Ruska državna korporacija za atomsku energiju Rosatom najavila je početak revolucionarnog pilot projekta novog postrojenja za proizvodnju i refabricaciju nuklearnog goriva u reaktoru naziva BREST-OD-300 koji je olovom hlađen brzi neutronski reaktor razvijen u Rusiji. Početak pilot operacija ključna je prekretnica u razvoju IV generacije nuklearnog energetskog sustava. Ruska nuklearna industrija ne zaostaje za američkom koja isto razvija male modularne nuklearne reaktore IV generacije koji nisu hlađeni vodom već otopljenim solima ili otopljenim metalima.

Jedinica za proizvodnju i refabrifikaciju nuklearnog goriva za inovativni brzi neutronski reaktor BREST-OD-300 puštena je u pilot rad u Seversku, Tomska oblast, Zapadni Sibir. Rosatom kaže da je to prvi od tri objekta jedinstvenog pilot demonstracijskog energetskog kompleksa IV generacije (PDEC), koji se gradi u sklopu strateškog projekta "Proryv" (Proboj) na lokaciji Sibirskog kemijskog kombinata.

Proizvodnja nuklearnog goriva već je počela
Rosatom je putem priopćenja za javnost 25. prosinca 2024. objavio da je automatizirano postrojenje već izradilo modele paketa goriva dizajna jezgre BREST-OD-300 s gorivim kuglicama osiromašenog uran-nitrida. Postrojenje za proizvodnju goriva uključuje četiri proizvodna mjesta: karbotermalnu sintezu miješanih uranovih i plutonijevih nitrida, proizvodnju gorivih kuglica, proizvodnju gorivih elemenata i sastavljanje kompletnih paketa goriva.

Od sada, osoblje je uključeno u izradu paketa BREST-OD-300 s matricom goriva s osiromašenim uranom u skladu s trenutnom dozvolom Rostechnadzora (Ruski industrijski i nuklearni regulator). Nakon dobivanja odobrenja regulatora za rukovanje plutonijem, osoblje će započeti s proizvodnjom ciljnog proizvoda miješanog gustog nitridnog uran-plutonijevog goriva (ili MNUP goriva). Gorivo MNUP ključno je za postizanje maksimalne koristi od ruskog goriva IV generacije, reaktora i radiokemijske tehnologije, prema Rosatomu.

Nuklearni reaktor IV generacije sa zatvorenim pogonom gorivnog ciklusa na jednom mjestu
Rusija planira izgraditi nuklearni energetski sustav četvrte generacije koji uključuje primjenu različitih tehnologija koje objedinjuje zajednički rezultat odnosno veću učinkovitost iskorištenja goriva, povećana sigurnost, energetska učinkovitost, smanjenje istrošenog nuklearnog goriva itd.

Reaktori s brzim neutronima čine temelj suvremene nuklearne industrije te koriste oko 1 posto prirodnog urana dok se preostalih 99 posto šalje na privremeno skladištenje ili se odlaže kao radioaktivni otpad. Reaktori na brzim neutronima imaju sposobnost učinkovitog korištenja sekundarnih proizvoda gorivnog ciklusa (osobito plutonija) za proizvodnju električne energije.

U isto vrijeme, s visokom stopom reprodukcije, brzi reaktori mogu proizvesti više potencijalnog goriva nego što potroše, kao i "naknadno sagorjeti" (tj. iskoristiti s proizvodnjom energije) visoko aktivne transuranske elemente (manje aktinoide). Rosatom kaže da će BREST-OD-300 biti prvi svjetski brzi reaktor hlađen olovom i imat će jedinicu električne snage od 300 MWe. Učinkovitost reaktora bit će osigurana korištenjem inovativnog MNUP goriva. U potpunosti se sastoji od sekundarnih proizvoda ciklusa nuklearnog goriva te osiromašenog urana i plutonija.

Rusija planira proizvesti više od 200 MNUP paketa goriva prije početnog punjenja jezgre reaktora BREST-OD-300. Pilot demonstracijski energetski kompleks sastojat će se od tri objekta: jedinice za proizvodnju (izrada/refabrikacija) gustog nitridnog uran-plutonijevog nuklearnog goriva, nuklearne elektrane s inovativnim brzim neutronima olovom hlađenim reaktorom BREST-OD-300 i jedinica za preradu ozračenog goriva.

“Tako će se po prvi put u svjetskoj praksi na jednom mjestu graditi nuklearna elektrana s brzim reaktorom i stacionarnim zatvorenim ciklusom nuklearnog goriva. Nakon ponovne obrade, ozračeno gorivo bit će poslano na preradu (tj. ponovnu proizvodnju svježeg goriva). Time će ovaj sustav postati praktički autonoman i neovisan o vanjskim opskrbama energetskim resursima”, navodi se u priopćenju.

“U ovom trenutku Rosatom ima najveći napredak u svijetu u razvoju nuklearnih tehnologija generacije IV. Prema klasifikaciji IAEA, to podrazumijeva veću učinkovitost u korištenju sirovina za gorivo, povećane standarde sigurnosti za rad nuklearnih postrojenja, kao i značajno smanjenje količine nuklearnog otpada", rekao je Alexey Likhachev, izvršni direktor Rosatom State.

Dizajn i principi rada reaktora
BREST-OD‑300 prvi je olovom hlađeni nitridni reaktor na brze neutrone koji dovodi teoriju u stvarnost. Njegov ključni cilj je pokazati izvedivost najnovijih reaktorskih tehnologija i opipljivost zatvaranja ciklusa nuklearnog goriva. BREST-OD‑300 je ruski akronim za "300 MW pasivno siguran pilot demonstracijski brzi neutronski reaktor." Koristi rastaljeno olovo kao rashladno sredstvo i mješavinu uranovih i plutonijevih nitrida (MUPN) kao gorivo. Prvi beton za podlogu reaktora izliven je u lipnju 2021.

Nova vrsta rashladne tekućine zahtijeva specifičan dizajn: jezgra BREST-OD‑300 nalazi se u središnjem dijelu armiranobetonskog bazena ispunjenog rastaljenim olovom. U njegovim rubnim dijelovima smješteni su generatori pare i cirkulacijske pumpe. Temperature taljenja i vrenja i druga fizikalna svojstva rashladne tekućine i konstrukcija reaktora omogućuju izostavljanje hvatača jezgre i mnogih pomoćnih sustava i smanjuju sigurnosne zahtjeve za opremu izvan pilota. Integralni dizajn i fizika reaktora BREST isključuju mogućnost nesreća koje bi zahtijevale evakuaciju ljudi.

Reaktor ima dvokružni dizajn: nuklearno gorivo zagrijava rastaljeno olovo u primarnom krugu; rastaljeno olovo zatim teče kroz generator pare i predaje toplinu vodi u sekundarnom krugu; voda se pretvara u paru i okreće turbinski generator za proizvodnju električne energije.

BREST-OD‑300 dio je takozvanog 'pilot demonstracijskog pogona za proizvodnju električne energije' (skraćeno ODEK na ruskom) koji također uključuje jedinicu za proizvodnju uran-plutonijevog goriva i jedinicu za preradu istrošenog goriva. Novo svježe gorivo tamo će se proizvoditi iz reaktorskog plutonija i osiromašenog urana karbotermalnom sintezom. Tri ODEK jedinice trebaju pokazati održivost recikliranja istrošenog goriva u svježe gorivo, odnosno izvedivost 'zatvorenog' ciklusa nuklearnog goriva na lokaciji.

Višedimenzionalni inženjering
Krajem travnja, Siberian Chemical Plant (SCP, dio Rosatomove TVEL Fuel Company), mjesto domaćina ODEK-a, počelo je sastavljati prototip pumpe za rastaljeno olovo. Pumpa je teška preko 30 tona i izrađena je od visokolegiranih čelika i keramičkih materijala. Njezini su dijelovi isporučeni na gradilište krajem ožujka 2023. Kada bude sastavljena, bit će testirana na namjenskom ispitnom stolu, u stupcu ispunjenom rastaljenim olovom. Pumpa je sposobna pumpati 11 tona rastaljenog olova u sekundi kroz primarni krug reaktora, što je usporedivo s opterećenjem kamiona srednje veličine. Godine 2023. pumpa će biti testirana na tlak i protok. Na temelju dobivenih rezultata, dizajn prototipa se može modificirati za proizvodnju četiri pumpe za reaktor.

Tvornica kemijskih koncentrata u Novosibirsku (dio Rosatoma) razvija lažne gorivne elemente za model jezgre reaktora. Planirano je da budu spremni krajem 2024. i bit će isporučeni ODEK-u. Gorive šipke i sklopovi goriva za BREST-OD‑300 temeljito su proučeni i testirani s prednje strane. Kao nedavni primjer, lažne gorivne šipke testirane su u pulsirajućem reaktoru IGR (Kazahstan). Dovršeni u rujnu 2022., testovi i naknadne studije nakon zračenja potvrdile su procijenjenu izvedbu gorivih šipki u uvjetima izvan projektiranih, kao što je dodavanje pozitivne reaktivnosti.

U međuvremenu, istraživači proučavaju nove materijale koji bi mogli poboljšati učinkovitost goriva. U veljači ove godine VNIINM (dio Rosatoma) proizveo je pilot seriju bimetalnih cijevi sa zaštitnim slojem od feritnog čelika debljine 0,3 mm. Takve se cijevi mogu koristiti kao obloge gorivih šipki u reaktorima hlađenim olovom i kao osnovni materijal za ćelije razmakničke rešetke u jezgri reaktora. Novi strukturni materijali potencijalno će povećati sagorijevanje MUPN goriva u brzim reaktorima hlađenim olovom za 20–25 % i, posljedično, učiniti rad reaktora isplativijim.

Uvelike se radi i na poboljšanju kvalifikacija zaposlenika. U ožujku je preko 30 zaposlenika jedinice za proizvodnju/refabrikaciju ODEK završilo tečaj analitičke simulacije. Uvježbavali su operativne vještine, proučavali proizvodne procese i učili postupke u slučaju opasnosti. Kasnije ove godine, zaposlenici SCP-a odradit će dvotjednu praksu u Belojarskoj nuklearnoj elektrani. Izgradnja reaktora, montaža opreme, razvoj modula za preradu OHG-a i drugi radovi odvijaju se u potpunosti prema planu. Puštanje ODEK-a u cijelosti planirano je za 2030. godinu.
www.rosatomnewsletter.com
www.interestingengineering.com