bude velmi drahá.

      Jako hlavní výhody vidím lepší množení a tedy bezproblémový přechod na 24-měsíční kampaň i pro VVER-1000 a podstatné zvýšení bezpečnostních rezerv. Pravděpodobně nepůjde navrhnout zónu tak, aby byla přímo množivá, ale jistě bude „množivější“ než se současným palivem.

      Souhlasím s vámi, že idea konstrukce pochází z Ruska. Nejen uvedené příklady, ale i reaktor v Obnisku měl podobné palivo (i když se několikrát měnila konstrukce). Všechny patenty jsou registrované na ruská jména, takže je otázka, kdo reálně za firmou stojí a kde se inspirovali.

      • JM napsal:

        Nebyl bych tak pesimistický. Experiment s rektorem v „Shipingport“ dosáhl faktoru množení 1.03 (termální spektrum U233 dookáže vytvořit z jedné reakce 2.06 neutronu) poté co zkoušeli U-233 a Th-232. A to byl lehkovodní rektor. A to díky tomu že U233 se dokáže množit v termálním spektru. U235- N+U238= Pu 239 to nezvládne.

        • Martin Ševeček napsal:

          Máte pravdu, ale jedná se o hodnoty na papíře. Například i pro klasické tlakovodní reaktory a palivo se při určení tepelného výkonu pohybujeme na úrovni +-3% s klasickou Wignerou teorií, což je při výkonu kolem 3500MWt slušná porce neurčitosti. Při přesných kvantifikacích samotných rezonancí jsme na ještě vyšších hodnotách neurčitostí, což se třeba aktuálně ukazuje na BN800, který „nemnoží“ tolik, kolik výpočty předpokládaly. Proto si myslím, že jejich cílem je spíše prodloužení kampaní a zvýšení využití paliva, než dosáhnutí množivého reaktoru v klasickém slova smyslu.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *