Reaktor wysokotemperaturowy (HTR)
W reaktorze wysokotemperaturowym bywa naprawdę gorąco: podczas, gdy w reaktorach lekkowodnych panują temperatury około 350 oC, temperatura w reaktorze wysokotemperaturowym może osiągnąć wartość dwukrotnie wyższą! Reaktory wysokotemperaturowe, jako reaktory z moderatorem grafitowym chłodzone gazem, wywodzą się z pierwszych reaktorów MAGNOX, chłodzonych dwutlenkiem węgla lub powietrzem, w których paliwem był nie wzbogacony uran w postaci metalicznej.
Historia reaktorów wysokotemperaturowych chłodzonych helem, z elementami paliwowymi w postaci kul grafitowych zawierających wtopione, malutkie (~1 mm), powlekane warstwami materiału ceramicznego, cząstki paliwowe sięga roku 1950, kiedy dr Rudolf Schulten rozpoczął prace nad koncepcją reaktora – PBR (Pebble Bed Reactor). Pierwsze reaktory HTR chłodzone helem to brytyjski Dragon (1964 – 1975), amerykańskie reaktory Peach Bottom (1967 –1974, 40 MWe) i Fort St. Vrain (1976 – 1989, 330 MWe), niemieckie AVR (1967 – 1988, 15 MWe) i THTR (1983 – 1989, 300 MWe).
Cechy charakterystyczne
Najbardziej charakterystyczne cechy reaktorów gazowych HTR są najczęściej jego niewątpliwymi zaletami. Tworzą one długą listę:
✓ hel jako chłodziwo – umożliwia podnoszenie temperatury na wylocie z rdzenia, bez potrzeby zwiększania ciśnienia, a ograniczenie temperatury wynika z odporności materiału paliwa i konstrukcji. Hel jest nieaktywny chemicznie i obojętny dla gospodarki neutronowej rdzenia,
✓ w pełni ceramiczny rdzeń – zarówno elementy paliwowe, jak i moderator oraz reflektor, a także materiały konstrukcyjne są wykonane głównie z wysokiej jakości grafitu klasy jądrowej – materiału niepalnego, o dużej pojemności cieplnej,
✓ wysoka temperatura pracy – wysoka, dochodząca do 50%, sprawność konwersji energii cieplnej na elektryczną oraz możliwość zastosowania ciepła jądrowego do procesów wysokotemperaturowych,
✓ samowygaszanie się stanów przejściowych,
✓ mała ilość uwalnianych substancji promieniotwórczych – zatrzymywanie ich w paliwie i strukturach rdzenia.
Właściwości bardzo-wysokotemperaturowych reaktorów (Very High Temperature Reactors – VHTR), chłodzonych ciekłymi solami to jeszcze wyższa temperatura pracy niż przy chłodziwie helowym i dzięki temu uzyskiwanie wyższej sprawności zarówno przy wytwarzaniu energii elektrycznej, jak i produkcji wodoru.
Zastosowanie
Zapotrzebowanie na ciepło, a w szczególności na ciepło wysokotemperaturowe do zastosowań przemysłowych, np. w przemyśle chemicznym, wytwarzane bez uwalniania CO2, jest obecnie bardzo duże i stale rośnie. Reaktory HTR bardzo dobrze i w sposób konkurencyjny spełniają te wymagania, i mogłyby zaspokajać zapotrzebowania rynku w miarę własnego rozwoju.
Paliwo TRISO
Jako wzorcowe paliwo reaktorów wysokotemperaturowych HTR, w 1980 roku, zostało wybrane, z uwagi na nieproliferację, nisko wzbogacone (~10%) paliwo TRISO (TRIstructural ISOtropic). Ma ono postać malutkich kulek – cząstek paliwowych – składających się z jądra z materiału rozszczepialnego, ewentualnie z dodatkiem materiału paliworodnego – toru, o średnicy około 0,5 mm, pokrytego wielowarstwową osłoną ceramiczną składającą się z czterech powłok: buforowej z porowatego węgla pirolitycznego, wewnętrznej z węgla pirolitycznego, osłonowej z węglika krzemu lub węglika cyrkonu i zewnętrznej z węgla pirolitycznego.
Pierwsza warstwa buforowa ma za zadanie gromadzenie gazowych produktów rozszczepienia. Bardzo ważną rolę zatrzymywania produktów rozszczepienia ma twarda warstwa osłonowa (z SiC lub ZrC) pełniąca rolę koszulki. Cząstki paliwowe wtopione są w matryce grafitowe – kuliste lub w postaci bloków prostopadłościennych albo cylindrycznych (patrz rysunki poniżej).
Paliwo kulowe zostało zaprojektowane w Niemczech, natomiast blokowe w Stanach Zjednoczonych. Istnienie warstw ceramicznych powoduje, że paliwo jest bardzo odporne na działanie wysokiej temperatury. Badania wykazały, że cząstki paliwowe nie ulegają uszkodzeniom i nie wyzwalają się z nich produkty rozszczepienia aż do temperatury 1600 ºC. Z powodu wysokiej twardości i odporności chemicznej trudne jest także wydobywanie produktów rozszczepienia z wypalonego paliwa, co jest korzystne z punktu widzenia nieproliferacji.
Chłodziwo
Hel
Chłodziwem obecnie pracujących i planowanych reaktorów HTR jest hel. Hel może być stosowany przy wysokich temperaturach bez potrzeby zwiększania ciśnienia i bez ryzyka zaplenia się. Za pomocą helu można uzyskać wysoką sprawność przejmowania energii cieplnej. Posiada on stosunkowo korzystne, jak na gaz, parametry cieplne: duże ciepło właściwe i współczynnik przewodzenia ciepła.
Hel jest jednoatomowym, nietoksycznym gazem, który nie aktywuje się i nie wpływa na przebieg reakcji rozszczepienia w rdzeniu oraz jest nieaktywny chemicznie, a więc nie wchodzi w reakcje z materiałami w reaktorze. Jest też stosunkowo łatwo dostępny. Otrzymuje się go głównie z gazu ziemnego. Hel wychodzący z reaktora może być używany bezpośrednio do napędzania turbiny.
Stopione sole
Rzadziej braną pod uwagę koncepcją jest reaktor wysokotemperaturowy chłodzony stopionymi solami LS-VHTR (Liquid-Salt-cooled Very High Temperature Reactor). Najczęściej jako chłodziwo pierwotne brane są pod uwagę fluorki. Stopiona sól przepływałaby przez rdzeń kanałami wywierconymi w prostopadłościennych blokach grafitowych. Stopione sole, podobnie jak hel, umożliwiają pracę w bardzo wysokich temperaturach. Ponieważ większość rozpatrywanych soli ma temperaturę wrzenia ponad 1400 ºC i może być stosowana przy niskim ciśnieniu, są to warunki dogodne do współpracy z instalacjami do produkcji wodoru, pozwalające uzyskać lepszą sprawność wytwarzania energii elektrycznej niż reaktory VHTR chłodzone helem, pracujące w podobnych warunkach.