Polski Atom

Materiał informacyjny
opracowany przez Departament Energii Jądrowej
Ministerstwa Klimatu i Środowiska
23 lutego 2022 r.

BIEŻĄCE WYDARZENIA W ENERGETYCE JĄDROWEJ NA ŚWIECIE

1. ROSJA KONSTRUUJE NOWY REAKTOR WWER-S

Do roku 2030 rozpocznie się budowa innowacyjnego wodnego reaktora ciśnieniowego sterowanego widmem neutronów WWER-S – poinformował wicepremier Rosji Aleksander Nowak podczas prezentacji dotyczącej federalnego projektu Nowej Energii Jądrowej.

„Opracowano dokumentację projektową, uzyskano licencję na budowę reaktora energetycznego chłodzonego wodą ze sterowaniem widmowym” – czytamy w prezentacji.

VVER-S (lub VVER-SM) jest opracowywany przez biuro projektowe OKB Gidropress należące do Rosatomu jako krok w kierunku wdrażania reaktorów powielających i w celu uzyskania lepszego wykorzystania paliwa uranowego. Podstawowa różnica między WWER-S a konwencjonalnymi reaktorami WWER polega na sterowaniu widmem neutronów - zastąpieniu regulacji jego mocy za pomocą ciekłego boru i kontrolowaniu pracy reaktora przez zmianę widma neutronów w rdzeniu poprzez zmianę stosunku ilości wody do uranu. Odbywa się to za pomocą wymiennych wypieraczy wody (displacers) wprowadzonych do każdego zestawu paliwowego (w 132 zestawach paliwowych z 241 w reaktorze 3300 MWt) podczas kampanii paliwowej. W WWER-S zamiast absorpcji w kwasie borowym, nadmiar neutronów jest absorbowany przez uran-238. W ten sposób powstaje pluton – nowe paliwo rozszczepialne.

Regulację widmową uzyskuje się poprzez zmianę stosunku wody do uranu w procesie wypalania paliwa. Kompensacja wypalenia za pomocą trucizn jest zminimalizowana i zastąpiona przesunięciem widma neutronów. Świeże paliwo ma w każdym zestawie tzw. wypieracze, które zmniejszają ilość moderatora (wody) w rdzeniu i przesuwają widmo bardziej w kierunku neutronów prędkich, co zmniejsza współczynnik reaktywności i zwiększa współczynnik powielania paliwa jądrowego (w przeciwieństwie do regulacji borem lub za pomocą trucizn wypalanych). W miarę postępu wypalania paliwa i gromadzenia się w nim produktów rozszczepienia, zmniejszając współczynnik powielania, wypieracze są stopniowo usuwane, co zwiększa stosunek woda-uran i spowalnia widmo neutronów do wartości zbliżonych do termicznych. Dzięki temu możliwe jest wykorzystanie izotopów Pu-239 i Pu-241, powstających z U-238. Stosunek wody do uranu w rdzeniu wynosi około 1,5 na początku cyklu i około 2,0 na jego końcu.

Projekt WWER-S z widmową kontrolą rdzenia, jest rozwijany jako następca WWER-TOI po 2030 roku i będzie w stanie działać wydajnie przy użyciu 100% paliwa MOX. Gidropress twierdzi, że zastosowanie systemu regulacji widmowej ma wiele zalet. Oszczędza naturalny uran - przy tej samej mocy reaktor sterowany widmowo zużyje o 30% mniej uranu w otwartym cyklu paliwowym. Jednak WWER-S może pracować zarówno w otwartym, jak i zamkniętym cyklu paliwowym. Sterowanie widmem neutronów umożliwia załadowanie do reaktora na lekką wodę rdzenia składającego się w całości z paliwa na bazie mieszaniny tlenków uranu i plutonu (MOX). Obecnie reaktory z lekką wodę mogą pracować z rdzeniem zawierającym nie więcej niż 50% paliwa MOX. W ten sposób WWER-S może zużywać zregenerowane paliwo w ramach zamkniętego jądrowego cyklu paliwowego. Ponadto wymagany poziom bezpieczeństwa dla elektrowni jądrowych generacji 3+ jest zapewniony bez konieczności stosowania systemu regulacji borem. Projektowany okres użytkowania głównego wyposażenia wynosi co najmniej 60 lat.

Wstępne prace nad WWER-S rozpoczęły się w 2019 roku w celu opracowania głównych rozwiązań projektowych związanych z fizyką rdzenia, systemami technologicznymi i optymalizacją projektu. Zastosowanie wypieraczy umożliwia wytworzenie twardszego widma neutronowego (z neutronami o większej energii, prędkimi) na początku kampanii paliwowej i wykorzystanie neutronów, które normalnie są absorbowane w konwencjonalnych WWERach, do produkcji nowych materiałów rozszczepialnych. Gdy rdzeń wypala się, wypieracze są usuwane i zastępowane wodą. Pod koniec kampanii paliwowej WWER-S będzie działał jak konwencjonalny reaktor wodny WWER.

Główne parametry reaktora są w przybliżeniu takie same jak w projekcie WWER-TOI, a materiały do budowy WWER-S będą podobne. Jedyna zmiana, która może być potrzebna, dotyczy elementów wewnętrznych. W tym celu w Centralnym Instytucie Badawczym Materiałów Konstrukcyjnych Prometheus opracowywany jest nowy gatunek stali, który pozwoli wydłużyć żywotność elementów wewnętrznych rdzenia reaktora.

2. W GHANIE DO KOŃCA ROKU ZOSTANIE WYBRANA LOKALIZACJA PIERWSZEGO KOMERCYJNEGO REAKTORA JĄDROWEGO

Spółka Nuclear Power Ghana (NPG) poinformowała, że do końca tego roku wybierze preferowaną lokalizację dla pierwszej komercyjnej elektrowni jądrowej. Afrykański kraj ma nadzieję, że obiekt zostanie uruchomiony i zacznie działać do 2030 r.

Według doniesień prasowych NPG, spółka z ograniczoną odpowiedzialnością upoważniona do kierowania budową i eksploatacją proponowanej elektrowni jądrowej, zidentyfikowała cztery miejsca kandydujące do realizacji projektu.

Dyrektor wykonawczy NPG, Stephen Yamoah, powiedział, że firma analizuje dane historyczne w czterech zidentyfikowanych lokalizacjach. Raport dotyczący ostatecznie zatwierdzonego miejsca zostanie przedstawiony organowi regulacyjnemu do przeglądu.

„Otrzymaliśmy wiele danych historycznych z ponad 12 instytucji dotyczących takich zagadnień, jak sejsmologia i kwestie powodzi” – powiedział. „Otrzymaliśmy również informacje z Urzędu Statystycznego Ghany dotyczące liczby ludności i przewidywanego wzrostu populacji. „Wszystko to są kryteria, które uwzględniamy przy wyborze lokalizacji, ponieważ elektrownia jądrowa nie zostanie zbudowana na zaludnionym obszarze, więc musimy znać obecną populację i prognozę jej rozwoju” – powiedział Yamoah.

W październiku 2019 r. Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej poinformowała, że Ghana poczyniła postępy we wdrażaniu zaleceń misji zintegrowanego przeglądu infrastruktury jądrowej (INIR) przeprowadzonej przez MAEA w 2017 r. Przegląd ten dostarczył 12 zaleceń i osiem sugestii, które mają pomóc Ghanie w dalszym rozwoju infrastruktury jądrowej.

W 2019 r. zauważono, że Ghana zakończyła badania potrzebne rządowi do podjęcia świadomej decyzji o wdrożeniu programu energetyki jądrowej. Oceniła również swoje krajowe ramy prawne i zaplanowała wprowadzenie niezbędnych zmian.

MAEA stwierdziła jednak, że potrzebne są dalsze prace w takich obszarach, jak finansowanie rządowe, planowanie zaangażowania zainteresowanych stron, opcje cyklu paliwowego dla pierwszej elektrowni jądrowej i cele dotyczące udziału krajowych firm.

W październiku 2021 r. pięciu dostawców reaktorów jądrowych odpowiedziało na prośbę Ghany o wyrażenie zainteresowania współpracą z tym krajem afrykańskim w planowanym programie energetyki jądrowej. Doniesienia prasowe, cytujące urzędnika ministerstwa środowiska, nie wymieniają żadnych firm, ale mówią, że dostawcy pochodzili z USA, Rosji, Kanady i Korei Południowej.

Ghana zintensyfikowała wysiłki, aby dodać energię jądrową do swojego bilansu energetycznego, aby wesprzeć dążenie kraju do industrializacji. Swój pierwszy reaktor zamierza uruchomić do 2030 roku.

3. ENERGETYKA JĄDROWA W KOSMOSIE W CENTRUM ZAINTERESOWANIA MAEA I ONZ

Przed przyszłymi misjami kosmicznymi otwierają się nowe możliwości dzięki technologii jądrowej, stwierdzili eksperci biorący udział w webinarium Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej.

„Technologie jądrowe od dawna odgrywają kluczową rolę w ważnych projektach kosmicznych, ale przyszłe misje mogą polegać na systemach napędu jądrowego w znacznie szerszym spektrum zastosowań – nasza droga do gwiazd przebiega poprzez atom” – powiedział Michaił Chudakow, zastępca dyrektora generalnego MAEA.

Dyrektor Chudakow przemawiał podczas wirtualnego seminarium MAEA – Atoms for Space: Nuclear Systems for Space Exploration – w którym wzięło udział 500 osób z 66 krajów. „Przyszłe załogowe misje międzyplanetarne prawie na pewno będą wymagały układów napędowych o wydajności znacznie przewyższającej dzisiejsze najlepsze silniki chemiczne” – powiedział William Emrich, były główny inżynier w NASA.

Hui Du z Pekińskiego Instytutu Inżynierii Systemów Pojazdów Kosmicznych, powołując się na badanie Chińskiej Akademii Technologii Kosmicznych, powiedział: „W przypadku misji kosmicznych, które wymagają wysokiej mocy elektrycznej, takich jak misja na Marsa lub promy kosmiczne, system zasilania wykorzystujący reaktor jądrowy może być bardzo konkurencyjnym wyborem”.

Jakie są opcje energetyki jądrowej?

Jedną z opcji jest jądrowy napęd termiczny (nuclear thermal propulsion, NTP), który wykorzystuje rozszczepieniowy reaktor jądrowy do wytwarzania ciepła z paliwa uranowego. Ta energia cieplna podgrzewa ciekły gaz pędny, zwykle ciekły wodór, który rozszerza się w gaz i jest wyrzucany z dyszy rakiety, wytwarzając siłę ciągu i napędzając statek kosmiczny. Rakiety z napędem NTP zapewniają od dwóch do trzech razy większą wydajność niż model chemiczny. W porównaniu do tradycyjnych rakiet chemicznych może to skrócić czas podróży na Marsa nawet o 25%. Za pomocą tej technologii można będzie przenieść astronautów na Marsa i z powrotem w mniej niż dwa lata.

Inną opcją jest jądrowy napęd elektryczny (nuclear electric propulsion, NEP). System NEP wykorzystuje reaktor jądrowy do wytwarzania energii elektrycznej, która zasila układ elektromagnetyczny przyspieszający jony do wielkich prędkości (silnik jonowy). Jony te podczas przejścia przez dyszę są neutralizowane i wytwarzają strugę atomów elektrycznie obojętnych, która opuszczając rakietę wytwarza siłę ciągu. Tego typu systemy są jednak bardzo masywne, ciąg silnika jest w związku z tym mały, a więc i przyspieszenie też jest niewielkie. Sprawdza się szczególnie w długotrwałych misjach cargo do odległych planet, jako że może pracować przez znacznie dłuższy czas niż układy chemiczne czy NTR. Siła ciągu tej metody jest mniejsza, ale ciągła, a przy znacznie większej wydajności paliwowej pozwala uzyskiwać większe prędkości i może skrócić o 60% czas podróży na Marsa w porównaniu do tradycyjnych rakiet chemicznych.

Trwają również prace badawcze nad przyszłymi rakietami wykorzystującymi syntezę jądrową, mające napęd termojądrowy (direct fusion drive, DFD), który bezpośrednio przekształcałby energię naładowanych cząstek wytwarzanych w reakcjach syntezy jądrowej na napęd pojazdu kosmicznego.

Stephanie Thomas, wiceprezes Princeton Satellite Systems, która opracowuje koncepcję rakiety fuzyjnej, powiedziała: „DFD może wytwarzać określoną moc o kilka rzędów wielkości wyższą niż inne systemy, skracając czas podróży i zwiększając ładowność, umożliwiając nam w ten sposób dotarcie do miejsca docelowego w głębokim kosmosie znacznie szybciej."

A co z innymi zastosowaniami energii jądrowej w kosmosie?

Oprócz zapewniania siły ciągu rakietom, istnieje również zapotrzebowanie na energię elektryczną na pokładzie statków kosmicznych, a reaktory jądrowe mogą być również wykorzystywane do zapewnienia astronautom energii elektrycznej podczas długich misji eksploracyjnych lub długotrwałych pobytów w siedzibach ludzkich na innych planetach.

„Priorytetem NASA pozostaje zaprojektowanie, zbudowanie i zademonstrowanie jądrowego systemu zasilania powierzchniowego w oparciu o paliwo z nisko wzbogaconego uranu, który ma mieć szerokie zastosowanie do pracy na powierzchni Księżyca, a także podczas ewentualnej misji załogowej na Marsa. System ten byłby skalowalny do poziomów mocy powyżej 100 kWe i ma mieć potencjał do zaspokojenia potrzeb systemu NEP” – powiedział Anthony Calomino, menedżer ds. kosmicznych technologii jądrowych w NASA.

„Wykorzystanie reaktorów rozszczepieniowych, w których zachodzi ciągła reakcja łańcuchowa przez wiele lat, jest nieuniknione zarówno w przypadku napędu kosmicznego, jak i pozaziemskiej mocy powierzchniowej”, powiedział Vivek Lall, dyrektor generalny General Atomics Global Corporation.

Organizacja Narodów Zjednoczonych rozważa również kwestie bezpieczeństwa

Kwestia umieszczenia technologii jądrowych w kosmosie oraz ich wykorzystanie do różnych celów, zarówno przez podmioty komercyjne, jak i państwa narodowe, były tematami omawianymi na posiedzeniu podkomitetu naukowo-technicznego Biura ONZ ds. Przestrzeni Kosmicznej.

W dokumencie roboczym Komitetu ds. Pokojowego Wykorzystania Przestrzeni Kosmicznej, przygotowanym przez Wielką Brytanię i Europejską Agencję Kosmiczną, odnotowano, że od 2010 r. grupa robocza podkomitetu odnosi sukcesy „w promowaniu bezpiecznego wykorzystania źródeł energii jądrowej w przestrzeni kosmicznej wśród państw zainteresowanych korzystaniem z takich aplikacji”.

Dodano jednak, że „międzynarodowy sektor kosmiczny ewoluuje… prywatne podmioty komercyjne są zainteresowane wykorzystaniem kosmicznych źródeł energii jądrowej i zaczynają proponować oraz angażować się w rozwój i wykorzystanie takich źródeł energii”.

„Potencjalne przyszłe wykorzystanie reaktorów jądrowych w ramach długoterminowych instalacji ludzkich w kosmosie rodzi szereg nowych pytań związanych z bezpieczeństwem”.

Podkomitet proponuje utworzenie międzynarodowego forum do „zbierania i wymiany informacji o planach i projektach rozwoju i wykorzystania kosmicznych źródeł energii jądrowej przez nowe podmioty, w tym podmioty komercyjne”.

W projekcie raportu opublikowanym po spotkaniu na początku tego miesiąca podkomitet dodaje również, że „wyrażono pogląd, iż obowiązkiem państw jest zapewnienie, aby wykorzystanie energii jądrowej w przestrzeni kosmicznej było wyłącznie w celach pokojowych, unikając za wszelką cenę umieszczenia na orbicie okołoziemskiej lub innym ciele niebieskim jakiegokolwiek obiektu przenoszącego broń jądrową albo innego rodzaju broń masowego rażenia, a także sprzeciwia się w ogóle umieszczaniu broni w przestrzeni kosmicznej w jakiejkolwiek innej formie”.

Dodał: „Podkomitet z zadowoleniem przyjął fakt, że niektóre państwa i międzynarodowa organizacja międzyrządowa opracowują lub rozważają opracowanie instrumentów prawnych i regulacyjnych dotyczących bezpiecznego użytkowania źródeł energii jądrowej w przestrzeni kosmicznej, biorąc pod uwagę treść i wymagania zasad wykorzystania jądrowych źródeł energii w przestrzeni kosmicznej oraz ram bezpieczeństwa dla zastosowań jądrowych źródeł energii w przestrzeni kosmicznej, opracowanych wspólnie przez Podkomitet i Międzynarodową Agencję Energii Atomowej”.

INNE WIADOMOŚCI

Blok nr 6 elektrowni jądrowej Fuqing w prowincji Fujian, w południowo-wschodnich Chinach, 19 lutego po raz pierwszy osiągnął pełną moc 1000 MWe, poinformowała państwowa China National Nuclear Corporation. Według CNNC reaktor Hualong One generacji III w grudniu 2021 osiągnął pierwszą krytyczność, a blok został przyłączony do sieci krajowej 1 stycznia 2022 r. W styczniu 2021 r. bliźniacza jednostka Fuqing-5 stała się pierwszym reaktorem projektu Hualong One, który rozpoczął eksploatację komercyjną. CNNC powiedział wówczas, że jego działanie utoruje drogę do „masowej budowy i eksportu” rodzimej technologii jądrowej.

W rosyjskich zakładach AEM-technologies zakończono produkcję zestawu czterech wytwornic pary dla drugiego bloku energetycznego Kursk-II. Wytwornica pary ma średnicę ponad 4 metry, długość 15 metrów, waży 340 ton. Każda wytwornica pary wymaga 11 000 rur ze stali nierdzewnej o średnicy 16 mm i długości od 11 do 17 metrów. Elektrownia jądrowa Kursk znajduje się około 500 kilometrów na południe od Moskwy.

Zespół TRISO-X firmy X-energy został wybrany w wyniku procesu przetargowego na produkcję paliwa dla programu kosmicznego Idaho National Laboratory. Firma X-energy stwierdziła, że demonstracja produkcji paliwa TRISO-X do kosmicznego napędu jądrowego pomoże wykazać, że rdzenie z mieszaniny tlenku i węglika uranu otoczonego warstwami spieczonego węgla i węglika krzemu można z powodzeniem wytwarzać na skalę komercyjną i zgodnie z określonymi specyfikacjami produkcyjnymi.

Prezes Amerykańskiego Towarzystwa Nukleonicznego Steven Nesbit oraz dyrektor generalny Craig Piercy napisali do Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych list wzywający do przyspieszenia rozwoju programu produkcji paliwa z nisko wzbogaconego uranu o podwyższonym stopniu wzbogacenia (HALEU). Dostępność takiego paliwa ma kluczowe znaczenie dla dalszego rozwoju zaawansowanych technologii jądrowych, stwierdzają w swoim liście, który jest odpowiedzią na prośbę Departamentu Energii o informacje (RFI) z 14 grudnia.

Opracowano w DEJ na podstawie: WNA, NucNet, MAEA