Poznaj atom

Reaktory wysokotemperaturowe HTR / VHTR

Piątek 06 lipca 2012

Wysokotemperaturowymi (High Temperature Reactor – HTR) nazywa się reaktory chłodzone helem z moderatorem grafitowym, w których temperatura gazu na wyjściu z rdzenia sięga powyżej 700ºC. Prace nad reaktorami energetycznymi tego typu rozpoczęto w latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku. Pierwszą konstrukcją tego typu był eksperymentalny, brytyjski „Dragon”, którego głównym zadaniem było wspomaganie prac nad badaniem paliw dla reaktorów wysokotemperaturowych, w ramach zachodnioeuropejskiego programu rozwoju tych urządzeń. Pierwszy reaktor HTR służący do produkcji energii elektrycznej uruchomiono w amerykańskiej elektrowni Peach Bottom w 1966 r., gdzie pracował przez osiem lat jako przykład zastosowania nowej technologii. Jednak awarie i trudności przy uruchomieniu kolejnego amerykańskiego reaktora wysokotemperaturowego w Fort St. Vrain zniechęciły przemysł i energetykę USA do tego rozwiązania.

Wśród reaktorów HTR można rozróżnić dwie podstawowe konstrukcje rdzeni – rdzeń sztywny oraz rdzeń usypany. Rdzeń sztywny składa się z sześciokątnych bloków grafitowych, szczelnie do siebie przylegających, przez które w pionowych kanałach przepływa chłodziwo oraz w których rozmieszczone są pręty regulacyjne i paliwo w postaci cylindrów także odlanych z grafitu, zawierających granulki węglika uranu.
Interesującym rozwiązaniem jest zaproponowany po raz pierwszy przez Niemcy rdzeń usypany, który tworzą kule grafitowe o średnicy 6 cm, zawierające bardzo małe granulki składające się z mieszaniny tlenku uranu i tlenku toru, bądź węglika uranu i węglika toru, pokryte wielowarstwowo węglikiem krzemu skutecznie zatrzymującym produkty rozszczepienia. Kule w ilości od kilkuset tysięcy do ponad miliona sztuk (w zależności od wielkości rdzenia) wsypane są do cylindrycznego pojemnika grafitowego, stanowiącego jednocześnie reflektor. Przemieszczając się pod wpływem siły ciężkości z góry na dół przez rdzeń, umożliwiają ciągłą wymianę paliwa w czasie pracy reaktora. Przebycie całej drogi przez rdzeń zajmuje jednej kuli około pół roku. Pokonując zawsze ten sam odcinek, każda kula poddawana jest podobnym obciążeniom, którego średnia wartość jest niższa niż maksymalna występująca w rdzeniach sztywnych czy o ustalonym rozmieszczeniu elementów paliwowych. Rdzeń tego konceptu ma bardzo dużą pojemność cieplną – nawet w wyniku awarii nie dochodzi do jego stopienia. Chłodziwo (czynnik roboczy) w przypadku takiego rozwiązania ma temperaturę 900ºC. Stosując (jak miało to miejsce do tej pory) bezpośrednie zasilanie gazem wypływającym z rdzenia układ turbiny gazowej i generatora, uzyskuje się sprawność cieplną wynoszącą 40%, znacznie wyższą od 33% charakterystycznych dla popularnych reaktorów wodnych-ciśnieniowych. Sama prostota budowy rdzenia, bez złożonych konstrukcji kaset paliwowych stanowi o konkurencji ekonomicznej takiego rozwiązania.

Odmianą reaktora wysokotemperaturowego jest VHTR (Very High Temperature Reactor). Założenia konstrukcyjne są podobne jak w przypadku HTR – chłodzenie helem, moderator grafitowy, rdzeń mogący występować w formie sztywnej bądź usypanej. Zasadnicze różnice występują w parametrach pracy. Temperatura chłodziwa na wyjściu rdzenia wynosi 1000ºC, co przy pracy w układzie jedno-obiegowym powoduje, że sprawność takiego rozwiązania może przekraczać 50%.
Wadą rozwiązania jedno-obiegowego jest, jak w każdym tego typu rozwiązaniu, fakt że w przypadku ewentualnego przedostania się produktów rozszczepienia do czynnika chłodzącego, układ turbogeneratora nie jest odseparowany i następuje jego skażenie. Jednocześnie użycie gazu jako chłodziwa oraz małe rozmiary rdzenia powodują, że reaktory HTR/VHTR mogą mieć budowę modułową. Takie moduły energetyczne, składane w całości w fabryce i przewożone na plac budowy, pozwalałyby na stawianie dziesięciokrotnie mniejszych elektrowni, które elastycznie można byłoby dopasowywać do lokalnych potrzeb energetycznych.

W przypadku, gdy chłodziwo gazowe (hel) zastąpi się mieszaniną stopionych soli fluorków (sodu, litu, lub berylu) temperaturę pracy można podnieść powyżej 1000ºC. Kule będące elementami rdzenia usypanego są omywane przez płynną mieszaninę soli, która charakteryzuje się wyższą sprawnością w procesie wytwarzania energii elektrycznej niż gaz. W przypadku awarii, odseparowanie ewentualnych produktów rozszczepienia jest łatwiejsze.

Wydzielanie wysokiej temperatury wraz z generowaniem energii elektrycznej sprawia, że rozwiązania oparte o reaktory HTR i VHTR są atrakcyjnym rozwiązaniem do zastosowań w przemyśle, wszędzie tam gdzie w procesach wytwórczych wymagana jest wysoka temperatura i zapotrzebowanie na energię elektryczną. Przykładem może być nisko emisyjna produkcja wodoru na przykład dla zastosowań w ogniwach paliwowych. W Japonii projektuje się stalownię, w której podstawowym źródłem ciepła i prądu jest reaktor VHTR.

Facebook