CZ36659U1 - Zařízení na získávání energie z použitého paliva jaderných reaktorů VVER - Google Patents

Description

Zařízení na získávání energie z použitého paliva jaderných reaktorů VVER

Oblast techniky

Technické řešení se týká získávání tepelné energie z jaderného paliva, které před tím bylo použito v jaderných reaktorech typu VVER.

Dosavadní stav techniky

Jaderné palivo, které bylo použito v jaderných reaktorech typu VVER, je dnes nejprve skladováno v bazénech vyhořelého paliva (ve všech zemích). Posléze je toto palivo skladováno v meziskladech jaderného paliva před tím, než bude uloženo do trvalého úložiště vyhořelého jaderného paliva (aplikuje např. Maďarsko, Slovensko, Česko). Tento proces je mnohaletý a velmi finančně, administrativně a bezpečnostně náročný. V některých zemích (např. Rusko) může být vyhořelé palivo jaderných reaktorů VVER přepracováno v přepracovacím závodě na nový typ paliva pro jiné typy jaderných reaktorů. Přepracovací závody jsou mimořádně nákladné i náročné na výstavbu, jejich provoz a nové palivo je tak drahé.

Ve stavu techniky jsou známa řešení opětovného využití paliva, například kanadský spis CA 2246064 AI zveřejňuje řešení, kdy jsou palivové články, které byly použity ve varných jaderných reaktorech, rozebrány na jednotlivé palivové proutky, následně jsou vytvořeny nové palivové články s novou geometrií palivového článku, kdy jsou využity (smíchány) palivové proutky nové a použité (z palivových článků, které byly použity ve varných jaderných reaktorech). Následně jsou v těžkovodním reaktoru tyto nové palivové články použity jako palivo. Tento reaktor pak pracuje na stejné nebo vyšší teplotě než původní reaktor VVER. Nevýhodou tohoto řešení je nutnost rozebírání palivového článku, která má za následek značné zvýšení pracnosti a nákladů.

Dále je ve stavu techniky známo řešení popsané v mezinárodní přihlášce WO 2009150710 AI, kdy jsou palivové články přepracovány chemickou separací uranu. Následně jsou pak tyto články využit v těžkovodním reaktoru. Nevýhodou tohoto řešení je chemického zpracování palivových článků, které má za následek značné zvýšení pracnosti a nákladů.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky využití jaderného paliva, které před tím bylo použito v jaderných reaktorech typu VVER, odstraňuje zařízení na získávání energie z použitého paliva jaderných reaktorů VVER.

Dnes komerčně skladované použité VVER palivové články (ať už v bazénech či v meziskladech) se v zařízení na získání energie z použitého paliva jaderných reaktorů VVER použijí za použití specifických materiálů a fyzikálních parametrů k produkci tepla, které je pak komerčně využito.

Toto palivo se použije ve stejné formě palivových článků jako bylo použito v VVER reaktoru, rozmístěné v trojúhelníkové palivové mříži v nádobě s kapalným D2O moderátorem a kapalným chladivém. Jako chladivo těchto palivových článků a moderátor se v zařízení na získání energie z použitého paliva jaderných reaktorů VVER použijí materiály s menším makroskopickým absorpčním účinným průřezem pro pohlcení neutronů než je tomu u reaktorů VVER. Palivo se použije v zařízení na získání energie z použitého paliva jaderných reaktorů VVER za nižších teplot sloučenin uranu a s nižším tlakem chladivá, než u reaktorů VVER, čímž dojde k uvolnění reaktivity. Některé palivové články budou od sebe více vzdáleny než u VVER reaktoru, čímž též dojde k uvolnění reaktivity.

-1 CZ 36659 UI

Zařízení na získání energie z použitého paliva jaderných reaktorů VVER je pak zařízení, kde probíhá řízená štěpná jaderná reakce uranu a plutonia za uvolnění tepla. Toto teplo je odváděno chladivém do tepelného výměníku, kde je pak následně komerčně využito. V zařízení na získání energie z použitého paliva jaderných reaktorů VVER probíhá též tvorba lichých izotopů plutonia ve větší míře než u VVER reaktorů, tím se zvyšuje reaktivita paliva. Zařízení na získání energie z použitého paliva jaderných reaktorů VVER lze provozovat i s čerstvým VVER palivem a umožňuje kampaňový provoz i u paliva, které je ve VVER reaktorech už nepoužitelné.

Podstatou tohoto technického řešení je zařízení na získávání energie z použitého paliva jaderných reaktorů VVER, kde makroskopický účinný průřez pro absorpci neutronů je u použitého moderátoru minimálně o 5 % menší než u běžné H2O.

S výhodou je v zařízení na získávání energie z použitého paliva jaderných reaktorů VVERnejvyšší teplota uvnitř paliva minimálně o 150 °C nižší než nejvyšší přípustná teplota uvnitř paliva v reaktoru, kde bylo palivo použito primárně.

S výhodou je v zařízení na získávání energie z použitého paliva jaderných reaktorů VVERnejvyšší tlak chladivá ve všech provozních režimech menší než 12 MPa.

S výhodou je rozteč mezi některými palivovými články minimálně o 3 mm větší než u reaktoru, pro které bylo palivo původně vyrobeno.

Příklady uskutečnění technického řešení

Navrhovaným technickým řešením a předmětem předloženého technického řešení je zařízení na získání energie z použitého paliva jaderných reaktorů VVER, jaderný reaktor s tepelnými neutrony, o výkonu 50-100 MWt na ohřev chladivá o atmosférickém tlaku z 70 °C na 120 °C.

V předloženém řešení je kupříkladu zvolena optimální koncentrace směsi chladivá 66 % o-terfenyl, 34 % m-terfenyl, (tzv. Santowax OM) pro 91 palivových článků předem použitých v reaktoru VVER-440 (např. jaderné elektrárny Dukovany). Tyto palivové články jsou rovnoměrně rozmístěny v trojúhelníkovém uspořádání v nerezové stíněné válcové nádobě o průměru a výšce 5 m. Použité chladivo za daných teplot je z fýzikálního hlediska lepší než H2O u VVER reaktorů. Též použitý D2O moderátor a reflektor je z neutronického hlediska lepší než H2O u VVER reaktorů. Zařízení na získání energie z použitého paliva jaderných reaktorů VVER se řídí změnou výšky hladiny moderátoru či reflektoru či standardními řídícími tyčemi (např. s bórem). S daným vyhořelým palivem může být na daném výkonu provozováno minimálně 9 měsíců. Ohřáté teplé chladivo je vyvedeno a v tepelném výměníku mimo zařízení na získání energie z použitého paliva jaderných reaktorů VVER chlazeno na vstupní studenou teplotu. V prvních měsících provozu se vlivem měkčího neutronového spektra více (v porovnání s reaktory VVER) vytvářejí liché izotopy plutonia a reaktivita paliva v zařízení na získání energie z použitého paliva jaderných reaktorů VVER stoupá. Další vnos reaktivity způsobuje výrazně nižší teplota paliva uvnitř palivových článků v porovnání s reaktory VVER.

Průmyslová využitelnost

Výše uvedené technické řešení „Zařízení na získávání energie z použitého paliva jaderných reaktorů VVER“ může být využito především v teplárenství pro většinu z desetitisíců dnes skladovaných palivových článků použitých ve VVER reaktorech za poslední půlstoletí. Zejména se toto řešení dá použít u VVER reaktorů, kde palivo nedosáhlo maximálního povoleného vyhoření. Toto řešení přispívá k lepšímu využití paliva a lepší ekonomice. Zařízení na získání energie z použitého paliva jaderných reaktorů VVER lze použít i s neozářeným palivem.

Claims (2)

NÁROKY NA OCHRANU

1. Zařízení na získávání energie z použitého paliva jaderných reaktorů VVER, zahrnující palivovou mříž, moderátor a nádobu, přičemž makroskopický účinný průřez pro absorpci neutronů 5 je u moderátoru minimálně o 5 % menší než u běžné H2O, vyznačující se tím, že dále zahrnuje palivo ve stejné formě jako palivové články použité v jaderném reaktoru VVER.

2. Zařízení na získávání energie z použitého paliva jaderných reaktorů VVER podle nároku 1, vyznačující se tím, že rozteč mezi některými palivovými články je minimálně o 3 mm větší než u reaktoru, pro které bylo palivo původně vyrobeno.