Westinghouse představil revoluční jaderné palivo, čeští vědci jsou v těsném závěsu

Americko-japonská společnost Westinghouse Electric Company, o které se v poslední době píše zejména v souvislosti s jeho finančními problémy, představila první generaci revolučního jaderného paliva se zvýšenou odolností proti haváriím nazvaného EnCore Fuel.

Palivo EnCore poskytuje zejména vyšší bezpečnost při haváriích podobných například nehodě v jaderné elektrárně Fukushima-Daiichi. Palivo navíc umožní vyšší využití uranu, s čímž jsou spojeny možné ekonomické benefity jaderných elektráren využívající toto palivo.

První generace tohoto paliva je založena na využití křemičitanových uranových pelet s pokrytím ze zirkoniové slitiny s ochrannou vrstvou nanesenou pomocí chladného sprejování. Současné palivo používané v jaderných elektrárnách po desetiletí využívá také zirkoniové palivové pokrytí, nicméně bez ochranné vrstvy. V tomto pokrytí jsou uzavřeny palivové pelety z oxidu uraničitého, které budou nahrazeny křemičitany.

Díky využití ochranné vrstvy na palivovém pokrytí bude snížena oxidace a hydridace (absorpce vodíku) pokrytí, což umožní prodloužení životnosti paliva a dosažení vyšších vyhoření. Tato vrstva zároveň ochrání palivo při vyšších teplotách, a zvýší tím rezervy při možných havarijních stavech. Toto pokrytí bude využito v první generaci.

Druhá generace paliva EnCore bude mít pokrytí z karbidu křemíku (SiC), který nabídne ještě lepší chování při provozu reaktoru. Vývoj tohoto pokrytí však není ukončen a je stále třeba vyřešit řadu inženýrských problémů, což může trvat několik let.

Současné jaderné palivo

Současné jaderné palivo založené na kombinaci Zr pokrytí + pelety z oxidu uraničitého je využíváno již po několik desetiletí a dlouhodobý vývoj a zkušenosti s jeho provozem ukazují jeho velmi dobré vlastnosti. Nicméně při havarijních situacích podobných Three Mile Island nebo Fukushima-Daiichi dochází díky tomuto palivu k negativním jevům, které havárii mohou ještě více zhoršit. Zejména kvůli tomuto problému začalo americké ministerstvo energetiky (DOE) financovat rozsáhlý program vývoje tzv. paliva se zvýšenou odolností proti haváriím.

Snahou je vyvinout palivo, které bude při normálním provozu minimálně stejně kvalitní jako současné a navíc poskytne větší bezpečnostní rezervy při haváriích.

Na tomto problému pracují výzkumné organizace po celém světě a existuje množství vyvíjených konceptů, které se snaží tento cíl naplnit. Nejaktivnější jsou díky štědrému financování Spojené státy, nicméně další země jako Jižní Korea, Japonsko, Francie nebo Čína mají vlastní programy. Česká Republika žádný centrálně koordinovaný program nemá, nicméně i čeští vědci jsou v této oblasti velmi aktivní.

Nové materiály

Westinghouse studuje více materiálů, které by mohl využít pro své palivo EnCore. Hlavním kandidátem pro ochrannou vrstvu nanesenou na zirkoniové pokrytí je chrom. Podobný koncept vyvíjí také francouzská Areva nebo výzkumníci na ČVUT v Praze.

Tenká vrstva chromu na palivovém pokrytí má výborné chování při haváriích a dobrou odolnost proti záření. Je nutné provést více testů, ale předběžné výsledky jsou velmi slibné a ukazují zvýšení bezpečnostních rezerv při havarijních stavech. Mezi další studované materiály (nejen na ČVUT) patří slitina FeCrAl, ZrSi nebo molybdenové slitiny.

Pelety z křemičitanů uranu mají mnohem větší hustotu a tepelnou vodivost v porovnání s klasickými peletami (jak je ukázáno na obrázku výše). Díky tomu lze do stejného objemu dostat více uranu, což umožní prodloužení provozních cyklů jaderných elektráren bez zvyšování obohacení uranu. Vyšší tepelná vodivost snižuje teplotu paliva a zlepšuje odvod tepla z jaderného paliva. Díky tomu je také teoreticky možné zvýšit výkon reaktoru a vyrobit tak více elektrické energie se stejným množstvím paliva.

Primárním cílem těchto typů jaderných paliv je zvýšení bezpečnostních rezerv. Nicméně finanční situace některých amerických reaktorů není velmi dobrá a proto nyní probíhá diskuze, jestli by nebylo možné využít potenciální zvýšení bezpečnostních rezerv ke zvýšení výkonu, vyhoření paliva nebo snížení nákladů na údržbu reaktorů. Rozhodující slovo bude mít samozřejmě regulátor, který vše musí povolit. Podle ekonomických analýz je však zřejmé, že díky využití těchto typů palivu je možné ušetřit velké množství peněz vlastníkům elektráren.

Časový plán

Aby bylo možné využít nové palivo v komerčních reaktorech, je nejprve nutné získat licenci. Plán licencování paliva EnCore byl rozdělen do tří fází. V současnosti probíhají ozařování ve výzkumných reaktorech s cílem získaní maxima dat o nových materiálech. V roce 2019 budou vloženy tzv. LTR (lead testing rods) do komerčních reaktorů. Jde pouze o několik palivových tyčí obsahujících nové materiály. Těchto tyčí jsou v reaktoru tisíce, proto je použití pouze několika kusů z hlediska licencování jednodušší.

V další fázi bude do reaktorů vloženo již několik palivových souborů tzv. LTA (lead test assembly). Tyto soubory musí být v reaktoru minimálně 4 roky a po prokázání jejich dobrého chování lze začít využít toto palivo bez omezení. První kompletní zavážky s palivem EnCore jsou plánovány na rok 2026.

I když je v současnosti kvůli financování výzkum velmi zaměřen na USA, je velmi pravděpodobné, že pokud se výzkum podaří dotáhnout do konce, budou nová paliva využívána v reaktorech po celém světě včetně České republiky.

Zdroj úvodní fotografie: Nuclear Regulatory Commission @ Flickr