Princip dvou tekutin (The Dual Fluid principle).

Vysoká účinnost je klíčem! Společnost The Dual Fluid vyvíjí nový koncept jaderné energetiky. Místo palivových tyčí používá reaktor navrhovaný touto společností dvě cirkulující tekutiny: jedna obsahuje palivo, druhá extrahuje teplo. Tato koncepce zcela redefinuje jadernou energii. Princip Dual Fluid umožňuje, aby jaderné palivo bylo využito až stonásobně efektivněji než je tomu u současných lehkovodních reaktorů a provozní teploty kolem 1 000 ^oC umožňují nové aplikace vysokopotenciálního tepla.

Technologie Dual Fluid je původní německá start-upová jaderná technologie, která byla v roce 2021 začleněna do veřejné kanadské společnosti Dual Fluid se sídlem ve Vancouveru, aby získala lepší pozici při vývoji malých modulárních reaktorů (SMR). Společnost Dual Fluid uvádí, že kanadská vláda podporuje SMR jako technologii budoucnosti. Kanada má rovněž zkušenosti s jadernou energií a na rozdíl od Německa nebyly tyto zkušenosti přerušeny. 

Lepší technologie než lehkovodní reaktory? 

Podle společnosti Dual Fluid jsou lehkovodní reaktory, které se dnes převážně používají,  velmi neefektivní, protože přeměňují energii přírodního uranu k výrobě elektřiny jen z méně než 1 %. Navíc tyto reaktory pracují při relativně nízké teplotě, takže je nelze používat u nových chemických vysokoteplotních procesů. Jak je možné, že tato technologie zvítězila nad nadějnějšími projekty, které již existovaly v polovině minulého století? Společnost Dual Fluid se domnívá, že to byly vojenské výhody. Reaktory chlazené vodou se totiž velmi dobře hodí pro pohon atomových ponorek a mohou poskytovat plutonium pro jaderné zbraně. Jiné koncepce, o nichž již tehdy bylo známo, že se lépe hodí pro civilní účely, byly opuštěny. Skutečnost, že budeme technologii lehkovodních reaktorů používat ještě několik desetiletí, se připisuje vysoké energetické hustotě jaderného paliva: poskytuje tolik energie, že i při nízkém vyhoření paliva jsou lehkovodní reaktory ziskové. 

Tekuté palivo i chladivo 

Z původních projektů, které se do komerčního využití zatím nedostaly, se jeden týká tekutého paliva, druhý chlazení tekutým olovem. V 60. letech USA úspěšně provozovaly experimentální reaktor s tekutým palivem (reaktor s tavenou solí), který byl schopen lépe využít jaderné palivo. Ale tím, že palivová sůl rovněž přenášela teplo, snižovala se energetická hustota a obě tyto funkce bylo obtížné smířit. V 70. letech vybudovali Rusové reaktor chlazený tekutým olovem pro svou flotilu atomových ponorek. Protože tyto reaktory používaly palivové tyče, bylo doplňování paliva a jeho recyklace obtížná. 

Koncepce společnosti Dual Fluid je založena na používání konceptu rychlých reaktorů (s rychlými neutrony) a cílem je spojit výhody reaktoru s tavenou solí a reaktoru chlazeného tekutým olovem do zcela nového projektu. Zásadní inovace spočívá v používání dvou tekutin v aktivní zóně reaktoru. V aktivní zóně může kapalné palivo dosáhnout teploty kolem 1 000 ^oC (ve srovnání s 320 ^oC u lehkovodních reaktorů), tekuté olovo pak odvádí tepelnou energii. 

Vysoká energetická hustota 

Jedná se o zcela novou jadernou technologii, jejíž rozhodující výhodou je vysoká energetická hustota, která vyplývá z kompaktnosti systému a vysoké provozní teploty. Palivo může cirkulovat tak pomalu, jak je třeba z hlediska optimálního vyhoření, zatímco chladivo může cirkulovat tak rychle, jak je zapotřebí k optimálnímu odstraňování tepla. V důsledku toho může být použito nezředěné tekuté palivo – směs kovových aktinidů – což výrazně zvýší obsah štěpitelných materiálů v aktivní zóně reaktoru. Kompaktnost aktivní zóny snižuje množství potřebných konstrukčních materiálů, což dovoluje používání drahých vysokoteplotních a korozi odolných materiálů. Roztavené olovo jako chladivo rovněž rozptyluje teplo, aniž by zpomalovalo neutrony v aktivní zóně. 

Vysoká účinnost 

Vysoká energetická hustota jde ruku v ruce s vysokou efektivitou: malá aktivní zóna reaktoru Dual Fluid o výkonu 300 MW je desetkrát efektivnější než u současných lehkovodních reaktorů. Protože se jedná o rychlý reaktor, pracuje s vysokým přebytkem neutronů a může tedy plně využít jakýkoliv štěpitelný materiál, včetně thoria, přírodního uranu a jaderného odpadu ze současných reaktorů. Počítá se s tím při využití recyklačního závodu firmy Dual Fluid. 

Redefinování jaderné energie 

Zásada oddělit cykly paliva a chladiva zcela mění jadernou energetiku – v kombinaci s recyklačním závodem bude veškeré jaderné palivo efektivně využito, takže vlastně nebude třeba budovat geologická úložiště pro vysokoaktivní odpad. 

Aplikace principu Dual Fluid není omezena pouze na malé modulární reaktory, ale první realizace koncepce bude zahrnovat MMR DF 300 o výkonu cca 300 MW. V jaderné elektrárně DF 300 bude palivo dodáváno do reaktoru v těsných „nábojnicích“ (cartridge). Zde bude palivo zahřáto a čerpáno v kapalné formě do aktivní zóny reaktoru, kde bude produkovat teplo po dobu asi 25 let. Vyhořelé palivo se potom vrátí do „nábojnice“ a bude dopraveno k recyklaci. Větší aktivní zóny, například v jaderné elektrárně DF 1 500 MW (3 000 MW tepelných) budou znamenat větší průchod paliva a budou se přímo kombinovat s recyklačním systémem Dual Fluid. To umožní kompletní a trvalé zpracování paliva v lokalitě. 

Recyklace paliva 

Recyklační proces Dual Fluid se podstatně liší od konvenčního přepracování jaderného paliva procesem PUREX. V recyklačním závodě společnosti se vyhořelé palivo nejdříve konvertuje do formy tekuté soli a potom separuje na jednotlivé složky s použitím destilačního procesu, který je již odzkoušen mimo jaderný průmysl. Všechny štěpitelné materiály se potom smíchají s čerstvým palivem a vrátí do aktivní zóny. Tato recyklační metoda založená na pyrochemické destilaci umožňuje komplexní využití jakéhokoliv štěpitelného materiálu. Díky tomu je možno uskutečnit uzavřený jaderný palivový cyklus. 

Kromě výroby elektřiny je jaderná elektrárna DF 1 500 MW (3 000 MW tepelných) zvláště vhodná pro aplikace, které vyžadují vysokopotenciální teplo například pro výrobu vodíku nebo syntetických paliv. Dnešní „zelená“ výroba vodíku má vysoké ztráty energie, zatímco silný jaderný zdroj otevírá možnosti použití vysokoteplotní parní elektrolýzy HTE (high temperature steam electrolysis), která je efektivnější než současné procesy. Společnost Dual Fluid se domnívá, že výroba vodíku s pomocí technologie HTE může mnohonásobně snížit náklady ve srovnání s výrobou vodíku pomocí větrné energie a je schopná soutěže s parním reformingem metanu. 

Energetická návratnost investic 

Energetická návratnost investic (EROI) u elektrárny je poměr získané elektřiny k celkové energii vynaložené za celý životní cyklus (včetně výstavby, provozu, paliva a ukončování provozu). 

                             EROI = E_out /E_in

Elektrárny spalující fosilní paliva dosahují energetické návratnosti kolem hodnoty 30. Sluneční a větrné elektrárny, včetně skladování energie, dosahují jen jednociferných hodnot.

Zatímco návratnost 30 umožnila průmyslovou revoluci a je ještě schopná zásobovat energií i současnou společnost, menší energetická návratnost znamená krok zpět. Podle společnosti Dual Fluid se energie stane vzácnější a mnohem dražší, což potenciálně povede ke snížení životní úrovně. Moderní lidé a společnosti přátelské k životnímu prostředí musí mít proto za cíl zajistit spolehlivou energii ve velkém množství za méně peněz a s nízkou ekologickou stopou. Tohoto cíle lze dosáhnut zejména použitím paliva o vysoké energetické hustotě, tedy např. jaderného paliva. 

Dnešní lehkovodní reaktory mají energetickou návratnost kolem hodnoty 100, což je trojnásobek oproti fosilním palivům. To zní dobře, ale jaderné štěpení uvolňuje nikoliv třikrát více energie, ale milionkrát více energie než fosilní spalovací procesy. Naskýtá se proto otázka: proč současná jaderná energie nevyužívá své potenciální možnosti? Podíváme-li se na energetické výdaje u typického lehkovodního reaktoru, pak 80 % energie je zapotřebí na zajištění paliva a jeho likvidaci, tj. na těžbu a rafinaci uranu, na výrobu paliva, případnou recyklaci paliva a trvalé uložení palivových článků. Je to velké číslo, protože současné reaktory využívají jen asi 1 % potenciální energie přírodního uranu k přeměně na užitečnou energii. Zbytek jaderného paliva, pokud není přepracován na čerstvé palivo, musí být trvale zlikvidován jako jaderný odpad. Vysoké investiční náklady a legislativní požadavky ještě snižují přednosti jaderné energie ve srovnání s elektrárnami spalujícími fosilní paliva. Proto také potenciál jaderného štěpení zůstává zatím nevyužitý. 

Reaktor páté generace? 

Nová generace reaktorů (Generation IV) může postupně uspět, ale patrně příliš neuspěje při zvyšování efektivity. Je to proto, že i nadále zůstává koncepce palivových tyčí nebo proto, že koncepce vychází ze starších projektů reaktorů s tavenými solemi. V druhém případě stejná tekutina obsahuje jak palivo, tak odvádí teplo, což znamená, že se v obou případech zhoršují výsledky obou funkcí. Projekt společnosti Moltex Energy je výjimkou, protože ponechává kapalné palivo v pevných palivových tyčích. Projekt reaktoru Dual Fluid – označovaný vývojáři jako Generation V – koncentruje kapalné palivo a olověné chlazení, kombinuje je s recyklací paliva a tak snižuje výdaje na palivo na úplné minimum. Další přínos z hlediska efektivity pramení z relativní kompaktnosti systému v důsledku vysoké energetické hustoty. Celkové energetické výdaje u jaderné elektrárny DF 300 klesají na desetinu výdajů u typického lehkovodního reaktoru. Energetická návratnost investic EROI se zvyšuje s růstem výkonu reaktoru na 800 až 1000 u reaktoru DF 300 a na 2000 u reaktoru DF 1500. 

Materiálové záležitosti 

Materiál, který odděluje obě tekutiny v reaktoru Dual Fluid, musí mít dostatečnou tepelnou vodivost a korozní odolnost, a to jak pro olovo, tak i pro palivo, které je také tekutým kovem. Ve srovnání s podmínkami v tepelných reaktorech je zde velký výběr konstrukčních materiálů pro stěny reaktoru hlavně z důvodu nízkého účinného průřezu pro rychlé neutrony. Vhodné materiály jsou známy ve skutečnosti celá desetiletí, ale obsahují vzácnější a dražší chemické prvky. To může být problém pro konvenční reaktorové technologie a moderní koncepce tavených solí, protože ty vyžadují velká množství konstrukčních materiálů v důsledku relativně nízké energetické hustoty. To však neplatí pro reaktor Dual Fluid, protože zde se může použít celé spektrum moderních průmyslových materiálů. Jako komponenty do slitin se mohou dokonce použít i vzácné kovy, aniž ovlivní celkové náklady systému. Příkladem těchto materiálů jsou slitiny žáruvzdorných kovů nebo korozi vysoce odolná keramika jako je silikonový, titanový nebo zirkoniový karbid, které se  používají již mnoho desítek let v průmyslu pro aplikace v extrémních podmínkách. Kromě toho lze používat i povlakové materiály z oxidu yttria, který je odolný vůči čistému uranu až do teploty 1 500 stupňů Celsia. Protože teploty v aktivní zóně reaktoru jsou mnohem nižší a protože palivo neobsahuje čistý uran, ale směs uran-chrom, většina vhodných materiálů představuje řešitelný vývojový úkol. 

Bezpečnost 

Nejdůležitějším bezpečnostním rysem projektu Dual Fluid je okamžitá samoregulace umožněná negativním teplotním koeficientem. Když se teplota zvyšuje, jaderné palivo expanduje. V důsledku toho reaktivita okamžitě klesá a teplota se snižuje. Reaktor se tak sám reguluje. Proto je zcela vyloučena havárie, která se stala v Černobylu. Pokud se systém ohřeje nad provozní teplotu, jsou k dispozici tavné pojistky (melting fuse plugs), které zajistí další ochranu. Tavnou pojistkou je aktivně ochlazovaná sekce palivového potrubí (fuel line) poblíž nejnižšího bodu. Palivo je tam aktivně chlazené z vnější strany, takže lokálně zamrzá a uzavírá odtok paliva. Pokud se palivo přehřeje, zamrzlá palivová ucpávka roztaje a kapalina samospádem odtéká do subkritických nádrží. Řetězová reakce se ihned zastavuje a rozpadové teplo je pasivním způsobem odstraňováno, takže lze vyloučit havárii, kdy nelze rozpadové teplo odstraňovat, jak tomu bylo ve Fukušimě. Efektivní ochrana proti impaktům a zemětřesením bude zajištěna tak, že jaderná část elektrárny bude v podzemním bunkru s tlustými stěnami. I v případě nejhorší havárie s únikem paliva se nemůže žádný radioaktivní materiál dostat do životního prostředí, protože zde není žádný tlak a nic nemůže explodovat.   

Cesta k sériové produkci 

Po deseti letech základních prací, které se uskutečňovaly hlavně v Institute of Solid-State Nuclear Physics v Berlíně, dospěla technologie Dual Fluid do nové etapy. Dalším krokem směrem ke komerčnímu využití technologie bude testování komponent. Akademičtí partneři provádějí analýzy stability systému jako základního předpokladu pro licencování. První kolečko bylo úspěšně dokončeno v červnu 2021. Pokud vše půjde podle plánu, měl by být první fungující prototyp reaktoru k dispozici během deseti let. Brzy na to by mohla být zahájena sériová výroba. 

Zdroje:

Reinvented: The Dual Fluid principle. Nuclear Engineering International, 24. 8. 2022

https://www.neimagazine.com/features/featurereinvented-the-dual-fluid-principle-9952766