Bezpečnější jaderné elektrárny? Účinnější chlazení může zabránit jaderným haváriím

Jaderné reaktory využívané v jaderných elektrárnách dosahují tepelných výkonů v řádu stovek až tisíců MW. Při standardním provozu je teplo uvolňující se při jaderném štěpení paliva odváděno chladivem cirkulujícím v primárním okruhu, a je následně využito pro výrobu páry, jež roztáčí turbínu spojenou s generátorem. V případě ztráty primárního chlazení je možné reaktor ochlazovat přes jeho stěny, nicméně při překročení hranice kritického tepelného toku může dojít k jeho roztavení. Vědci z americké Havajské univerzity nyní přišli s novým řešením jak tuto hranici navýšit, a učinit tak provoz jaderných reaktorů bezpečnějším.

Jedním z největších nebezpečí při provozu jaderné elektrárny je možnost ztráty primárního chlazení – v této situaci je obtížné z reaktoru odebírat teplo vznikající probíhajícími jadernými reakcemi. Jedno z možností je reaktorovou nádobu chladit zvenčí, avšak tento způsob jejího chlazení je méně účinný než při běžné cirkulaci chladiva primárním okruhem. Pokud není možné teplo z reaktoru odebírat dostatečně rychle, teplota reaktorové nádoby začne stoupat, čímž může eventuálně dojít k jejímu roztavení a následnému úniku paliva.

„Výsledkem selhání chlazení je roztavení rozehřátých částí povrchu, tak jako se tomu stalo během havárie v jaderné elektrárně Fukušima v roce 2011,“ říká Sangwoo Shin, vědecký pracovník Havajské univerzity.

Pro chlazení horkých povrchů kapalinou, nejčastěji vodou, je zásadní proces odpařování. Přestože voda dokáže pojmout velké množství tepla i svým ohřátím, pro její odpaření je potřeba dodat další energii, takzvané skupenské teplo varu – pro představu, v případě vroucí vody se jedná o více než 5násobek energie, která je nutná pro její ohřátí z 0 na 100 °C.

Nanotechnologie se uplatňují i v oblasti chlazení

Tento způsob chlazení má však své limity. Při dosažení kritického tepelného toku se mezi horkým povrchem předmětu a vodou, do které je ponořen, utvoří tenká vrstva vodní páry, která výrazně snižuje účinnost chlazení, jelikož se další voda již nemůže odpařovat. V současné době je jednou z nejvyužívanějších možností, jak zvýšit tuto hranici, zdrsnění povrchu ochlazovaných předmětů pomocí nanostruktur, především tenkých drátků o průměru v řádu nanometrů. Odpařování tak může probíhat na větším povrchu, a tudíž je účinnější.

Tým vědeckých pracovníků na Havajské univerzitě pod vedením Sangwoo Shina nyní přišel s novým konceptem, jak tuto hranici posunout dále. Podle vědců by jejich metoda mohla přinést až 10% navýšení hodnoty kritického tepelného toku ve srovnání s dříve užívanými postupy.

Nová metoda spočívá v pokrytí chlazeného předmětu bimetalovými drátky o průměru v řádu nanometrů, které se s rostoucí teplotou povrchu reaktorové nádoby, či jiného předmětu, který pokrývají, ohýbají. Tato spontánní deformace zlepšuje podmínky pro odpařování vody z povrchu chlazeného předmětu.

Podle Shina se budoucí studie v oblasti možného navýšení kritického tepelného toku budou zřejmě soustředit na nalezení optimální geometrie a materiálů pro výrobu nanobimetalů.

Deformace bimetalů s rostoucí teplotou povrchu, který pokrývají, umožňuje jeho účinnější chlazení. Autor: Sangwoo Shin

Deformace bimetalů s rostoucí teplotou povrchu, který pokrývají, umožňuje jeho účinnější chlazení. Autor: Sangwoo Shin



32 odpovědí na Bezpečnější jaderné elektrárny? Účinnější chlazení může zabránit jaderným haváriím

  1. Milan Vaněček napsal:

    Ano účinnější chlazení zvenku by zabránilo nehodě ve Fukušimě. Kdy to ale bude součástí všech reaktorů? Mohl by to někdo z expertů odhadnout?

    • Radek napsal:

      Uvědomme si, že se jedná o technologii, která má zabránit nehodě, ke které došlo v počtu n=1. Je to fakt to největší riziko, kterému ve svém životě čelíme? Tomu by se měly přizpůsobovat bezpečnostní standardy.
      Aneb nechoďte do lesů, spadne na vás větev. A co když spadne vrtule větrné elektrárny?

      • Milan Vaněček napsal:

        Bagatelizování rizik místo předcházením rizikům je větší nebezpečí pro jadernou energetiku než protijaderní aktivisté.

        • Antonín Mikeš napsal:

          Na bagatelizování tady máme zastánce jen OZE.
          V jádru platí ALARA.

          • Milan Vaněček napsal:

            V tom je ta tragedie. „Reasonably achievable“ se může brát z hlediska maximalizace zisku nebo z hlediska předcházení škodě.

  2. Petr Poruban napsal:

    Také mám starost o budoucnost jaderné energetiky.
    OZE si se vším neporadí. Ropa nemá perspektivu nejen kvůli globální změně klimatu a politice viz například situace kolem Ruska nebo aktuálně Saudské Arábie.
    V Číně rostou JE jako houby po dešti a doufejme, že v budoucnu nebudeme stavět JE jen podle Čínských a Ruských projektů. Vyspělejší západ by měl mít svoje dokonalejší technologie. V současné době jsou poněkud zadupané zelenými aktivisty co nemají moc rozumu.
    I v ČR by se ohledně dostavby bloků v Dukovanech a Temelíně měla brát v potaz dlouhodobá perspektiva rozvoje vlastních Evropských technologií.
    Máme vlastní GNSS (Galileo), rakety (Ariene, Vega) a JE zde začínají stavět rozvojové země.
    Asi pro nás ta bezpečnost tak důležitá není. Aneb kam vedou zelené paradoxy.

    • Petr napsal:

      EU má vlastní originální leda tak program na sebevraždu.
      Pro nás nemá cenu nic víc než jako zóna volného obchodu, a spolu s Německem by jsme měli za každou cenu zabránit zvětšování EU rozpočtu, protože teď nám půjdou poslední čisté dotace, a za pár let by jsme už spolu s dalšími poctivě pracujícími a šetřícími státy severu museli začít nekonečně platit na líné jižany a africké migranty.

      Nová jaderná elektrárna podle ruských projektů by mohla být při upřednostnění domácích ve smlouvě až z 80% česká, což je nejvíc k čemu se dá z čehokoliv přiblížit. Pokud se postaví nový blok v Dukovanech za dobrou cenu, postaví se pak i další 2 bloky v Temelínu.
      A teprve pak nám nastává rok 2030 a rozhodování jestli nový projekt EU na jaderné ocelárny, výrobny vodíku nebo teplárny získají matlalové z upadlé předražené Francie nebo zkušené a levnější východní jádro Česko, Slovensko, Maďarsko.

      • Petr napsal:

        Plus ještě samozřejmě my máme daleko větší šanci na přilákání kvant migrantů z řad jaderných odborníků, z Ukrajiny jich můžeme při budování na ruských základech nabrat víc než Francouzi z celé Afriky a veškerých bývalých kolonií.

        • Milan Vaněček napsal:

          To snad nemůže nikdo myslet vážně, nedělejte si srandu z naší jaderné loby. Vy sem chcete zvát jaderné experimentátory z Černobylu???

          • Jan napsal:

            Chybama se člověk učí, experti z černobylu asi už ví co nemají příště opakovat 😀

        • Pavel napsal:

          Ukrajinští odborníci jsou daleko lepší než ‚ynženýři‘ z Afriky vyznávajíví Islám.
          Ukrajinci u nás alespoň pracují.

  3. Ladis napsal:

    No, pěkný….jen ale aby jim ty drátky nevydřely hřídele čerpadel. Mají zajištěno, že se „neodlepí“ od chlazeného povrchu?

    • Vláďa napsal:

      Položím možná pro někoho hloupý dotaz. O jaký povrch se vlastně jedná? Reaktorová nádoba je v izolačním materiálu, který je suchý. Přenos tepelné energie se odehrává mezi palivovým článkem a chladícím médiem které je zpravidla voda. Pokud vypadnou všechny chladící systémy jak se vlastně uvažovaný reaktor uchladí?

      • Milan Vaněček napsal:

        To není hloupý dotaz, to je chytrý dotaz. Doufám že nám ho nějaký jaderný expert zodpoví.

      • Vladimír Wagner napsal:

        Tento konkrétní článek není spojen konkrétně se systémy chlazení jaderných elektráren. Jde o obecné hledání co nejvhodnější formy povrchů v případech, že se k chlazení využívá vypařování a var. Vlastnosti povrchu dokáží zlepšit hranici pro kapacitu přenosu tepla (tepelného výkonu) mezi dvěma komponentou a tekutinou. Tedy i zvyšují efektivitu chlazení a zvyšují hranici, odkdy už se pro dané rozhraní nestíhá teplo odvádět a dojde tak k přehřívání a případnému roztavení chlazené částí. Výsledek, který se prezentuje, je, že při využití bimetalových nanodrátků se tato hranice posune o 10 %. Pokud se dokáží vyrábět komerční povrchy takového typu, tak to může vést k zefektivnění přenosu tepla v některých částech chlazení nejen u jaderných elektráren, ale i jiných zařízení. Daný článek ovšem nic neříká o konkrétním chladícím systému konkrétního zařízení.

        • Milan Vaněček napsal:

          Zde se diskutuje chlazení reaktoru zvenčí, přes jeho stěny. Chlazení je Achillova pata velkých reaktorů, není divu že zde pan W. jen mlží.

        • Vláďa napsal:

          Pokud chladím reaktor se zbytkovou reakcí tak k tomu potřebuji zajištěné napájení. Pokud toto napájení z nějakého důvodu ztratím nastupuje jiný druh chlazení. Z článku není jasné jakého stavu je uvedeným chlazením nanočásticemi možno dosáhnout. Pokud k chlazení potřebuji zajištění provozu chladících čerpadel je uvedené chlazení nic neřešící protože je odvod zbytkového tepla řešen standardním způsobem. Článek je bez bližšího vysvětlení velmi zavádějící bez vypovídající hodnoty.

          • Milan Vaněček napsal:

            V případě reaktoru o el. výkonu 50 MW (možná i 100, při různých vylepšeních) stačí použít vodu a gravitaci, „bazén“ okolo reaktoru zaplním (gravitačně) vodou, která se ohřívá a odpařuje.
            Ale u 1GW reaktoru to zřejmě (???) takto uchladit nejde. Tady by bylo vhodné vyjádření skutečného odborníka.

          • Vláďa napsal:

            Co si představujete jako bazén okolo reaktoru?

          • Antonín Mikeš napsal:

            Milan Vaněček napsal: 19. října 2018 (11:45)

            „Ale u 1GW reaktoru to zřejmě (???) takto uchladit nejde. Tady by bylo vhodné vyjádření skutečného odborníka.“

            Musím opět citovat jednoho místního odborníka: „Protože v oboru nepracuje, neumí zhodnotit úskalí resp. potenciál jednotlivých technologií….
            Prostě: neumí.
            Tož tak.“

          • Milan Vaněček napsal:

            Přesně tak, neumím to, čekám na vyjádření odborníka. Má jediná stará informace o tom je podrobný článek v Nature hodnotící Černobyl a zde je uvedeno že pasivně lze uchladit cca 50 MW reaktor.
            Třeba teď dokážeme více, čekám na vyjádření jaderného odborníka, což já nejsem. Ale časopis Nature považuji za velmi seriozní zdroj.

          • Milan Vaněček napsal:

            Jaderný odborník co by vše vysvětlil se nenašel. Je to překvapivé mezi tolika příznivci jaderné energetiky. 😂

          • Antonín Mikeš napsal:

            Pane Vanečku, nepřekvapivě jsou příznivci jádra asi dosti zaměstnaní lidé, naštěstí nejsou všichni v důchodu. Mohl bych Vám odpovědět jako jste Vy mě před pár měsíci mentoroval něco ve smyslu, že jsem moc mladý a mám se ještě moooc co učit a ať jdu studovat. To je ale většinou Váš styl diskuse, ne můj.
            O dané problematice nevíte nic, nevíte kdy a proč by mohlo být navrhované zlepšení vhodné použít a přesto se snažíte v široké veřejnosti vzbudit pocit, že velké reaktory nejsou bezpečné. To není pravda. Déle už k popisu toho jak by mělo být (zřejmě, nečetl jsem původní článek) vylepšení přenosu tepla mezi tlakovou nádobou a vodou využito k zvýšení jaderné bezpečnosti tlakovodních reaktorů.
            1) Běžný provozní režim – žádný problém s chlazením není, hlavní cirkulační čerpadla (HCČ) běží, reaktor je chlazen vodou primárního okruhu (IO). Teplo je odváděno v parogenerátorech (PG). Mezi tlakovou nádobou reaktoru a tepelnou izolací nádoby je suchá mezera, která během odstávek umožňuje inspekci nádoby, bez nutnosti rozebírání izolace.
            2) Režim výpadku napájení, bez zálohy – reaktor se okamžitě odstavuje pádem tyčí do aktivní zóny (AZ), v reaktoru dochází k uvolňování rozpadového zbytkového výkonu, který exponenciálně klesá. HCČ ztratily napájení, jejich setrvačnost a setrvačnost vody IO však stále chladí reaktor, ještě po několik minut jsou ztráty při průtoku chladiva IO hrazeny ze setrvačných hmot. Posléze se přechází na přirozenou cirkulaci – žádný problém nenastává, systém má dostatečnou zásobu vody v PG na několikadenní provoz bez zásahu obsluhy a bez napájení.
            3) Ztráta napájení spojená s masivním únikem chadiva IO (LB LOCA) nadprojektová havárie – Masivní únik chladiva primárního okruhu sníží chlazení AZ, dochází k prudkému poklesu tlaku IO, reaktor je okamžitě odstaven, chaldivo IO se valí do konejtmentu, hydroakumulátory dodávají do IO vodu pro chlazení AZ. Dochází k vyčerpání hydroakumulátorů, ale ztráta napájení neumožňuje zapnutí doplňovacích vysokotlakých ani nízkotlakých čerpadel IO. Reaktor je odstaven ale akumulované teplo a rozpadové teplo se stále uvolňuje a z tohoto důvodu dochází k masivnímu poškození AZ a její rozpad. Není tedy možné ani při obnovení napájení efektivně chladit AZ. Některé JE mají možnost zaplnit betonovou šachtu tlakové reaktoru (TNR) vodou (šachta neboli „kobka“ ve které je TNR) a chladit tím zabránit protavení tlakové nádoby reaktoru, na povrchu TNR dochází k varu a pára je odváděna prostorem mezi tepelnou izolací a stěnou reaktoru. Tímto systém je vybaven například AP1000 od Westinghouse. Není to tedy žádný běžný způsob chlazení reaktoru ale spíše způsob jak snížit rozsah škod z nadprojektové havarie. Některé jiné způsoby jak zabránit šíření kontaminace po protavení reaktorové nádoby je například core catcher.
            Jen doplním že LB LOCA je pro dnešní reaktory definován jako gilotinový řez potrubí na výstupu z HCČ – čili maximální možný únik, který je velmi nepravděpodobný, neboť potrubí praská podélně (jako párek v horké vodě).

            Doufám, že jsem uspokojil vaši zvědavost.

          • Milan Vaněček napsal:

            Vy to sám dobře víte že neodpověděl. Odpověděl jste možná Vláďovi co je to bazén okolo reaktoru. Kvantitativní rozbor kolik vody by bylo potřeba k pasivnímu odvedení zbytkového tepla po cca 7-10 dní či déle jste ani nenaznačil. To už pan W. dříve mi naznačil mnohem více (co by stačilo na cca 2 dny).

          • Antonín Mikeš napsal:

            Ne, to tedy sám nevimím, ale myslím odpověděl, že vy odmítáte moji odpověď přijmout je vaše věc. Možná mi nevěříte, tak si prostudujte pasivní systémy AP1000 a poznáte sám.
            Jako zasloužilý fyzik jistě znáte všechny potřebné vzorce a fyzikální konstatny aby jste byl schopen si potřebná množství vypočítal sám, když už nikomu jinému nevěříte. Není to nic složitého 4% výkonu rekatoru před havárií, tlak v kontejnmentu je přibližně atmosférický, měrné skupenské teplo varu vody..
            Možná jste z me odpovědi nepochopil, že odpověďi Láďovi a Vám jsou propojené.

          • Antonín Mikeš napsal:

            Navíc vám se opravdu těžko odpovídá, když v průběhu měníte otázku.

            Původně zněla zda lze uchladit pasivně 1GWe reaktor. Odpověď zní ano lze i bez jeho významné destrukce. A i při roztavení aktivní zóny, viz AP 1000.

          • Milan Vaněček napsal:

            Moje druhá část otázky zněla: a na jak dlouho?

          • Antonín Mikeš napsal:

            Citujte kde.

            Ale odpovím.
            Jak je třeba, například zmíněný AP1000 je deklarován jako uchladitelný těmito metodami na trvalo. Stejně tak ruský MIR, ale ten má pasivní chlazení provedené jinak.

            Je třeba brát na vědomí, že v tomto režimu se voda z kontejnmentu neztrácí, ale kondezuje na jeho stěnách, a stéká zpět na podlahu, odkud pokračuje určeným potrubím zpět do betonové šachty reaktoru, samospádem (AP1000).

          • Milan Vaněček napsal:

            Děkuji za seriozní odpověď. Vidím to jako obrovský pokrok, za předpokladu že je informace obou výrobců pravdivá.

  4. energetik napsal:

    Takže diamanty na povrchu tyčí už nejsou in? Teď budou drátky?

    • Antonín Mikeš napsal:

      Nanodiamanty měli sloužit k ochraně pokrytí palivových proutků, drátky mají zlepšit chlazení stěny tlakové nádoby.

  5. Emanuel napsal:

    Problém chlazení reaktorů v jaderných elektrárnách v případě jejich havarií je dávno vyřešen u menších reaktorů s tepelným výkonem do zhruba 50MW a elektrickým výkonem zhruba 30MW. Například je velký problém rychle ochladit například rozžhavý ocelový ingot o hmotnosti zhruba 10 tun, ale není velký problém rychle ochladit rozžhavený ocelový ingot o hmotnosti zhruba 100 kilogramů. Například jaderný reaktor umístěný v šikmo vedoucím podzemním tunelu se dá v případě jeho možné havárie uchladit i chladnou vodou vedenou potrubím ze středně velké vodní nádrže umístěné na zemském povrchu nad ním, z které se současně vede potrubím chladná voda na chlazení kondenzátorů páry a získává se tím teplá voda, která se v potrubí v této středně velké vodní nádrži u jejího dna v hloubce zhruba dvaceti metrů vodního sloubce opět ochlazuje. Tímto řešením vznikne středně velká vodní nádrž, která ani při velkých mrazech nezamrzá a může tak být využita mimo jiné i v zimě k vodním sportovním lidským aktivitám. V přírodním prostředí existují například u rostlin a živých tvorů tři stavy v oblasti velikosti. Minimum, optimum a maximum. V přírodním prostředí dlouhodobě přežívají v různých prostředích rostliny a živočichové s optimální velikostí pro dané prostředí. Obávám se, že většina lidí na Zeměkouli tento přírodní zákon nerespektuje a v důsledku toho se žene většina lidstva do záhuby, například tím, že se provozují jaderné reaktory s elektrickým výkonem 1000MW a větším, nebo se dále zvětšují města s například jedním miliónem obyvatel a větším, zvětšují pole o rozloze 100 hektarů s monokulturním rostlinným porostem atd.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *