Revoluce v jaderné energetice: USA nahrazují tyče rotujícími bubny v mikroreaktorech

Inženýři z Idaho National Laboratory (INL) dosáhli významného milníku ve vývoji mikroreaktoru MARVEL. Úspěšně sestavili a otestovali nový systém řízení reaktivity (RCS), který nahrazuje tradiční objemné jaderné řídicí tyče vysoce přesnými rotujícími bubny.

Řídicí buben a řídicí tyč mají stejné základní funkce – jedna se posouvá, druhá otáčí, vysvětlil Anthony Crawford, výzkumník z mechatronické skupiny INL. Řídicí bubny jsou však náročnější kvůli své setrvačnosti, ložiskům, průchodům a rotační dynamice, což je důvod, proč je průmysl ne vždy používá.

Po více než půl století regulují jaderné elektrárny výkon posouváním svislých řídicích tyčí dovnitř a ven z aktivní zóny reaktoru. Ačkoli jsou tyto systémy spolehlivé, vyžadují značný vertikální prostor. MARVEL (Microreactor Applications Research Validation and Evaluation) reaktor si však takový luxus nemůže dovolit.

MARVEL, vysoký pouhých 15 stop a široký 4 stopy, což je zhruba velikost dvou naskládaných telefonních budek, je navržen pro přenosnost a rychlé nasazení. Aby bylo možné zachovat tento kompaktní rozměr, výzkumníci nahradili tradiční svislé tyče čtyřmi rotujícími řídicími bubny. Mikroreaktory, zejména MARVEL, potřebují kompaktnější řešení, dodal Crawford.

V MARVELu jsou řídicí bubny klíčové pro řízení reaktoru během provozu. Na rozdíl od tyčí, které se zasouvají, tyto bubny sedí na periferii aktivní zóny a mají dvě odlišné strany. Bubny využívají reflexní materiál k odrážení neutronů zpět do aktivní zóny pro zvýšení výkonu, stejně jako absorpční materiál, který pohlcuje neutrony a zpomaluje nebo zastavuje reakci. Otáčením těchto bubnů mohou operátoři s extrémní přesností doladit výkon reaktoru.

Pro nouzové odstavení (rychlé vypnutí) je systém navržen tak, aby uvolnil spojku, což umožní pružinám okamžitě zasunout bubny do absorpční polohy.

Přechod od papíru k hardwaru nebyl bez mechanických komplikací. Během prototypování tým zjistil, že reálné tření bylo vyšší, než předpovídaly CAD modely, což bránilo dostatečně rychlému zasunutí bubnů během nouzového odstavení. Řešení vyžadovalo kompletní mechanickou přestavbu, včetně větších převodovek a přepracovaných tlumičů. Tým musel také zohlednit vůli – prodlevu v mechanickém záběru podobnou vůli ve starém automobilovém řízení. V jaderném prostředí je důležitá i jednodenní odchylka.

V současné době jsou všech pět aktuátorů sestaveno a nainstalováno na zkušebním stavu pro integrovanou kvalifikaci. Tento systém je postaven podle norem NQA-1, což je zlatý standard pro jadernou kvalitu.

Po spuštění nebude MARVEL poskytovat pouze 85 kilowattů výkonu; poslouží jako testovací platforma pro dálkové dodávky elektřiny pro izolované komunity, bezuhlíkové teplo pro průmyslové procesy a výrobu vodíku a chemikálií. Parametry RCS se vyvíjejí s reaktorem, uzavřel Crawford, a zdůraznil, že systém je laditelný tak, aby zohledňoval opotřebení paliva a bobtnání materiálu v průběhu času.