Grafitowa kula stosowana w reaktorach z paliwem granulowanym
Sfinansowanie powstającego w Idaho National Lab. przemysłowego modułu demonstracyjnego, umożliwiającego wytwarzanie wodoru i ciepła w wysokotemperaturowych reaktorach chłodzonych helem, będzie stanowić miernik polityki energetycznej prezydenta Baracka Obamy.
Projekt stoi przed poważnymi wyzwaniami technicznymi i finansowymi, jest również opóźniony względem ustalonego planu. Departament Energii jako datę zakończenia budowy elektrowni wyznaczył nam rok 2016, jednak byliśmy zmuszeni przesunąć ten termin na rok 2021 – poinformował Sten A. Caspersson Jr. z firmy Westinghouse w wywiadzie dla magazynu Design News, przeprowadzonym w związku z prezentacją na corocznym Kongresie Amerykańskiego Stowarzyszenia Inżynierów Mechaników (ASME) w Bostonie, stan Massachusetts. Caspersson jest kierownikiem projektu budowy wysokotemperaturowych reaktorów nowej generacji firmy Westinghouse z siedzibą w Pensylwanii. Firma jest w przeważającej części własnością firmy Toshiba.
Ustawa dotycząca Polityki Energetycznej z 2005 roku upoważniła Departament Energii do wdrożenia programu badań i rozwoju prototypu wysokotemperaturowego reaktora chłodzonego gazem, który przyczyniłby się do zwiększenia krajowych zasobów energii, zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych i szybszego zbliżenia się do stworzenia narodowej gospodarki wodorowej.
Firma Westinghouse i jej partnerzy planują budowę modularnego reaktora ze złożem usypanym, który wykorzystuje kulki paliwa jądrowego otoczone grafitowym moderatorem w kształcie kuli. Kulki są ułożone w gęsto upakowaną sieć przestrzenną i chłodzone helem, nie wodą. Określenie „paliwo granulowane” wiąże się z wykorzystaniem kul. W konwencjonalnych reaktorach nuklearnych do kontroli reakcji rozszczepienia używane są pręty paliwowe.
Produktem reaktora będzie wodór, który może służyć jako paliwo dla pojazdów i ciepło wykorzystywane do efektywniejszej produkcji paliw z piasków roponośnych lub węgla. Caspersson hamuje nadmierny entuzjazm związany z powszechnie panującym przekonaniem, jakoby energia wodorowa była rozwiązaniem problemu wysokich cen gazu. W swoim Orędziu o Stanie Państwa w roku 2005 prezydent Bush powiedział, że nasze wnuki będą jeździły samochodami napędzanymi paliwem wodorowym. Nawet nie zbliżyliśmy się do tego celu. Prezydent Bush poruszył kwestię pojazdów napędzanych wodorem w swoich Orędziach o Stanie Państwa w 2005 i 2006 roku.
Opracowanie modułu demonstracyjnego Idaho opóźnia się z uwagi na pewne przeszkody:
Licencjonowanie: Czy władze federalne spojrzą przychylnym okiem na technologię? Prezydent Barack Obama zapewnia o swoim poparciu dla zagadnienia energii jądrowej, jeśli kwestie bezpieczeństwa zostaną rozwiązane w zadowalający sposób. Caspersson powiedział magazynowi Design News – Reaktory wodne są bardzo bezpieczne. One (elektrownie jądrowe nowej generacji) są jeszcze bezpieczniejsze. Przykładowo, uzyskanie materiałów rozszczepialnych z wypalonych kulek paliwa jądrowego jest praktycznie niemożliwe. Wypalone kulki paliwowe mogą być bezpiecznie składowane w odosobnionym miejscu, jak proponowane długowieczne składowisko podziemne dla wypalonego paliwa jądrowego i odpadów wysokoaktywnych Yucca Mountain w Newadzie.
Ekonomia: Obecnie koszty budowy elektrowni jądrowej szacuje się na 2,4 mld dolarów. Kongres przyznał DOE środki na sfinansowanie projektu w wysokości 1,25 mld dolarów do końca 2013 roku. Jednakże, dotychczas finansowanie utrzymywało się na poziomie 30 mln dolarów rocznie. National Academy of Sciences już zgłosiła do wiadomości Kongresu, że projekt jest niedofinansowany. Szacunki firmy Westinghouse oparte na przychodach ze sprzedaży wodoru i ciepła, w połączeniu z kredytem zdobytym za zmniejszone obciążenie węglowe, przedstawiają się jako – krańcowo możliwe do przyjęcia – cytując Casperssona. Prawdziwym testem będzie gotowość takich firm jak Dow czy Chevron do zrobienia pierwszego kroku i opowiedzenia się za urynkowieniem projektu.
Technologia: Istnieje wiele problemów. Jednym z nich jest potrzeba stworzenia materiału, który zostanie wykorzystany do wykonania kluczowego elementu projektu – pośredniego wymiennika ciepła. Istniejące materiały nie spełniają wymogów dotyczących wytrzymałości na wysokie temperatury i ciśnienie. Zaczynamy od materiału, o którym już coś wiemy, 800H – stwierdza Caspersson. 800H to kontrolowany stop węgla i Inkonelu, który jest poddawany wysokotemperaturowemu wyżarzaniu, w wyniku czego powstają ziarna standardowej wielkości, zgodne z normą ASTM 5 lub o większej ziarnistości. W państwowych laboratoriach tworzy się materiały o większej wytrzymałości na pełzanie i rozrywanie – powiedział Caspersson w wywiadzie dla magazynu Design News. Zastąpimy 800H metalem lub materiałem ceramicznym o lepszych właściwościach, gdy taki będzie dostępny – wyjaśnił. Jedną z potencjalnych możliwości stanowi stop 617 składający się z niklu, chromu, kobaltu i molibdenu. Opracowanie odpowiedniego materiału – jest jedną z największych przeszkód w realizacji projektu – stwierdził Caspersson. Kolejne techniczne wyzwanie wiąże się z wymogiem poprawy czystości produkowanego wodoru.
Schemat po lewej stronie przedstawia reaktor nuklearny ze złożem usypanym, który ma powstać w Republice Afryki Południowej. Z lewej strony znajduje się stalowy zbiornik ciśnieniowy zawierający około 450 000 kulek paliwowych, z których każda zawiera potrójnie powleczone izotropowe cząstki elementarne niskowzbogaconego uranu w formie grafitowej kuli.
Również jedna z istotnych kwestii środowiskowych projektu została zakwestionowana na Kongresie ASME przez Lawrence’a L. Kazmerskiego, dyrektora National Center for Photovoltaics w Golden, stan Kolorado. Podczas sesji pytań i odpowiedzi, która odbyła się po prezentacji Casperssona, Kazmerski zapytał, dlaczego jednym z celów projektu jest produkcja ciepła z możliwością wykorzystania go do bardziej ekonomicznej produkcji węglowodorów z piasków roponośnych w Kanadzie. Innym potencjalnym zastosowaniem dla ciepła jest produkcja gazu z węgla. Podczas spalania paliw kopalnych wydziela się dwutlenek węgla. Caspersson odpowiedział, że przy obecnym krajowym zróżnicowaniu energetycznym paliwa kopalne nadal będą niezastąpione. W dyskusji, która nastąpiła po prezentacji, Caspersson przyznał, że realizowany w Republice Południowej Afryki projekt przekształcania gazu w paliwo przyczynia się w wielkim stopniu do zwiększenia emisji dwutlenku węgla. Kazmerski był również jednym z prelegentów na sponsorowanym przez National Science Foundation forum, które odbyło się podczas Kongresu ASME.
Tymczasem w Republice Południowej Afryki trwa już produkcja reaktora ze złożem usypanym, a Chiny dynamicznie rozwijają tę technologię.
