Má hořet půl století jako františek.
Jaký reaktor si přeje Bill Gates

Společnost TerraPower, v jejíž správní radě sedí zakladatel Microsoftu, se konečně přiblížila možnosti stavby reaktoru, který stačí „naložit“ jen jednou, aby hořel padesát let.

Zakladatel Microsoftu v roce 2006 pomohl zakládat společnost TerraPower, která vyvíjí jaderné reaktory, a od té doby v ní působí jako předseda správní rady. TerraPower se dnes cítí dostatečně silná, aby své výsledky poslala z laboratoře do světa.

Na podzim roku 2017 podepsala smlouvu s čínskou China National Nuclear Corp na stavbu prvního experimentálního prototypu svého zařízení. Stavba by měla podle dostupných informací začít v průběhu příštího roku. Reaktor s plánovaným tepelným výkonem 600 MW by měl být hotov snad někdy v polovině příští dekády.

Schéma reaktoru TWR-P s tepelným výkonem 600 MW,
který by TerraPower měla postavit ve spolupráci s čínskou CNNC

Návrh TerraPower patří mezi návrhy tzv. IV. generace reaktorů, které mají proti stávajícím typům mít celou řadu lepších charakteristik. Mohou využívat levnější a dostupnější palivo, být bezpečnější, vytvářet méně odpadu, dokonce si částečně vyrábět palivo. A samozřejmě by měly být také levnější - což je ale upřímně řečeno jeden z těch slibů, jehož splnění by všichni viděli asi nejraději.

Laboratoř společnosti TerraPower v Bellevue ve státě Washington

TerraPower se drží konkrétně nápadu „odkoukaného“ v bývalém SSSR. Jde o tzv. reaktor s postupnou vlnou. Představa o něm se zrodila v 60. letech v hlavě a práci sovětského fyzika Savelije Feinberga. Realizaci se koncept v té době nikdy nepřiblížil. V 90. letech ovšem zaujal velkého propagátora jaderné energetiky a také „otce“ vodíkové bomby Edwarda Tellera, který pro něj dokázal nadchnout další kolegy.

Jeden z nich, Lowell Wood, nakonec ho dokázal „prodat“ investiční společnosti Intellectual Ventures, která je matkou TerraPower. Jak to tak bývá, původní návrhy fyziků byly sice elegantní, ale nepraktické. Konstruktéři a inženýři ale (údajně k vlastnímu překvapení) většinu problémů, které v konceptu našli, dokázali během let odstranit. Vytvořili velmi pokročilou simulaci, která údajně přesvědčila i část skeptiků a otevřela možnost k získání dostatečného kapitálu na dokončení návrhu. Na stavbu to nestačilo, ale tuto potíž má vyřešit právě zmiňované partnerství s Čínou.

Většinu náplně reaktoru tvoří ochuzený uran 238 (zeleně). Ovšem neutrony ze „startovního“ štěpného materiálu začnou měnit na plutonium, a materiálem se tak šíří „množivá vlna“ (žlutá oblast), za kterou pak následuje další „štěpná vlna“ (oranžově), která vyznačuje oblast, ve které dochází ke štěpení. Za těmito vlnami zůstává oblast vyhořelého paliva (černě), která, byť se to ze schématu nemusí zdát, ve skutečnosti stále obsahuje více než polovinu původního množství uranu 238.

Jak jsme zmínili, hlavní zvláštností projektu je koncepce vlastní jaderné části reaktoru, tedy aktivní zóny. Palivo pro reaktor tvoří pro dnešní komerční reaktory „nestravitelná“ směs obohaceného a ochuzeného uranu. Množství radioaktivního izotopu uranu, tedy uranu 235, je jen malý zlomek celkového množství; řádově desetiny procenta z celkového objemu (standardní úroveň obohacení je kolem 4 procent). Zbylý objem paliva tvoří běžný izotop uranu 238, tedy de facto ochuzený uran.

Malé množství štěpného materiálu se vkládá do několika přesně určených míst v reaktoru a slouží jako „startér“. Neutrony uvolněné při rozpadu uranu 235 by měly začít měnit ochuzený uran ve své blízkosti v palivo pro další reakci. Uran 238 se totiž po zachycení jednoho neutronu změní na uran 239, který se v řádu minut změní na neptunium (za vzniku beta záření), a tak se pak (za uvolnění další beta částice) změní na plutonium, které pak slouží jako palivo pro reaktor. Plutonium se totiž po zásahu neutronem rozpadá na další izotopy, přičemž se uvolní také několik neutronů, které celý koloběh udrží v chodu.

Původní náplň aktivní zóny reaktoru tak postupně „prohořívá“ jako například vánoční františek, jak se reaktorem postupně šíří vlna štěpných reakcí. Postup má být rovnoměrný, protože by se mělo jednat o tzv. solitonovou vlnu, která se materiálem šíří konstantní rychlostí a nepodléhá disperzi. Celý proces je nesmírně pomalý a podle projektu TerraPower by palivo mělo vystačit na více než 50 let – a to bez jediné výměny. To by samozřejmě mohla být ohromná provozní i bezpečnostní výhoda.

Reaktor by měl také mít podstatně lepší účinnost ve využití energie vloženého paliva (i když stále méně než polovinu), což je argument spíše technický než finanční. Ceny uranu jsou dlouhodobě nízké a nezdá se, že by se to mohlo nějak zásadně měnit. Zajímavější je možná slib, že reaktor by měl produkovat na jednotku vyrobené energie podstatně méně vysoce aktivního jaderného odpadu, který by vyžadoval dlouhodobé uskladnění. Stavba dlouhodobých skladů je technicky jistě možná, ale politicky jde o velmi citlivé téma, k jehož řešení se dopracovalo jen pár zemí na světě (např. Švédsko). Zmenšit problém v tomto případě tedy rozhodně není na škodu.

Reaktor by měl pracovat při teplotách kolem 550°C, tedy zhruba o dvě stě stupňů vyšších než u komerčních tlakovodních reaktorů, a jeho chlazení nemůže obstarávat voda, ta by na daný úkol nestačila. Není to unikátní problém, rychlé reaktory obecně vyžadují účinnější chlazení. Je to důsledek vyšší hustoty štěpení a tedy vyšší produkce tepla v poměrně malé aktivní zóně. TerraPower stejně jako jiné podobné projekty volí k chlazení tekutý sodík.

Dodejme ještě, že reaktory chlazené tekutým sodíkem mají většinou dva sodíkové okruhy, aby se sodík z aktivní zóny, ve kterém se mohou objevovat radioaktivní izotopy, nemohl v žádném dostat do dalších částí elektrárny. Kromě prvního „radioaktivního“ okruhu, který prochází přímo reaktorem, bývá vložen do projektu ještě další okruh, které přebírá energii z primárního okruhu a předává ji dále k parnímu okruhu pohánějícímu turbínu.

Nejčastější typ rychlého reaktoru chlazeného sodíkem včetně projektu TerraPower je tzv. vanového typu, což znamená, že aktivní zóna je celá ponořena ve velké nádobě vyplněné chladícím tekutým kovem. Použitý sodík musí být velice čistý, aby v něm vznikalo co nejméně radioaktivity. To ovšem není největší potíž tohoto konstrukčního řešení, jak je čtenářům asi jasné. Využití sodíku při chlazení má svá rizika spojená hlavně s bouřlivou reakcí sodíku se vzduchem a vodou.

Své by o tom mohli vyprávět provozovatelé japonského experimentálního sodíkového reaktoru Monju, na kterém došlo hned k několika nehodám včetně nepříjemného úniku několika set kilogramů sodíku. Kov se samozřejmě vzňal a vysoké teploty způsobily na zařízení vážné škody. Udržet naprostou těsnost a spolehlivost zařízení po více než 50 let provozu, se kterými TerraPower u finální podoby svého designu údajně počítá, není v případě sodíkového systému tedy rozhodně nic triviálního.

Rychlé reaktory, mezi které patří i projekt firmy TerraPower, mají zásadní výhodu v tom, že dokážou „spálit“ i uran, který dnešní komerční reaktory nedokážou využít. Jak a proč k tomu musí být „rychlé“?

Klasické reaktory využívají toho, že neutrony s velmi nízkou rychlostí, blízkou rychlosti jejich tepelného pohybu, mají velmi vysokou pravděpodobnost záchytu uranem 235 a jeho štěpení. Při štěpení uranu se uvolňuje několik neutronů, které pak mohou štěpit další jádra uranu, a rozběhne se tak řetězová štěpná reakce.

Tyto neutrony však mají relativně vysokou energii a na tepelné rychlosti se musí zpomalovat srážkami s jádry moderátoru. Nejvíce energie mohou při srážce předat lehkým jádrům. Jako moderátor se tak často využívá voda (lehký vodík a kyslík), u černobylského reaktoru RBMK to byl grafit, tedy uhlík.

V klasickém reaktoru tak stačí poměrně nízký tok neutronů k tomu, aby se zajistil stabilní průběh řetězové reakce. V rychlém reaktoru se neutrony vzniklé ve štěpení nemoderují a využívají se ke štěpení přímo. Proto musí být v tomto reaktoru velmi intenzivní tok neutronů, aby zde probíhala stabilní řetězová reakce.

Přírodní uran má dva různé izotopy, 235 a 238. Uran 235 má lichý počet neutronů a po zachycení dalšího neutronu se tento spáruje s přebývajícím lichým a uvolní se dostatek energie na rozštěpení jádra uranu. U uranu 238 energie uvolněná záchytem neutronu k rozštěpení jádra uranu nestačí. Bohužel je však v přírodě pouze 0,7 % uranu 235 a zbývajících 99,3 % tvoří uran 238. Aby se dal využívat v reaktorech i uran 238, musí se záchytem neutronu a následnými dvěma rozpady beta přeměnit na plutonium 239, které má lichý počet neutronů a může sloužit jako palivo.

Proces přeměny uranu 238 na plutonium 239 probíhá i v klasických reaktorech. Tam ovšem kvůli nízkému toku neutronů jen omezeně. Naopak v rychlých reaktorech se při správné konfiguraci díky intenzivnímu toku neutronů může vyrobit více plutonia 239, než se ho ve formě paliva spotřebuje. Pak se mluví o množivých reaktorech. Ty by mohly umožnit využít veškerý energetický potenciál uranu i thoria a zajistit provozování jaderné energetiky na tisíciletí. Efektivněji by dokázaly spalovat i transurany, které jsou nejproblematičtější složkou vyhořelého paliva, a značně by tak snížily objem i nebezpečnost jaderného odpadu, který by se ukládal do trvalého podzemního úložiště.

Ne ve všech konstrukčních ohledech jsou sodíkové reaktory náročnější. Běžný tlakovodní reaktor je „papiňák“ plný vody o teplotách kolem 300°C a tlaku řádově stokrát vyšším, než je atmosférický. To samozřejmě klade značné nároky na kvalitu výroby, zvláště u jaderného zařízení. Sodíkové reaktory mohou pracovat s mnohem nižšími tlaky. Například ruský rychlý sodíkový reaktor BN-800 je údajně možné od běžných reaktorů rozeznat už i poklepem na jeho kovové stěny: zní jinak, protože jsou podstatně slabší než u klasických tlakovodních reaktorů. Na druhou stranu připomínáme, že postavit systém s tekutým sodíkem, který by měl ideálně fungovat desítky let bez zásahu zvenčí, také rozhodně není nic jednoduchého.

Velkou výhodou množivých reaktorů je i to, že v případě nehody by měly být robustnější. Stejně jako u dnešních lehkovodních reaktorů v nich po nehodě samovolně dojde k zastavení štěpné reakce. V reaktoru ovšem dále probíhá rozpad některých radioaktivních prvků a vzniká tedy teplo. Je ho sice o mnohem méně než při provozu, ale pokud se ho nepodaří odvádět, reaktor se může přehřát. Připomeňme, že ve Fukušimě výpadek chlazení vedl k částečnému roztavení aktivních zón některých postižených reaktorů, i když radioaktivní pevné látky se mimo obal reaktoru nedostaly.

Nevýhodou je i to, že zkušeností s podobnými zařízení je poměrně málo – a ne všechny jsou rozhodně pozitivní. Zmínili jsme japonský Monju, který pracoval jen sporadicky a dnes už míří zřejmě nezvratně do starého železa. Ve Francii byly provozovány v podstatě jen výzkumné reaktory Phénix a Superphénix, které vynikaly mnoha zajímavými parametry, ale rozhodně ne spolehlivostí.

V Číně pak je také jeden rychlý sodíkový reaktor, malý CEFR s elektrickým výkonem 20 MW, který podle Mezinárodní agentury pro atomovou energii měl v roce 2011 poměrně vážnou nehodu, která ho sice nezničila, ale odstavila na nějakou dobu z provozu. Čínská strana tvrdí, že k žádné takové události nedošlo.

CEFR ovšem je čínský projekt jen do určité míry, vznikl ve velmi úzké spolupráci s ruskými dodavateli, kteří s provozem sodíkových reaktorů mají nejvíce zkušeností, a ze všech producentů také ty nejlepší. Rusko je jedinou zemí, kde se tyto reaktory používaly v běžném každodenním provozu výroby tepla i elektřiny.

Prvním takovým byl reaktor BN-350, který pracoval do 90. let na pobřeží Kaspického moře. Dodával nakonec do sítě zhruba 150 MW elektrického výkonu, ale jeho hlavním úkolem bylo odsolování mořské vody. Produkoval jí okolo 120 tisíc tun denně. Původní předpokládaná životnost reaktoru do roku 1993 byla prodlužována a pracoval až do roku 1999.

Pohled na odhalenou reaktorovou nádobu reaktoru BN-800 během stavby

Následoval pak v roce 1980 spuštěný větší BN-600 a nově ještě výkonnější BN-800. BN-600 po počátečních potížích právě s úniky sodíku podle všech dostupných údajů funguje relativně spolehlivě. Koeficient jeho ročního využití překračuje 70 %, v posledních čtyřech letech dokonce vždy nad 85 procent. To už se blíží požadavkům na profitabilní komerční provoz, byť stále jde o hodnotu minimálně o několik procent nižší než u těch nejspolehlivějších komerčních tlakovodních reaktorů.

I díky relativně dobrým zkušenostem v Rusku postavili výkonnější BN-800, který by měl představovat už v podstatě běžné komerční zařízení a je v provozu od října 2016. V roce 2017 koeficient jeho využití byl něco málo přes 73 procent, což se na první zařízení tohoto konkrétního typu nezdá být špatný výkon.

Samozřejmě TerraPower je jiná firma, její reaktor je jiná konstrukce a koncept atd. Ruské zkušenosti ovšem ukazují, že sodíkové reaktory už dnes za jistých okolností jsou použitelné, rozhodně je ovšem nelze označit za prověřenou technologii.

Ještě jednu souvislost s TerraPower ruské sodíkové reaktory mají. Čína se na nich totiž s Ruskem nedohodla. Po dokončení již zmíněného reaktoru CEFR v rusko-čínské spolupráci mělo dojít i na stavbu velkého rychlého sodíkového reaktoru v Číně. Sešlo z ní údajně především proto, že ruská strana nesouhlasila s požadavky na převod duševního vlastnictví a know-how v míře, jakou si čínský zákazník představoval. I proto Peking hledá cesty a spolupráce s TerraPower je zřejmě jednou z nich.

I tak je samozřejmě úspěch celého projektu nejistý. Program mohou už v příštích měsících možná zastavit hrozící obchodní spory mezi Čínou a USA, možná se během stavby či spouštění objeví neřešitelné technické potíže, možná bude mít reaktor nakonec nevhodné parametry. Jisté je asi jen to, že cesta k úspěchu bude rozhodně trvat desetiletí, konec může ovšem přijít ze dne na den.