Narodowe Centrum Badań Jądrowych w Świerku z lotu ptaka. Foto dzięki uprzejmości NCBJ

Otwock-Świerk – 27 maja 2016

Naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) rozważają budowę nowego reaktora w Świerku.
Podpisany list intencyjny pomiędzy brytyjskim konsorcjum U-Battery a NCBJ otwiera drogę do powstania pierwszego w Polsce badawczego reaktora wysokotemperaturowego (HTGR).

https://www.u-battery.com/  

Umowa jest jednym z owoców dwudniowej wizyty przedstawicieli Ministerstwa Energii w Wielkiej Brytanii.

We wtorek 24 maja 2016 roku Dominic Kieran, dyrektor zarządzający URENCO, przedstawiciel brytyjskiego konsorcjum U-Battery (URENCO, AMEC FW, ATKINS, Cammell-Laird, La-ing O’Rourke) oraz prof. Krzysztof Kurek, dyrektor NCBJ, podpisali list intencyjny o podjęciu przygotowań do budowy w instytucie w Świerku wysokotemperaturowego reaktora chłodzonego gazem (ang. High Temperature Gas Reactor – HTGR).

Technologia ta jest szczególnie obiecująca, ze względu na możliwości wytwarzania ciepła przemysłowego i odporność na wszelkiego rodzaju awarie.

„Kogeneracja jądrowa to proces jednoczesnego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w reaktorach jądrowych, z której mogą korzystać, w sposób dedykowany, duże zakłady przemysłowe” – podkreślił prof. Grzegorz Wrochna, przewodniczący europejskiej Inicjatywy Przemysłowej Kogeneracji Jądrowej (Nuclear Cogeneration Industrial Initiative – NC2I)
„Oznacza to, że reaktory takie mogą mieć niezbyt wielką moc cieplną rzędu kilkuset megawatów, za to dostarczać ciepło przemysłowe o wysokich parametrach. To wystarczy aby np. strategiczne gałęzie przemysłu w Polsce dysponowały własnymi źródłami energii całkowicie uniezależniając się od zewnętrznych dostawców. Takim przykładem może być branża chemiczna lub rafinerie”.

POLATOM, linia jodowa. Foto dzięki uprzejmości NCBJ

Polsko-brytyjska współpraca w rozwoju tej technologii była jednym z tematów rozmów polskich wiceministrów energii: Andrzeja Piotrowskiego i Michała Kurtyki z brytyjskim ministrem energii i zmian klimatu Amber Rudd.

Reaktory wysokotemperaturowe HTGR, dzięki zastosowaniu specjalnego paliwa, w którym uran chroniony jest warstwami węglika krzemu oraz obojętnego chemicznie helu jako chłodziwa, pozwalają bezpiecznie operować znacznie wyższymi temperaturami niż typowe reaktory chłodzone wodą.
To pozwala na uzyskanie doskonałych parametrów ciepła przemysłowego.

Hala reaktora jądrowego MARIA, jedynego czynnego reaktora jądrowego w Polsce. Foto dzięki uprzejmości NCBJ

Odporność paliwa na warunki ekstremalne powoduje, że nawet przy awarii wszystkich systemów bezpieczeństwa i całkowitej utracie chłodziwa, reaktor samoczynnie wychładza się, nie grożąc emisją substancji radioaktywnych do otoczenia.
Dzięki temu, reaktory mogą być budowane w bezpośredniej bliskości innych instalacji przemysłowych i produkować energię elektryczną oraz ciepło znacznie bliżej odbiorcy, nie narażając go na straty przesyłowe.

Centrum Informatyczne w NCBJ Foto dzięki uprzejmości NCBJ

Reaktory HTGR ze względów konstrukcyjnych nie mogą mieć tak dużych mocy, jak reaktory lekkowodne.
Nie nadają się więc do realizacji programu polskiej energetyki jądrowej, zakładającego budowę reaktorów o łącznej mocy elektrycznej 6.000 MW.

Schemat brytyjskiego reaktora podziemnego U-Battery. Dzięki uprzejmości U-Battery

Zastąpienie 4–6 wielkich reaktorów lekkowodnych kilkudziesięcioma reaktorami HTGR byłoby zdecydowanie zbyt kosztowne.
Jednakże zastosowanie ich tam, gdzie prócz energii elektrycznej niezbędne jest ciepło o wysokiej temperaturze, jest ekonomicznie dobrze uzasadnione.

Naukowcy ze Świerku chcą aby do 2025 roku powstał badawczy reaktor wysokotemperaturowy o mocy 10 MWt i elektrycznej 4 MWe.

Stosowane w reaktorach HTGR paliwo TRISO. Dzięki uprzejmości NCBJ

„Prace nad projektowaniem, analizami bezpieczeństwa i budową takiego reaktora pozwoliłyby rozwinąć i utwierdzić w praktyce kompetencje ekspertów NCBJ ważne także dla obecnego programu polskiej energetyki jądrowej. Jednocześnie zaś przygotowałoby nas do wdrożenia w Polsce na skalę przemysłową reaktorów wysokotemperaturowych, dzięki którym energochłonny polski przemysł może zyskać dużą przewagę konkurencyjną. ” – dodał dr hab. Krzysztof Kurek, dyrektor NCBJ.


Budowa reaktorów HTGR


Dwa typy reaktorów HTRG

Wysokotemperatorowe reaktory chłodzone gazem (HTGR - High Temperature Gas cooled Reactor) mają wiele elementów różniących je od najpopularniejszych reaktorów typu PWR i BWR.

Wyróżniamy dwa główne typy reaktorów HTGR:

• z rdzeniem usypanym (pebble bed ) - konstrukcja niemiecka z paliwem w postaci kul grafitowych o średnicy 6 cm,

• pryzmatyczne (prizmatic) - konstrukcja amerykańska z paliwem w postaci kolumn zbudowanych z sześciokątnych bloków grafitowych.


Niemieckie reaktory z rdzeniem usypanym...

Sześciocentymetrowe kule grafitowe zawierające 10-11 tysięcy granulek paliwowych TRISO są od góry umieszczane na stosie wypełniającym reaktor.
Po przejściu przez reaktor są od dołu stosu odbierane, sprawdzane i sortowane - uszkodzone lub wypalone stają się odpadem, a dobre wracają od góry na stos.

W niemieckim kulowym reaktorze HTGR paliwo jest wymieniane w sposób ciągły. Dzięki uprzejmości NCBJ

• Zaletą takiego rozwiązania jest ciągła praca reaktora bez przestojów potrzebnych do przeładunku paliwa,

• Wadą jest uszkadzanie kul podczas przechodzenia przez reaktor i układ zasilania; kule ścierają się produkując radioaktywny pył węglowy, trudny do dekontaminacji.


W reaktorach konstrukcji amerykańskiej...

...granulki paliwowe TRISO są pakowane w grafitowe gilzy umieszczne w pionowych kanałach sześciokątnych graniastosłupowych (prismatic) bloków grafitowych.
Bloki są ustawiane w kolumny tworzące pierścienie wokół pionowej osi reaktora.
Od kształtu używanych bloków reaktory tej konstrukcji nazywamy pryzmatycznymi.

Sześciokątne graniastosłupy bloków paliwa amerykańskiego są ustawiane w kolumny otaczające pierścieniem oś reaktora. Dzięki uprzejmości NCBJ

W reaktorach pryzmatycznych nie jest możliwy ciągły przeładunek paliwa, a kampanie paliwowe (od przeładunku do przeładunku) trwają około 1,5 roku.

W obu typach reaktorów HTGR uzyskuje się głębokie wypalenie paliwa, znacznie większe niż w powszechnie stosowanych reaktorach PWR i BWR:

HTGR - 100 000 MWd/t (lub więcej),
PWR - 45 000 MWd/t,
BWR - 37 000-40 000 MWd/t.

Reaktory kulowe (ze złożem usypanym) osiągają moc do 250 MW, a pryzmatyczne do 600 MW.


Zalety i bezpieczeństwo reaktorów HTGR


Zalety reaktorów HTGR

Charakterystyczne cechy reaktorów gazowych HTGR są jego niewątpliwymi zaletami:

• hel jako chłodziwo - umożliwia podnoszenie temperatury na wylocie z rdzenia, bez 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 - elementy paliwowe, moderator i reflektor, a także materiały konstrukcyjne są wykonane głównie z wysokiej jakości grafitu klasy jądrowej - materiału niepalnego, o dużej pojemności cieplnej,

• wysoka temperatura pracy - pozwala osiągnąć wysoką, dochodząca do 50% konwersję energii cieplnej na elektryczną oraz możliwość zastosowania ciepła jądrowego do procesów wysokotemperaturowych w przemyśle,

• wysokie wypalenie - sięgające 150 - 200 GWd/tHM (ton of heavy metal), osiągane dzięki odporności paliwa na stopienie i grafitu na promieniowanie,

• wysoki współczynnik konwersji paliwa (powielanie paliwa) - uzyskiwany dzięki dobrej gospodarce neutronowej i pracy w cyklu uranowo-torowym,

• powolny rozwój stanów awaryjnych - dzięki dużej pojemności cieplnej struktur rdzenia i małej gęstości mocy,

• samowygaszanie się stanów przejściowych - efekt ujemnego temperaturowego współczynnika reaktywności,

• mała ilość uwalnianych substancji promieniotwórczych - zatrzymywanie ich w paliwie i strukturach rdzenia.

(Na podstawie raportu IEA: Wysokotemperaturowe reaktory VHTR - geneza, badania, status, perspektywy zastosowania - Małgorzata Klisińska)


Reaktory HTGR są bezpieczniejsze od innych

Ich bezpieczeństwo jest pasywne, co oznacza, że naturalne odbieranie ciepła przez otoczenie zgodnie z prawami fizyki, wystarcza do schłodzenia.

Reaktor HTGR pozostawiony sam sobie bez działania żadnych urządzeń mechanicznych i układu chłodzenia, nie stopi się i nie wybuchnie.

Jak wielka to zaleta, świadczy awaria w Fukushimie, gdzie z powodu utraty zasilania przestały działać układy chłodzenia reaktorów BWR.
Doprowadziło to do odparowania wody, przegrzania prętów paliwowych i wytworzenia wodoru w reakcji pary wodnej z cyrkonem.
To właśnie wybuchy wodoru spowodowały zniszczenie budynków reaktorów i emisję szkodliwych substancji do otoczenia.

Reaktory HTGR są bezpieczniejsze od innych, gdyż:

1. Gęstość ich mocy jest niewielka,  mniejsza niż w innych reaktorach:

• HTGR - 5,8 do 6,6 W/cm3

• reaktory lekkowodne (np. PWR, BWR) - 58 do 105 W/cm3

2. Współczynnik temperaturowy jest ujemny, czyli liczba reakcji rozpadu zmniejsza się ze wzrostem temperatury.

3. Grafitowy moderator ma wielką bezwładność cieplną, a rozgrzewając się, coraz szybciej wypromieniowuje ciepło do wnętrza obudowy.
Niemiecki reaktor AVR HTGR, po doświadczalnym wyciągnięciu wszystkich prętów kontrolnych i wyłączeniu układu chłodzenia, stał się bardzo gorący, ale nie uległ awarii.

4. Wytrzymałość mechaniczna grafitu zwiększa się ze wzrostem temperatury.

5. Cztery bariery, chronią przed wydostaniem się substancji promieniotwórczych do otoczenia: pirowęglowe pokrycie granulek, gęsty grafit otaczający paliwo, blok reaktora z betonu sprężonego i obudowa bezpieczeństwa.

6. Chłodzący hel jest gazem szlachetnym nie reagującym z otoczeniem, więc nie ma niebezpieczeństwa takiego, jak w Fukushimie, gdzie wskutek reakcji pary i gorącej wody z cyrkonowymi koszulkami paliwowymi został wyprodukowany wybuchowy wodór.

Naturalne bezpieczeństwo reaktorów HTGR jest bardzo istotne, jeżeli mają być stosowanie jako lokalne źródła ciepła i energii elektrycznej dla instalacji przemysłowych, często w pobliżu dużych skupisk ludności.


Zastosowanie reaktorów HTGR

Zapotrzebowanie rynkowe

Zapotrzebowanie na ciepło, zwłaszcza wysokotemperaturowe, wytwarzane bez uwalniania CO2, jest bardzo duże i stale rośnie, gdyż wprowadzone przez Unię Europejską wysokie opłaty za emisję CO2 grożą zduszeniem polskiej gospodarki, która ponad 90% ciepła uzyskuje ze spalania węgla.

Alternatywą jest gaz, lecz to surowiec bardzo drogi i uzależniający nas od obcych dostawców, zwłaszcza Rosji.

Reaktory HTGR mogą w krótkim czasie stać się efektywnym źródłem ciepła dla przemysłu.

Pozytywne cechy takiego rozwiązania to:

• taniość eksploatacji (niewysokie ceny paliwa i brak opłat za emisję CO2),

• bezpieczeństwo eksploatacji (duża pojemność cieplna, powolny rozwój zagrożeń, samowygaszanie z powodu ujemnego współczynnika temperaturowego),

• uniezależnienie od dostawców zewnętrznych (małe ilości paliwa pozwalają utrzymywać wieloletnie zapasy, a dostawców jest wielu w różnych częściach świata, nie potrzeba rurociągów i nikt nie może zakręcić kurka, zamykającego dopływ ropy lub gazu),

• ochrona środowiska (bardzo mała ilość odpadów radioaktywnych z powodu bardzo głębokiego wypalenia paliwa),

• oczyszczanie środowiska przez wykorzystanie zużytego paliwa z reaktorów lekkowodnych elektrowni jądrowych i plutonu z broni jądrowych.

Dotychczas energia jądrowa była wykorzystywana głównie do wytwarzania energii elektrycznej.
Stosowane tam reaktory lekkowodne PWR i BWR są bardzo kosztowne w znacznej mierze z powodu skomplikowanych i drogich systemów bezpieczeństwa.
Dlatego nie opłaca się budowa małych reaktorów lekkowodnych.

Ciepło nie może być przesyłane na duże odległości i jego wytwarzanie musi być dostosowane do zwykle ograniczonego zapotrzebowania miejscowego.

Naturalne bezpieczeństwo reaktorów HTGR znaczne zmniejsza koszty budowy, gdyż systemy bezpieczeństwa są tańsze niż reaktorów PWR i BWR.
Dzięki temu jest opłacalne budowanie niewielkich reaktorów HTGR, przydatnych do zasilania instalacji przemysłowych.
Niewielkie, bezpieczne reaktory HTGR można umieszczać w bezpośrednim sąsiedztwie zakładów przemysłowych i osiedli ludzkich.

Zakresy temperatur procesów przemysłowych. Dzięki uprzejmości NCBJ

Typowe reaktory lekkowodne (LWR - Light Water Reactors) produkują parę o temperaturze do 300°C, a to - jak pokazuje rysunek - za mało dla wielu procesów przemysłowych.

W większości procesów przemysłowych wystarcza temperatura do 800°C, osiągnięcie której w reaktorach HTGR nie sprawia kłopotów.

Uzyskanie wyższych temperatur jest możliwe, ale powoduje problemy konstrukcyjne i materiałowe; stal nie wytrzymuje takich temperatur i do produkcji wielu elementów trzeba stosować bardzo drogie stopy niklowe i tytanowe.
Czasami można używać elementów ceramicznych.


Produkcja wodoru

Ciepło z reaktorów HTGR można wykorzystać do produkcji wodoru, coraz bardziej potrzebnego w rafineriach i przemyśle chemicznym, a w przyszłości samodzielnego paliwa lub dodatku do innych paliw, np. poprawiającego jakość olejów lub do produkcji paliw syntetycznych z węgla bądź gazu.

Produkcja wodoru w cyklu siarkowo-jodowym. Dzięki uprzejmości NCBJ

Obecnie 95% wodoru produkuje się za pomocą reformingu parowego gazu ziemnego (metanu).

Procesy termo-chemiczne rozkładają wodę metodą wiązania wodoru z wody w związek, z którego może on być łatwo zdysocjowany cieplnie (jak np. wodorek jodu - HI).

Przestudiowano wiele cykli tego typu.
Najbardziej obiecującym jest cykl siarkowo-jodowy (S-I) - opracowany w latach 70-tych przez General Atomics - i na nim skupiają się obecnie prace badawcze.

W cyklu S-I używany jest kwas siarkowy H2SO4 i wodorek jodu HI.
W procesie zachodzi silnie endotermiczna reakcja rozkładu kwasu siarkowego na dwutlenek siarki, wodę i tlen.
Aby proces był efektywny, wymagana jest temperatura przekraczająca 850°C.

Wykorzystując w tym procesie ciepło z reaktora wysokotemperaturowego (800°C), oszczędza się znaczną część gazu.

Osiągnięcie w przyszłości wyższych temperatur w reaktorach HTGR, usprawnienie cyklu siarkowo-jodowego lub elektrolizy wysokotemperaturowej pozwoli całkowicie wyeliminować zużycie gazu i uniknąć emisji CO2.


Synergia przemysłu węglowego i energii jądrowej

W procesie produkcji wodoru z wody uwalniany jest tlen, który może być użyty do spalania węgla w elektrowniach konwencjonalnych, polepszając ich sprawność przez podniesienie temperatury spalania i eliminując powstawanie tlenków azotu, powstających przy spalaniu w powietrzu.

Synergia węglowo-jądrowa. Dzięki uprzejmości NCBJ

Z kolei z dwutlenku węgla z elektrowni węglowej i wodoru produkowanego w pobliskiej instalacji, sprzężonej z reaktorem wysokotemperaturowym, możliwe jest produkowanie płynnych węglowodorów.

Takie rozwiązanie jest szczególnie atrakcyjne dla Polski, mającej wiele elektrowni węglowych.

Potrzebne byłoby stworzenie kombinatów składających się z elektrowni węglowej, instalacji do produkcji wodoru, reaktora HTGR i instalacji chemicznej wytwarzającej paliwa płynne.

Propagatorem tego rozwiązania w Polsce jest prof. Ludwik Pieńkowski.


Źródło: Narodowe Centrum Badań Jądrowych

http://www.ncbj.gov.pl/  



ASTROMAN Magazine - 2016.04.21

The European Council for Nuclear Research (CERN) and Polish NCBJ cooperation agreement extended

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=2055  


ASTROMAN Magazine - 2016.03.09

Prezydent RP Andrzej Duda w Narodowym Centrum Badań Jądrowych

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=2039  


ASTROMAN Magazine - 2014.11.22

Poland's NCBJ thermal-to-14 MeV neutron converter is a sole device of its kind operated in the world

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=1834  


ASTROMAN Magazine - 2014.07.08

Poland's PGE EJ1 has selected AMEC Nuclear UK as Owner's Engineer to support the first Polish Nuclear Power Plant build project 3,000 MWe

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=1752  


ASTROMAN Magazine - 2014.07.05

TOSHIBA and GDF SUEZ Complete NuGen Deal, Europe's Largest New Nuclear Energy Project in Northwest England

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=1747  


ASTROMAN Magazine - 2014.07.01

AMEC wins consultancy contract for UAE nuclear energy programme

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=1750  


ASTROMAN Magazine - 2014.06.15

Prof. Jacek Jagielski: Za 30 lat reaktory jądrowe czwartej generacji będą wytwarzały 85% energii na świecie

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=1734  


ASTROMAN Magazine - 2014.05.23

VI Europejski Kongres Gospodarczy 2014: Bezpieczeństwo i solidarność w energetyce zamiast lansowanej doktryny

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=1717  


ASTROMAN Magazine – 2014.05.15

Elektrownie jądrowe: tanie, bezemisyjne i bezpieczne

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=1712  


ASTROMAN Magazine – 2014.05.01

Prof. Andrzej Strupczewski: Jeżeli nas stać na czystą energię, czyli słońce, wiatr, energia jądrowa - to najtańsza jest energia jądrowa

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=1704  


ASTROMAN Magazine – 2014.04.27

GE's Energy Investing Unit Exceeds $10 Billion Renewable Energy Milestone, Generating Clean Power, Jobs

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=1703  


ASTROMAN Magazine – 2014.02.12

Kajetan Różycki from NCBJ in Poland appointed as Chairman of Nuclear Cogeneration Industrial Initiative - Task Force

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=1652  


ASTROMAN Magazine - 2012.12.01

Polski reaktor jądrowy Maria ratuje światową medycynę nuklearną

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=1358  


ASTROMAN Magazine - 2012.09.22

Professor Agnieszka Zalewska elected President of CERN Council, is the first woman to fill this position

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=1317  


ASTROMAN Magazine - 2012.07.22

Spintronika: Powstał nowy typ tranzystora, owoc polskiej technologii

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=1281  


ASTROMAN Magazine - 2012.07.05

CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=1266  


ASTROMAN Magazine - 2012.05.06

Prof. dr hab. Andrzej Udalski jest członkiem zagranicznym Amerykańskiej Akademii Nauk (U.S. National Academy of Sciences)

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=1235  


ASTROMAN Magazine – 2012.01.24

Profesor dr Jacek M. Żurada Przewodniczącym Komisji Oceny Periodyków IEEE w USA

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=1156  


ASTROMAN Magazine - 2011.09.18

GE Hitachi Nuclear Energy and Fluor Corporation Team Up on Polish Nuclear Power Plant Project

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=1059  


ASTROMAN Magazine - 2011.09.18

World's leading nuclear power companies adopt principles of conduct

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=1058  


ASTROMAN Magazine - 2011.09.08

GE Hitachi Nuclear Energy Expands Workforce Training Collaboration with Poland's University Sector

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=1052  


ASTROMAN Magazine - 2011.03.06

Japońskie Technologie Środowiskowe - międzynarodowa konferencja w Warszawie

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=911  


ASTROMAN Magazine - 2010.07.18

International Nuclear Energy Development of Japan

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=761  


ASTROMAN Magazine - 2010.05.06

Westinghouse and PGE Agree to Partner on Delivering Nuclear Energy Solutions for Poland

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=715  


ASTROMAN Magazine - 2010.03.27

Polacy opracowali nowatorski czujnik wykrywający melaminę

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=686  


ASTROMAN Magazine - 2010.03.06

Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w CERN ponownie w akcji

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=674  


ASTROMAN Magazine - 2010.02.08

Polscy naukowcy modernizują akceleratory w CERN

http://www.astroman.com.pl/index.php?mod=magazine&a=read&id=660