211service.com
Zaawansowany reaktor zbliża się do rzeczywistości
Terrapower, startup ufundowany częściowo przez Nathana Myhrvolda i Billa Gatesa, zbliża się do budowy nowego typu reaktora jądrowego zwanego reaktorem z falą biegnącą, który działa na obfitej formie uranu. Firma widzi w nim możliwą alternatywę dla reaktorów termojądrowych, które są również cenione za potencjał wytwarzania energii z niemal niewyczerpanego źródła paliwa.
Wymarzona roślina: Niedawny projekt reaktora jądrowego znanego jako reaktor z falą biegnącą wygląda podobnie do niektórych konwencjonalnych konstrukcji jądrowych, ale sposób jego działania jest zupełnie inny.
Prace nad projektem reaktora Terrapower rozpoczęły się w 2006 roku. Od tego czasu firma zmieniła swój pierwotny projekt, aby reaktor wyglądał bardziej jak konwencjonalny. Zmiany ułatwiłyby zaprojektowanie i zbudowanie reaktora. Firma obliczyła również dokładne wymiary i parametry wydajności reaktora. Terrapower spodziewa się rozpocząć budowę 500-megawatowej elektrowni demonstracyjnej w 2016 r. i uruchomić ją w 2020 r. Współpracuje z konsorcjum krajowych laboratoriów, uniwersytetów i korporacji, aby przezwyciężyć główne wyzwanie techniczne nowego reaktora: opracowanie nowych materiałów, które mogą wytrzymują użytkowanie w rdzeniu reaktora przez dziesięciolecia. Musi jeszcze zabezpieczyć teren pod eksperymentalną elektrownię – ani fundusze na jej budowę.
Reaktor został zaprojektowany tak, aby był bezpieczniejszy niż konwencjonalne reaktory jądrowe, ponieważ nie wymaga elektryczności do uruchomienia systemów chłodzenia, aby zapobiec stopieniu. Ale nowy reaktor nie rozwiązuje prawdopodobnie największego problemu, z jakim boryka się dziś energia jądrowa: wysokich kosztów ich budowy. John Gilleland, dyrektor generalny Terrapower, mówi, że firma spodziewa się, że budowa reaktorów będzie kosztować mniej więcej tyle, co konwencjonalnych, ale jury nadal nie jest w tym zajęte.
Konwencjonalne reaktory wytwarzają ciepło i elektryczność w wyniku rozszczepienia rzadkiej postaci uranu — uranu 235. W reaktorze z falą biegnącą niewielka ilość uranu 235 jest używana do uruchomienia reaktora. Neutrony, które wytwarza reaktor, przekształcają znacznie liczniejszy uran 238 w pluton 239, materiał rozszczepialny, który może generować ciepło potrzebne do produkcji energii jądrowej. Uran 238 jest łatwo dostępny po części dlatego, że jest produktem odpadowym procesów wzbogacania wykorzystywanych do produkcji konwencjonalnego paliwa jądrowego. W przyszłości może być również opłacalne wydobycie uranu 238 z wody morskiej, jeśli zapotrzebowanie na paliwo jądrowe będzie wysokie. Terrapower twierdzi, że jest wystarczająco dużo tego paliwa, aby zaopatrywać świat w energię przez milion lat, nawet jeśli wszyscy mieliby zużywać tyle energii, ile robią ludzie w Stanach Zjednoczonych.
W oryginalnym projekcie Terrapower rdzeń reaktora był wypełniony dużą ilością uranu 238. Proces jego przekształcania rozpoczyna się na jednym końcu, w wyniku czego powstaje pluton, który jest natychmiast rozdzielany w celu wytworzenia ciepła i przekształcenia większej ilości uranu w pluton. Reakcja przesuwa się z jednego końca na drugi — w fali wędrującej — aż do momentu, gdy nie mogą wystąpić żadne inne reakcje.
W nowym projekcie wszystkie reakcje zachodzą w pobliżu środka reaktora, zamiast zaczynać się na jednym końcu i przechodzić na drugi. Na początek pręty paliwowe z uranu 235 są umieszczone pośrodku reaktora. Wokół tych pręcików znajdują się pręciki zbudowane z uranu 238. W miarę postępu reakcji jądrowych pręciki uranowe 238 znajdujące się najbliżej rdzenia jako pierwsze przekształcają się w pluton, który jest następnie wykorzystywany w reakcjach rozszczepienia, które wytwarzają jeszcze więcej plutonu w pobliskim paliwie pręty. Gdy najbardziej wewnętrzne pręty paliwowe są zużyte, są one wyjmowane ze środka za pomocą zdalnie sterowanego urządzenia mechanicznego i przenoszone na obrzeże reaktora. Pozostałe pręty uranu 238 – w tym te, które znajdowały się wystarczająco blisko środka, aby część uranu została przekształcona w pluton – są następnie tasowane w kierunku środka, aby zająć miejsce zużytego paliwa.
W tym systemie ciepło jest zawsze generowane w mniej więcej tym samym obszarze rdzenia reaktora – w pobliżu środka. W rezultacie łatwiej jest zaprojektować systemy do pozyskiwania i wykorzystywania ciepła do wytwarzania energii elektrycznej.
Jednym z wyzwań związanych z tym projektem jest zapewnienie, że stalowa okładzina zawierająca paliwo w prętach paliwowych może przetrwać dziesiątki lat narażenia na promieniowanie. Obecne materiały nie są wystarczająco dobre: po pierwsze zaczynają pęcznieć, co zamyka przestrzenie między prętami paliwowymi, przez które ma przepływać chłodziwo. Aby wytrzymać 40 lat, materiały musiałyby być dwa do trzech razy trwalsze, mówi Terrapower.
Firma wykorzystuje modele komputerowe do przewidywania zmian dostępnych obecnie materiałów w czasie i opracowuje projekty reaktorów, które przewidują te zmiany. Na przykład, jeśli wiadomo, że materiał pęcznieje w warunkach wewnątrz reaktora, przestrzenie między prętami paliwowymi zostałyby zaprojektowane tak, aby pomieścić to pęcznienie, mówi Doug Adkisson, dyrektor operacyjny w Terrapower.
Terrapower opracował również projekty pasywnego systemu chłodzenia. Podobnie jak wiele innych zaawansowanych konstrukcji reaktorów, Terrapower wykorzystuje jako chłodziwo stopiony metaliczny sód. Sód gotuje się znacznie dłużej niż woda, co daje operatorom zakładów więcej czasu na reakcję w razie wypadku. Możliwe byłoby również zastosowanie naturalnej konwekcji i chłodzenia powietrzem w przypadku awarii zasilania – płyn chłodzący nie musiałby być stale pompowany do reaktora, jak miało to miejsce w Fukushimie. Jednym z niebezpieczeństw związanych z używaniem sodu jest jednak to, że reaguje on gwałtownie, gdy jest wystawiony na działanie powietrza lub wody.
Kolejne kroki Terrapower obejmują finalizację projektu i znalezienie partnerów do budowy elektrowni. Prowadzi rozmowy z organizacjami w Chinach, Rosji i Indiach. Gilleland mówi, że firma spodziewa się ogłoszenia o partnerach w ciągu najbliższych kilku miesięcy.