Přečtěte si:  Publikace Elektromobilita v praxi: Jak se zorientovat na poli elektromobility

Palivo pro jaderné elektrárny: uhlí ani plyn vylepšit nejdou, jaderné palivo se zdokonaluje neustále

21.8.2019 Jen za poslední rok by, alespoň podle titulků v novinách, mohl nezasvěcený čtenář získat dojem, že české jaderné elektrárny neustále mění palivo: Temelín zavezl modifikované ruské palivo řady TVSA-T. Temelín testuje alternativní palivo LTA. Dukovany přejdou na modernizované palivo PK3+. Proces zavádění nového jaderného paliva je ale vždy během na dlouhou trať. Situaci uvádí na pravou míru v srpnu 2019 Česká nukleární společnost.

Nejprve obecně o jaderném palivu

Nejdůležitější složkou jaderného paliva je štěpný materiál v podobě izotopů uranu nebo plutonia. V přírodě se nachází izotop ²³⁵U. Izotopy ²³⁹Pu a ²³³U vznikají radiačním záchytem neutronu na izotop uranu ²³⁸U, respektive izotop thoria ²³²Th. Při štěpení se uvolňuje velké množství využitelné tepelné energie.

Nejrozšířenější podoba jaderného paliva je keramická peleta (či tableta) oxidu uraničitého UO₂. Podoba keramických pelet je u většiny reaktorů velmi podobná. Jak název napovídá, peleta připomíná velké tablety o průměru 1 – 2 cm a tloušťce o něco více než 1 cm. Tento typ paliva se používá i v českých jaderných elektrárnách využívajících tlakovodní reaktory (blíže k principu fungování a typům jaderných elektráren viz v nápovědě k článkům zde). Palivem je zde nízko obohacený uran, tj. do 5 % izotopu ²³⁵U.

Pelety jsou uloženy v hermeticky uzavřené trubce nazývané palivový proutek. Svazek palivových proutků tvoří palivovou kazetu (též „palivový soubor“). Například u tlakovodního reaktoru typu VVER 1000 používaného v Temelíně se v šestibokých palivových kazetách vkládá do reaktoru přes 47 tisíc proutků, v každé kazetě je jich 317.

Palivo pro Dukovany

Nejnověji proběhla médii zpráva o připravovaném přechodu Jaderné elektrárny Dukovany na palivo třetí generace PK3+ od ruského výrobce TVEL. Oproti v současnosti využívanému palivu s označením Gd-2M+ má modifikovanou obálku palivového souboru a jeho konstrukce umožňuje větší rozestupy mezi palivovými proutky. Výrobce díky těmto úpravám slibuje zlepšení poměru vody a uranu v aktivní zóně, což umožní palivu strávit v reaktoru delší dobu. Než ale Dukovany na nové palivo skutečně přejdou, bude to ještě minimálně tři roky trvat.

Zatímco v Rusku již má obdobné palivo za sebou několik let zkušebního provozu v reaktoru Kolské jaderné elektrárny, v Česku bude v souladu s Atomovým zákonem potřebovat povolení od státního úřadu pro jadernou bezpečnost (SÚJB). Tomu ovšem předchází vývojový program a poměrně složitý licenční proces založený na výsledcích komplexního testování paliva a předložení značně rozsáhlé a podrobné dokumentace. Výrobce mimo jiné dodá i maketu paliva (místo štěpného uranu obsahuje olovo, jinak je naprosto shodná s originálním souborem) pro provedení nezávislých hydraulických zkoušek.

Zároveň TVEL poskytne provozní data z ruské elektrárny, aby odborníci mohli připravit vlastní počítačové simulace a analýzy modelující reálný provoz v Dukovanech. Až následně pak určité množství palivových souborů poputuje do ostrého režimu v reaktoru, kde bude dál sledována. I pak ale zůstane pod bedlivým dozorem úřadu. Některé technické problémy se totiž v palivu mohou objevit až po několika letech v podmínkách reaktoru.

Manipulace s palivovým souborem řady TVSA-T ve skladu čerstvého paliva elektrárny Temelín – vlevo zásobníky na čerstvé palivo, vpravo přepravní kontejnery

V Temelíně testují Rusové i Westinghouse

Podobným nelehkým procesem prochází v Česku i alternativní palivo LTA pro temelínské reaktory vyrobené ve švédském závodě společnosti Westinghouse. Ráda by jej totiž přihlásila do chystaného tendru na dodavatele paliva pro Jadernou elektrárnu Temelín. Tam ji v roce 2010 vystřídal v roli dodavatele ruský TVEL (viz ilustrační obrázek ukazující manipulaci s palivovým souborem řady TVSA-T ve skladu čerstvého paliva elektrárny Temelín – vlevo zásobníky na čerstvé palivo, vpravo přepravní kontejnery). Na možnosti ověřit chování s  LTA přímo v temelínských reaktorech se švédský Westinghouse dohodl s provozovatelem elektrárny společností ČEZ již v roce 2016. Následně byla dodána maketa palivového souboru do Česka k testování v plzeňské Škoda JS. Na vývojovém programu LTA se podílela také ÚJV Řež, jejíž odborníci mimo jiné připravovali výpočetní model termomechanického chování paliva v podmínkách abnormálního provozu a projektových havárií. Licenční řízení trvalo téměř tři roky a teprve letos na jaře pak bylo prvních šest souborů v rámci pravidelné výměny části paliva zavezeno do reaktoru prvního bloku.

Zároveň v Temelíně probíhá provoz s modernizovaným ruským palivem TVSA-T mod.2. Loni v srpnu bylo při výměně paliva z celkem 163 souborů zavezeno 48 nových – s mírně odlišným tvarem tablet a vyšším počtem distančních a mísicích mřížek, celkově s vyztuženou konstrukcí. Od této modifikace ČEZ očekává zvýšení množství uranu v aktivní zóně a zlepšení mechanického chování palivových souborů a proutků. I tuto modifikaci jako u každého systému jaderné elektrárny s vlivem na jadernou bezpečnost musel nejprve schválit státní jaderný dozor.

Není palivo jako palivo

Jak patrno z úvodu, jaderné palivo není pouhé „topivo do kotle“. Jedná se o vysoce sofistikovaný produkt, který lze v návaznosti na provozní zkušenosti a nové požadavky různými úpravami neustále vylepšovat. Na rozdíl od uhlí či plynu, které mají jen vyšší či nižší výhřevnost či obsah příměsí, hrají u jaderného paliva svou roli použité materiály, výrobní postupy i „architektura“ palivového proutku a souboru. Proto se také palivo do jaderných elektráren neustále vyvíjí – aby déle vydrželo v reaktoru bez poškození, aby bylo bezpečnější a spolehlivější, aby z něj bylo možné získat více energie apod.

Možnosti inovací u jaderného paliva zahrnují zejména následující oblasti:

•    konstrukce palivové kazety (souboru),

•    konstrukční materiály palivové kazety (souboru),

•    materiál pokrytí palivových proutků,

•    chemické složení, tvar a způsob výroby pelety (palivové tablety),

•    celkové množství uranu v proutku,

•    míra obohacení paliva.

Dukovany používají ruské palivo od svého spuštění v roce 1985 a s velkou pravděpodobností u něj zůstanou až do ukončení svého provozu. Po většinu času jejich provozu bylo Rusko pro reaktory typu VVER 440, které se v 70. a 80. letech stavěly hlavně v zemích pod vlivem Sovětského svazu, jediným dodavatelem paliva na světě. Letos ale americký Westinghouse oznámil, že je připravený obnovit výrobu paliva pro tyto reaktory, které už v první dekádě 21. století dodával do Finska. Možnost diverzifikace dodavatelů jaderného paliva pro evropské reaktory VVER 440 podporoval projekt ESSANUF evropské agentury Euratom, který Westinghouse v letech 2014 – 2018 vedl. Již několik let také dodává palivo do ukrajinských elektráren typu VVER 1000 (stejný typ reaktoru používá Temelín).

Česká nukleární společnost, redakčně upraveno a rozšířeno

Foto © Česká nukleární společnost

Další informace zde

Další důležité informace o jaderné energetice (v angličtině) – viz stránky Světové jaderné asociace (World Nuclear Association) zde

Přečtěte si také:

Projekt NuScale: přiblížení ke komercializaci malého reaktoru na světových trzích díky jihokorejskému partnerovi

16.8.2019 Jedním z úspěšně postupujících projektů tzv. malých reaktorů je americký projekt NuScale. V červenci 2019 se tento projekt významně přiblížil komercializaci díky dohodě projektové organizace NuScale Power s jihokorejskou průmyslovou společností  Doosan Heavy Industries & Construction (DHIC) z průmyslové skupiny Doosan. 

Micro Modular Reactor: „kapesní“ malý modulární reaktor v přípravě na pilotní provoz

1.8.2019 Malé reaktory představují spolu s reaktory IV. generace (o generacích jaderných reaktorů viz v naší „nápovědě“) důležitý směr v technickém rozvoji současné jaderné, a tedy bezuhlíkové, energetiky. Vedle „typických“ malých reaktorů s elektrickým výkonem zpravidla v desítkách megawattů přichází nyní na scénu mikroreaktor, rovněž v modulární sestavě, ale o nižším výkonovém rozmezí. Představitelem je americko-kanadský projekt Micro Modular Reactor (MMR), s nímž byla odborná veřejnost seznámena v červenci 2019 v souvislosti se zahájením jeho environmentálního posouzení od kanadské vlády. 

SSR společnosti Moltex: další reaktor IV. generace v přípravě

9.7.2019 Reaktory IV. generace. představují důležitý směr ve vývoji jaderné energetiky, a tedy v opatřeních proti klimatickým změnám. Jako takové mají vládní podporu v zemích provozujících jadernou energetiku ve velkém. Nejinak je tomu v USA, kde zkraje července 2019 získala společnost Moltex Energy USA LLC (Moltex) vládní dotaci 2,55 mil. dolarů (přes 57 mil. Kč) na vývoj technologií, které umožní zkrátit vybudování elektrárny užívající reaktor se stabilní solí (stable salt reactor – SSR) do tří let. 

Think Atom: Jaderná energie představuje systémově nejefektivnější cestu k dekarbonizaci

13.5.2019 Potřeba zmírnit klimatické změny se stává stále naléhavější pro celý svět. V oblasti energetiky toho nepůjde dosáhnout bez systémového přístupu, uvažujícího energetické zdroje v širokých souvislostech – nejen tedy vlastní výrobu elektřiny. V tomto kontextu má velký význam využívání jaderné energie jako součásti energetického mixu. Zaznělo to mj. na konferenci Atomexpo v Soči, konané v dubnu 2019, z prezentace neziskové organizace Think Atom, zaměřené na osvětu v oblasti jaderné energie. Z této prezentace dále vyjímáme některé zajímavé poznatky.

Reactor Database: vše o jaderné energetice ve světě na jednom místě

18.3.2019 Jaderná energie představuje bezemisní a zároveň stabilní zdroj elektřiny, s nímž se i do budoucna počítá jako s důležitým prvkem při zmírnění globálních klimatických změn. Pro všechny, které se o jadernou energetiku zajímají profesionálně či jen tak ze zájmu, funguje už od roku 2016 internetová databáze reaktorů, Reactor Database. 

Reaktoru EPR generace III+ ve finské elektrárně Olkiluoto 3 byla udělena licence pro provoz

13.3.2019 Reaktor typu EPR, který patří k tzv. reaktorům generace III+ a je umístěn ve třetím bloku elektrárny Olkiluoto (viz foto) finské energetické společnosti Teollisuuden Voima Oyj (TVO), zaznamenal na začátku března 2019 rozhodující milník: byla mu udělena státní licence pro provoz. EPR s elektrickým výkonem 1600 MWe je tlakovodní reaktor vyvinutý ve spolupráci Areva NP, EDF a Siemens AG. U tohoto reaktoru je kladen důraz na účinná a jednoduchá bezpečnostní opatření a vysoký výkon. 

Energy Outlook: během 20 let stoupne spotřeba elektřiny o třetinu, jaderné zdroje budou stále potřeba

11.3.2019 Tradiční Energy Outlook, výhled budoucího vývoje energetiky do roku 2040, publikovaný společností BP a v únoru 2019 prezentovaný Českou nukleární společností, opět rozčeřil debatu o možnosti lidstva uspokojit stoupající poptávku po energiích a přitom si nezničit planetu. Podle BP i v budoucnu zůstane role jaderné energie významná. Pokud by byla snaha skutečně protlačit ambiciózní cíle na snižování emisí, pak bude jeho přínos o to důležitější. 

Bezpečnost malého reaktoru NuScale podpoří displeje s technologií FPGA

19.2.2019 Jedním z perspektivních projektů tzv. malých reaktorů patří americký projekt NuScale od dodavatele NuScale Power. S jeho prvním využitím v provozu se počítá v roce 2023 a na jeho technickém zdokonalování a zlepšování ekonomiky provozu se stále pracuje. Jedním z takových zlepšení, o němž byla odborná veřejnost informována v lednu 2019, jsou řídicí displeje využívající technologii FPGA. Jde o vůbec první využití této technologie v americké jaderné energetice. 

Jaderné energetice se ve světě daří: devět nových jaderných bloků v roce 2018, dalších čtrnáct se očekává

10.1.2019 V roce 2018 se ve světě připojilo k přenosovým sítím hned devět nových jaderných bloků o celkovém výkonu 10 400 MW. Další čtyři bloky v tomto roce zahájily výstavbu, naopak definitivně odpojeny byly tři. Světová jaderná asociace WNA očekává, že by v roce 2019 mohlo být zprovozněno čtrnáct nových reaktorů, včetně tří evropských. Začátkem roku 2019 o tom informovala Česká nukleární společnost. 

Jadernou energii v boji proti klimatickým změnám doporučují američtí vědci, OSN i Evropská komise

21.12.2018 V souvislosti s bojem proti klimatickým změnám se v odborných diskusích stále častěji objevuje také jaderná energie. Ukazuje se totiž, že bez tohoto stabilního nízkoemisního zdroje, schopného dodávat velké množství energie kdykoliv bez ohledu na počasí, bude splnění závazků omezit zvyšování globální teploty nad dohodnutý rámec prakticky nemožné. Z této odborné diskuse vedené na mezinárodní úrovni upozornila v prosinci 2018 Česká nukleární společnost na tři zajímavé příspěvky. 

Jaderná energetika je a bude důležitou součástí českého energetického mixu

27.11.2018 Jaderné elektrárny v ČR dnes vyrábějí téměř třetinu elektrické energie. Jsou tedy největšími bezemisními zdroji elektřiny v ČR a s jejich podporou a rozvojem se proto počítá i do budoucna. Vyplynulo to i z prohlášení ministryně průmyslu a obchodu ČR na semináři Občanské bezpečnostní komise Dukovany koncem listopadu 2018. 

Pomohou malé reaktory při výrobě jaderného paliva? MAAE zkoumá netradiční metody kvůli snižování energetické náročnosti

25.9.2018 Malý reaktor poskytuje potřebnou energii pro zpracování měděné rudy. Při něm se jako vedlejší produkt oddělí uran. Ten po obohacení a zpracování do paliva putuje zpět do malého reaktoru. Kruh se uzavřel. Tak nějak vypadá budoucnost podle Mezinárodní agentury pro atomovou energii. Reaguje tím na globální fenomén snižování energetické náročnosti. Hlavní slovo by v této vizi měly dostat vysokoteplotní reaktory. Českou odbornou veřejnost o tomto konceptu informovala v září 2018 Česká nukleární společnost (ČNS). 

Projekt Terrestrial Energy: budou reaktory chlazené solí vyrábět vodík?

13.9.2018 Jak uvádějí zahraniční zdroje i český ÚJV Řež, celosvětově se dnes většina vodíku (cca 95 %) vyrábí s fosilních paliv. Všechny tyto procesy jsou doprovázeny výraznými emisemi oxidu uhličitého, což je mj. výzvou pro palivočlánkovou elektromobilitu. S rozvojem vysokoteplotních reaktorů IV. generace se nabízí otázka, zda by jej nešlo vyrábět efektivněji a ekologičtěji právě v těchto reaktorech. Odpověď by měl přinést dvouletý projekt společnosti Terrestrial Energy ve spolupráci s americkou energetikou Southern Company a laboratořemi amerického Ministerstva energetiky (DoE), o němž byla odborná veřejnost informována na začátku září 2018. 

Nápověda k článkům 1

Víte, jak funguje jaderná elektrárna?

15.2.2013 Pro porozumění základnímu principu fungování jaderné elektrárny si nejprve stručně ukážeme, jak probíhá výroba elektřiny v uhelné elektrárně:

Spalováním rozdrceného uhlí v kotli vzniká teplo, které ohřívá vodu a ta se mění na páru o teplotě až 500 stupňů Celsia. Tato pára roztáčí lopatky turbíny. Turbína pohání generátor vyrábějící elektrickou energii, která je dodávána do přenosové sítě. Pára z turbíny prochází přes kondenzátor, kde se vysráží; část putuje zpět a část do chladicích věží, kde se odpaří.

Nahraďme nyní teplo spalovaného uhlí jiným teplem – teplem ze štěpné jaderné reakce. 

Copyright © 2012 – 2024 Ing. Jakub Slavík, MBA – Consulting Services