Množ a hoř!

Reaktor s postupnou vlnou TWR (Traveling-Wave Reactor) má být novou třídou jaderných energetických reaktorů. Projekt tohoto reaktoru pod názvem TerraPower již je v USA patentován, připravuje jej společnost Intelectual Ventures a vývoj financuje sám Bill Gates.

Současné reaktory dokážou využít ze vsazeného paliva asi jen 5 %, pak se musí palivo vyměnit za čerstvé. Reaktor s postupnou vlnou spotřebuje pro zahájení reakce jen velmi malé množství obohaceného jaderného paliva a dále si vystačí s přírodním uranem nebo i s použitým palivem z dosavadních jaderných reaktorů. Umožní tak zásadním způsobem snížit zásoby použitého jaderného paliva a dlouhým palivovým cyklem také podstatně zmenší obavy z možného zneužití manipulace s jaderným materiálem. Takzvaný Traveling Wave Reactor (TWR) by měl být schopen pracovat na jednu dávku paliva 50 až 100 let, aniž by vyžadoval údržbu.

TWR se od rychlých množivých reaktorů liší schopností dostat se po nastartování do stavu, v němž nepotřebuje další obohacený uran ani přepracování paliva, ale spaluje ochuzený uran, přírodní uran, thorium, použité palivo nebo kombinace těchto materiálů.

Jméno „reaktor s postupující vlnou“ získal proto, že štěpení jader neprobíhá v celé aktivní zóně, ale jen v určité oblasti, která v průběhu času aktivní zónou postupuje.

Návrat ke starým výpočtům
Přestože se jedná o nový a převratný projekt, první návrh této koncepce pochází už z padesátých let. Jeho autor Saveli Feinberg ho nazval „množ a hoř“ (breed-and-burn). V roce 1988 Lev Feoktistov v Rusku vypracoval na stejném principu koncept „fyzikálně bezpečného reaktoru“ a v roce 1996 Edward Teller a Lowell Wood popsali, jak by mohla množivá vlna postupovat stacionární vsázkou paliva. Od roku 2006 pracuje Intelectual Ventures na komerčním a praktickém provedení takového reaktoru ve dvou variantách – 300 MW a 1 000 MW.

Design reaktoru
Reaktor bude bazénového typu, chlazený tekutým sodíkem. Palivem bude ochuzený uran doplněný na jedné straně aktivní zóny malým množstvím (do 10 % vsázky) uranu obohaceného izotopem 235U pro rozběhnutí štěpné reakce. Štěpením vzniklé rychlé neutrony se zachytí v ochuzeném uranu a jadernou reakcí ho přemění v plutonium 239Pu. Jaderné reakce pokračují, dokud se palivo nespotřebuje. Po startu reaktoru tak v aktivní zóně vzniknou čtyři různé oblasti: ochuzená zóna, která obsahuje štěpné produkty a nespotřebované palivo, štěpná zóna, kde probíhá štěpení, množivá zóna, v níž se tvoří neutronovým záchytem štěpný materiál, a čerstvá zóna obsahující nezreagovaný materiál. Energii produkuje štěpná zóna, která se postupem času posouvá, spotřebovává materiál před sebou a vyhořelé palivo ponechává za sebou. Teplota aktivní zóny bude kolem 550 oC (u obvyklých tlakovodních reaktorů je to okolo 330 °C). Teplo vzniklé štěpením se používá stejně jako v jiných druzích reaktorů na výrobu páry pro pohon turbíny.

Palivo
Většinu aktivní zóny tvoří 238U. Stovky tun tohoto materiálu leží dnes jako odpad po obohacování uranu, protože současné reaktory potřebují zejména 235U. Počáteční vsázka ochuzeného uranu vystačí na provoz po dobu 60 i více let. Trik je v tom, že štěpitelné palivo 239Pu si vyrábí reaktor sám a sám si ho ihned spotřebovává – tím se eliminuje riziko, že by vzniklé plutonium mohlo být vojensky zneužito. Energetický obsah 1 kg plutonia je srovnatelný s energetickým obsahem 1 000 000 kg uhlí. Ve srovnáním s tradičními lehkovodními reaktory spotřebuje TWR na jednotku výkonu méně uranu, hustota paliva a tepelná účinnost jsou vyšší. Autoři odhadují, že se známými zásobami uranu by TWR reaktory mohly zásobovat 80 % světové populace (při spotřebě elektřiny srovnatelné v USA) po jeden tisíc let. Navíc TWR mohou spotřebovat vyhořelé palivo z dnešních tlakovodních reaktorů – to je po vyhoření v podstatě ochuzené palivo. V zásadě by mohl TWR spotřebovávat i vlastní vyhořelé palivo – obsahuje stále dost štěpitelného materiálu k tomu, aby se mohlo stát startovní vsázkou pro další TWR namísto obohaceného uranu. Konečným produktem jsou zbytky nespáleného 238U, štěpné produkty a transurany (Np, Pu, Am, Cm). Kdyby všichni obyvatelé USA spotřebovávali energii jen z TWR reaktorů, bylo by „odpadů“ cca 0,2 g na osobu a rok.

Jak je to s tou vlnou?

„Vlna“ se ve skutečnosti nepohybuje, jak bychom si podle názvu mohli představovat. Místo toho se palivo dostává do režimu štěpení tak, jak v něm vzniká dostatek štěpného materiálu. Oblast štěpení se v reaktoru posouvá rychlostí asi 1 cm za rok. Chování výkonu reaktoru v čase představuje soliton. V médiích někdy najdete přirovnání ke svíčce, která pomalu odhořívá shora dolů – ale to není správné. Solitonové chování zajišťuje, že konfigurace paliva je stálá a chlazení tudíž zůstává jednoduché. 

Kdy a kde to bude?
Prvním místem, kde by mohla stát malá elektrárna s TWR reaktorem, by se mohla stát odlehlá aljašská vesnice Galena. Zařízení vyvíjí podle projektů TerraPower japonská firma Toshiba, finančně se angažuje jeden z nejbohatších mužů světa Bill Gates. Elektrárna by měla být ukrytá pod zemí a tudíž nepředstavovat žádné bezpečnostní riziko. Optimisté odhadují stavbu prvního takového reaktoru ve dvacátých letech třetího tisíciletí.

---

Lidé od TWR
Vedoucím projektu TerraPower pro vytvoření TWR reaktoru je John Gilleland, zkušený manažer a vědec působící v aplikované fyzice a energetice. Zabýval se zejména otázkami jaderných odpadů, likvidací jaderných zbraní (tzv. Reverse-Manhattan Project), technologiemi vysokoteplotních plynů, tekutých kovů a skladování energie. Podílel se i na designu fúzního reaktoru ITER.

V týmu pracuje také Čech Pavel Hejzlar. Je vedoucím skupiny pro design aktivní zóny a reaktoru. Pracoval jako vedoucí vědecký pracovník a ředitel programu pro pokročilé reaktorové technologie (Advanced Reactor Technology Program) na Massachusettském institutu technologie (MIT). Na ČVUT v Praze se zabýval termohydraulickými a neutronovými aspekty jaderných systémů a vývojem reaktorů s pokročilou bezpečností a zlepšenou ekonomičností.

Názorné vysvětlení principu TWR vysvětlené vedoucím projektu Gillelandem najdete zde: http://www.technologyreview.com/video/?vid=266

---

Soliton
Soliton představuje vlnu, která se šíří prostředím, ale na rozdíl od obyčejné vlny nemění svůj tvar – „nerozplývá se“. Obyčejná vlna se časem rozplývá vlivem difuze a ztrát energie třením. Zatímco časový vývoj obyčejné vlny je popsán lineární vlnovou rovnicí, soliton je popsán nelineárními rovnicemi (Kortewegova – de Vriesova). Vede to k tomu, že rychlost pohybu vlny závisí na její amplitudě (např. výšce vlny na vodní hladině), a to tak, že větší vlna dožene vlni menší a spojí se s ní do vlny jediné (nelinearita!) s odpovídající rychlostí; dřívější samostatné vlny se tedy už od sebe neodloučí. Splynuly do jediné nové vlny.