Hybridní jaderný reaktor

„Pro účely velké energetiky se mi jeví jako nejperspektivnější systémy založené na magnetické termoizolaci – typu tokamak nebo možná, podle mě méně pravděpodobně, typu stelarátor. Myslím si, že to budou nejprve plodící systémy, kde zdrojem energie bude štěpná reakce. Co se týká systémů, které nepoužívají uran nebo thorium (jejich zásoby nejsou nekonečné a ukládání radioaktivního odpadu a uvolňování plynného radioaktivního odpadu štěpení představují určité ekologické nebezpečí), pak v nich předpokládám plození tritia“, konstatoval A. D. Sacharov, nositel Nobelovy ceny, spoluautor tokamaku.

Slučování i štěpení jader
Hybridní automobil dokáže ukrajovat kilometry poháněn benzinem nebo elektřinou, hybridní kolo jezdí do kopce i z kopce. Fusion Hybrid může být jak značka nového Fordu, tak zajímavý koncept jaderného reaktoru, který využívá jaderných reakcí jak slučovacích, tak štěpných. Myšlenka je prostá: v centru zařízení jaderná fúze izotopů vodíku deuteria a tritia vyrábí energetické neutrony, které pak ve vnějším obalu – blanketu – fúzního reaktoru budou atakovat podkritické množství vhodného štěpitelného materiálu.

Hybridní reaktor by měl využít sílu i slabost svých rodičů. Čistý ziskový fúzní reaktor stejně jako štěpné reaktory IV. generace však zatím nejsou k dispozici. Ani neutrony budoucích rychlých reaktorů však nedokáží to, co energetické neutrony současných fúzních zařízení. A štěpné reaktory typu LWR nebo PWR patří ke standardní výbavě energetického mixu vyspělých zemí.

Dvě vlny zájmu o hybrid
Zájem o hybridní jaderné reaktory navštívil svět ve dvou vlnách. Obě více méně kopírovaly významné milníky ve vývoji fúzního reaktoru. První vlna zájmu zaplavila jaderný svět v osmdesátých letech, kdy se chystala stavba velkých fúzních zařízení, jako jsou tokamaky JET (Joint European Torus), JT60 (Japan Tokamak 60) a existoval tokamak TFTR (demontovaný americký reaktor Tokamak Fusion Test Reactor). Druhá vlna následovala v současnosti, kdy je v plném proudu stavba mezinárodního gigantu – tokamaku ITER (International Thermonuclear Experimental Reaktor).

V roce 1979 vyšel článek legendy sluneční astrofyziky Hanse Betheho a počátkem osmdesátých let se hybridními jadernými reaktory kromě jiných zabývali i v Ústavu fyziky plazmatu ČSAV. Hybridní reaktor měl sloužit především k výrobě paliva pro štěpné reaktory. Obal fyzikové naplnili – ovšem jen na papíře – přírodním nebo ochuzeným uranem či thoriem a energetické fúzní neutrony z nich vyráběly buď štěpitelné plutonium nebo izotop uranu 233U.

Konkurence rychlým plodivým reaktorům – breedrům – byla na světě! (Nazývají se tak štěpné reaktory zavážené palivem vyrobeným v hybridním či rychlém reaktoru, které jsou určeny především pro výrobu elektřiny.) A konkurence více než zdatná. Rychlejší neutrony by znamenaly výkonnější výrobce štěpného materiálu, a tedy více satelitů. Větší množství satelitů nenutí hybrid vyrábět elektřinu, i když by její výroba pochopitelně přispívala k ekonomice systému. Tato vlastnost hybridů s sebou nese možnost oddělit výrobu paliva a energie, což umožní snadnější ochranu proti zneužití štěpného materiálu. A ani fúze nepřijde zkrátka – objeví se zkušenosti, které se využijí při stavbě čistě fúzních reaktorů.

Pomůže FDS vyřešit Číně do budoucna nedostatek energetických zdrojů?
V roce 1986 popsali čínští vědci koncept Fusion Driven (Hybrid) System (FDS). Čína – nejlidnatější stát světa – hledá pro uspokojení nebývalého nárůstu spotřeby elektrické energie její zdroje doslova kde se dá. Ne náhodou jsou čtyři ze sedmi partnerů projektu ITER asijské státy, pochopitelně včetně Číny. Čína je prvním státem, který uvedl do provozu celosupravodivý tokamak EAST (Experimental Advanced Supraconducting Tokamak); ten zažehl první plazma v roce 2006 v Hefai. Mimochodem, Čína svůj supravodivý program postavila na částečně supravodivém tokamaku HT-7, což byl původně Tokamak T-7, který Moskva nejprve nabídla České republice. Ta však nebyla připravena nabídku přijmout.

Realizace ambiciózního programu FDS, podporovaného Čínskou akademií věd, představuje jednu z možností, jak zajistit elektrickou energii budoucí Číně. Do roku 2050 Čína předpokládá výrobu 1500 elektrických GW, z toho 10 % by měly zajistit jaderné elektrárny. Jak bude vypadat její jaderný mix dokáže málokdo odhadnout již dnes. Budou reaktory štěpné, fúzní nebo hybridní? S konečným návrhem FDS počítá Čína do roku 2010. Experimentální hybrid by měl spatřit světlo světa do roku 2018, komerční FDS do roku 2038.

Šance hybridní jaderné technologie
Multifunkční systém FDS by měl měnit „dlouhodobé“ odpady štěpných elektráren na krátkodobé, vyrábět/plodit tritium pro fúzní část reaktoru, palivo pro štěpné reaktory a energii pro vnějšího spotřebitele. Úkolů více než dost.

Vzhledem k tomu, že na fúzní část hybridu jsou kladeny menší nároky než na čistě fúzní reaktor, přicházejí v úvahu nejen dnešní magnetické standardní reaktory – tokamaky, ale i kulové tokamaky či stelarátory. Jinými slovy, bylo by možné využít jejich výhod oproti tokamakům: menší a tudíž lacinější magnetická pole u kulových tokamaků, stacionární režim bez disrupcí u stelarátorů. Konečně i standardní tokamaky by nemusely řešit extrémní tepelnou zátěž stěn reaktoru – hybrid počítá s 0,1 MW/m2 oproti 5 MW/m2 fúzních reaktorů – a získaly by nám zkušenosti před stavbou velkých čistě fúzních zařízení.

Aktuální stav vývoje
Pokračující stavba tokamaku ITER, úspěšný provoz stávajících tokamaků a spuštění 192 svazků laserového systému NIF vlily čerstvou krev do dalších pokusů navrhnout hybridní jaderný reaktor. Začátkem letošního roku se objevily hned tři.

První se ozvala texaská universita z Austinu, která do Fusion Fission Transmutation System (Fúzně-štěpný transmutační systém – FFTS) zahrnula návrh fúzního zařízení Compact Fusion Neutron Source (CFNS), což má být kompaktní tokamak, vycházející z  britského tokamaku MAST (Megamp Spherical Tokamak) a amerického tokamaku NSTX (National Spherical Tokamak Experiment), vybavený vylepšeným divertorem Super X Divertor (SXD). SXD má oproti divertorům instalovaných na známých tokamacích JET, Tore Supra, JT60 U odolávat větší tepelné zátěži – až pětkrát větší než standardní divertor projektovaný kupříkladu pro ITER. Konec konců je to sen fúzních inženýrů.

Svůj návrh FFTS opřeli o dvě skutečnosti: Za prvé – k energetickému fúznímu reaktoru, to je k zařízení uvolňující jadernou energii pro výrobu elektřiny, je relativně ještě daleko, zatímco fúzní reaktor coby zdroj rychlých neutronů je prakticky „hotov“. Za druhé – nejrozšířenější štěpné reaktory LWR (Light Water Reaktor, tj. reaktor s normální „lehkou“ vodou coby moderátorem a chladivem) pracují s tepelnými neutrony, které nedokáží dlouhodobé biologicky nebezpečné odpady štěpných jaderných reaktorů přeměnit na radioaktivně „bezpečný“ odpad. Zbývají tak dvě možnosti – obrnit se trpělivostí a počkat na nadkritické reaktory IV. generace, nebo podkritický jaderný odpad zpracovat neutrony například z urychlovačů ADS (Accelerator-Driven System). Anebo odpady dlouhodobě uložit. Zejména poslední varianta pochopitelně nevzbuzuje nadšení.

Přednosti CFNS
Podle skupiny z Austinu by CFNS měl být řádově lacinější než ADS a jeho výroba časově méně náročnější než konstrukce štěpných reaktorů IV. generace či dokonce energetického fúzního reaktoru. Vztaženo na 1 MW výkonu, mohl by hybridní reaktor produkovat štěpné palivo daleko rychleji než rychlý plodivý štěpný reaktor. M. Kotschenreuther a spol předpokládají, že řetězec FFTS by v inovovaném cyklu spálil v lehkovodním reaktoru 75 % transuranového odpadu a zbytek transmutoval v hybridním reaktoru s CFNS, takže by zůstalo pouhé 1% původního odpadu! Jejich projekt počítá s výkonem 3000 tepelných megawatů, se stejným výkonem jako jihočeská jaderná elektrárna Temelín.

Prakticky ve stejnou dobu se objevil FDF – Fusion Development Facility/Zařízení pro výzkum fúze – vycházející ze známého tokamaku Doublet DIII-D z laboratoří General Atomic v San Diegu. FDF by měl, na rozdíl od stávajících tokamaků, fungovat nepřetržitě.

Life neznamená jen život
LIFE, čili Laser Inercial Fusion-Fission Energy (Laserová inerciální fúzně-štěpná energie), je myšlenka vědců ze slavné Livermorské LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory – Lawrencova národní laboratoř v Livermoru) v Kalifornii. Jejich návrh hybridního fuzního reaktoru vychází z laserem zapálené fúze, tedy z jejich grandiózního Národního zařízení pro zapálení (fúze) – National Ignition Facility (NIF), které všech svých 192 (!!!) svazků spustilo najednou poprvé 10. března tohoto roku, aby překročilo hranici 1 MJ energie v ultrafialovém světle. Už 5. května 192 svazků ozářilo testovací celu!

K úplné spokojenosti projektantů LIFE chybí „maličkosti“: úspěšné spuštění celého systému NIF, to je robustní fúzní hoření iniciované laserovým systémem. V případě budicího systému s vysokou opakovací frekvencí by v případě LIFE pro frekvenci 10 až 15 výstřelů za sekundu znamenalo použít k buzení laseru místo výbojek zatím drahé diody. Chybí dosud i laciné palivové terčíky, o jejichž vývoj se pokouší General Atomic v San Diegu či Lawrence Livermore National Laboratory. LLNL plánuje Pilot Plant do roku 2020 a Demonstration Power Plant do roku 2030.

Od papíru k realitě
Všechny tři programy počítají s transmutací nezpracovatelných toxických odpadů štěpných jaderných elektráren. Při výpočtech vycházejí z nejrozšířenějších typů lehkovodních reaktorů LWR (Light Water Reaktor) – kromě Číny, která uvažuje o tlakovodních reaktorech PWR (Pressure Water Reactor). Faktem je, že všechno, co tu bylo o hybridech řečeno, jsou zatím návrhy uložené v počítači nebo napsané na papíře. Komu by se však úvahy o hybridním jaderném reaktoru zdály být zcela mimo realitu, ať si uvědomí, že největší tokamak světa stavěný sedmi státy ve francouzské Cadarache je konec konců také hybridní reaktor. V centru, ve výbojové komoře, budou fúzovat jádra deuteria a tritia (izotopů vodíku) a v obalu bude probíhat štěpná reakce lithia odstřelovaného fúzními neutrony tak, aby se rozpadlo na tritium a helium. Tritium se bude vracet do výbojové komory jako palivo.

Všechny návrhy hybridního jaderného reaktoru mají dvě věci společné.

Autoři jsou více či méně zapojeni do výzkumu řízené fúze. Pokud jde o fúzní část návrhu, vycházejí ze zařízení, ke kterému mají blízko: projekt FFTS z tokamaků MAST nebo NSTX, návrh FDS z tokamaku EAST, plán LIFE z laserového systému NIF. Objeví se hybridní systém i na bázi ITER? Na druhé straně neznám žádný návrh hybridního jaderného reaktoru pocházející z dílny štěpných specialistů. Naopak jsem od jednoho z nich slyšel názor: „Není však žádných pochybností, že problém (likvidace odpadu štěpného reaktoru – pozn. autora) je řešitelný a zcela určitě nebude vyžadovat úsilí typu fúze“. Pevně věřím, že to je názor osamělého jednotlivce.

Vše jsou zatím jen návrhy a teprve experiment může posunout celý projekt k realizaci. S experimentálním ověřením počítá čínský FDS a livermorský LIFE – pokud ovšem vynecháme zmíněný ITER.

Užitečné odkazy:
FFTS: http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6V3C-4V75HM8-4&_user=5744597&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_sort=d&view=c&_acct=C000068254&_version=1&_urlVersion=0&_userid=5744597&md5=fc6da3a27eff3f54a6a55305e118e311
FFTS:http://www.geocities.com/rmoir2003/fusFisHyb.htm
CFNS: http://nextbigfuture.com/2009/01/university-of-texas-at-austin-proposes.html
LIFE: http://lasers.llnl.gov/missions/energy_for_the_future/life
FDS: http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6V3C-4GTW8W5-4&_user=5744597&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_sort=d&view=c&_acct=C000068254&_version=1&_urlVersion=0&_userid=5744597&md5=bbaf0b3e277d87e09ad72f1f68449877
FDF: http://www.psfc.mit.edu/~g/spp/WhitePapers/Stambaugh-fdf.txt
FDF: http://www.fusion.ucla.edu/FNST/Renew_Presentations/Thursday/7.%20Leonard-ReNew_FDF_PFC_Talk.pdf

Schéma projektu FFTS využívající kompaktní zdroj fúzních neutronů CFNS

Tokamak CFNS Core = centrální část tokamaku CFNS (Compact Fusion Neutron Source); TF = TF (Toroidal Field) – cívky toroidálního magnetického pole; Neutron Shield = Stínění neutronů; Neutron Reflektor = Odražeč neutronů; Fission Waste& Coolant = štěpný odpad & chladivo; Fusion Core = centrální část reaktoru, kde probíhá termojaderná fúze; Poloidal (Field) Coils (PF) = cívky poloidálního pole; SXD (Super X Divertor) = divertor SXD; n (neutrons) = neutrony

Srovnání velikostí mezinárodního fúzního zařízení ITER a hybridního reaktoru FFTS

HOW Compact is the Compact = Jak kompaktní je Kompakt?; ITER = ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor – Mezinárodní termonukleární experimentální reaktor) nebo latinsky „cesta“; bilion – miliarda;CFNS = Compact Fusion Neutron Source / Kompaktní fúzní zdroj neutronů; Fission Waste and Coolant = štěpný odpad a chladivo; Neutron Shield = Stínění neutronů; Poloidal Coils = Cívky poloidálního magnetického pole; Neutron Reflektor = Odražeč neutronů; TF = TF (Toroidal Field) – cívky toroidálního magnetického pole; 100 MW CFNS Core = centrální část stomegawattového kompaktního fúzního zdroje neutronů, UT – IFS Super X Divertor = Super X Divertor z Texasské university – Ústavu pro studium fúze (University of Texas – Institute for Fusion Studies) - CFNS – Hybrid reaktor = Hybridní reaktor s fuzní částí zvanou Kompaktní fuzní zdroj neutronů

Spalování odpadů štěpných reaktorů systémem využívajícím hybridní reaktor FFTS

LWR: Uranium Oxide Fuel = Lehkovodní reaktor: palivo – oxid uranu; Fission products = produkty štěpení Spent fuel = spotřebované palivo, Reprocess = přepracovaní; Trans uranic = transurany; Cheaper burn 75 % = levnější hoření 75 %; LWR: Inert Matrix Fuel = Lehkovodní reaktor: palivo IMF; No Pu239 = žádné Pu239; Reprocess = přepracovaní; 25 % of transuranic = sludge = 25 % transuranů = „bahno“; Fusion Fisson Hybrid = fúzně štěpný hybridní jaderný reaktor; Reprocess = přepracovaní; Unburned sludge = nespálené „bahno“; Fission products + 1 % sludge = produkty štěpení + 1% „bahna“; Geological Repositury = uložení do země

Hybridní fúzně–štěpný reaktor na bázi Národního zařízení pro zapálení NIF

Flibe coolant outlets = odtok chladiva Flibe (roztavená sůl 2LiF + BeF2); HSI fusion target = fuzní terčík Hot Spot Ignition (zapálení horké tečky); One of the 350-nm compression laser beams = jeden z kompresních svazků laserového světla o vlnové délce 350 nm; Fission blanket – obal se štěpným materiálem; Be neutron multiplier moderátor – beryliový násobič neutronů fungující jako moderátor; Flibe coolant inlet = přívod chladiva; Lithium-lead first wall coolant = chladivo v první stěně (vzhledem k plazmatu) z lithio-olovnaté eutektické slitiny