Samowystarczalny system odprowadzania ciepła umożliwi bezpieczniejsze wytwarzanie energii jądrowej
Nawet po zatrzymaniu reakcji łańcuchowej paliwa, rdzenie reaktorów zainstalowanych w elektrowniach jądrowych nadal generują ciepło powyłączeniowe, które musi zostać odprowadzone do wymiennika ciepła, takiego jak na przykład chłodnia kominowa. Obecnie wykorzystywane systemy odprowadzania ciepła są zazwyczaj zależne od zewnętrznych źródeł zasilania oraz dostępu do wody, a dodatkowo w wielu przypadkach są systemami aktywnymi (na przykład są uruchamiane w wyniku przekroczenia określonej temperatury granicznej lub ręcznie przez obsługę reaktora). Finansowany przez Unię Europejską projekt sCO2-HeRo (The supercritical CO2 Heat Removal System) pozwala na odprowadzanie ciepła bez tych zależności, co sprawia, że cały proces staje się bardziej efektywny, niezawodny i bezpieczniejszy. Rozwiązanie sCO2-HeRo jest zasilane przez ciepło powyłączeniowe, co sprawia, że jest niezależne od zewnętrznych źródeł zasilania. Co więcej, nowy system aktywuje się automatycznie i jest całkowicie samowystarczalny. Ponadto ten niezwykle kompaktowy system chłodzenia nie wymaga dostępu do wody dzięki zastosowaniu nadkrytycznego (ciekłego) dwutlenku węgla oraz powietrza w roli wymiennika ciepła. Testy systemu w praktyce Innowacyjnym pomysłem zrealizowanym w ramach projektu sCO2-HeRo było wykorzystanie ciepła odpadowego wytwarzanego przez elektrownie jądrowe w celu zasilania systemu jego odprowadzania. Uczestnicy projektu otrzymali do realizacji projekty poszczególnych elementów systemu, które następnie musiały zostać przetestowane. Zarówno kompaktowy wymiennik ciepła, turbina oraz wymiennik ciepła zostały wykonane, przetestowane oraz sprawdzone przy pomocy narzędzi symulacyjnych w celu zagwarantowania jakości zastosowanych podzespołów. Jednym z wyzwań, którym musiał stawić czoła zespół projektowy było uruchomienie systemu bez zasilania bateryjnego – problem ten udało się rozwiązać dzięki zastosowaniu zbiornika ciśnieniowego magazynującego dwutlenek węgla. Uwolnienie ciśnienia powoduje start turbiny, która umożliwia działanie rozwiązania. W celu przeprowadzenia dalszych badań podzespoły nowego rozwiązania zostały zintegrowane ze szklanym prototypem. Przeprowadzone testy potwierdziły prawidłowe działanie systemu. W następnym kroku w celu zbadania zdolności systemu do działania w sytuacjach awaryjnych, zespół projektowy przetestował rozwiązanie przy pomocy opracowanego w Niemczech oprogramowania ATHLET służącego do symulacji przepływu ciepła oraz wody i pary wodnej w elektrowni jądrowej. „Udane testy pokazały, że system odprowadzania ciepła sCO2 skutecznie odprowadza ciepło powyłączeniowe do otaczającego powietrza, chłodząc reaktor i zapewniając jego bezpieczeństwo. Tak długo, jak obieg chłodzenia – od rdzenia reaktora do powietrza dzięki pętli chłodzącej systemu sCO2 – będzie podtrzymany, ciepło będzie usuwane z rdzenia, co pozwala zyskać czas na podejmowanie dalszych działań takich jak ponowne podłączenie elektrowni do sieci energetycznej lub doprowadzenie maszyn do zakładu”, twierdzi koordynator projektu prof. Dieter Brillert. Zwiększone zaufanie Pomimo tego, że energia jądrowa stanowi obiecujące rozwiązanie dla sektora energetycznego, pozwalające na znaczące zmniejszenie emisji CO2 do atmosfery, akceptacja społeczeństwa będzie w dużej mierze uzależniona od wiary w bezpieczeństwo zastosowanych technologii. Automatyczne i samowystarczalne rozwiązanie sCO2-HeRo, które jest całkowicie niezależne od reaktorów, pozwala na zwiększenie zaufania. Ponadto zespół jest przekonany, że opracowany system pozwoli na wydłużenie czasu bezpiecznego odprowadzania ciepła w przypadku przerwy w dostawie energii elektrycznej. W takiej sytuacji niezwykle cenna okaże się także zdolność rozwiązania do wytwarzania energii. W celu dalszego rozwoju technologii, członkowie zespołu projektowego realizują obecnie kolejny projekt – sCO2-4-NPP (wybrany do finansowania przez Komisję Europejską), który ma za zadanie opracowanie lepszego oprogramowania do symulacji cieplno-przepływowych. Jednym z wyróżników nowego projektu będzie wykorzystanie symulatora elektrowni jądrowej wykorzystującej reaktor wodny ciśnieniowy, stanowiący dokładną kopię pomieszczenia sterowania elektrowni jądrowej ze wszystkimi sygnałami przekazywanymi w czasie rzeczywistym. Następnie wirtualny model rozwiązania sCO2-HeRo zostanie połączony z reaktorem wodnym ciśnieniowym w celu sprawdzenia procesu usuwania ciepła. Mimo że dotychczas system był stosowany przez zespół projektowy z istniejącymi reaktorami III generacji, jego konstrukcja pozwala na integrację z reaktorami IV generacji, które wejdą do użytku w przyszłości. „Po skutecznym zademonstrowaniu możliwości systemu w sytuacjach awaryjnych zamierzamy podjąć współpracę z krajowymi organami zajmującymi się bezpieczeństwem oraz operatorami elektrowni jądrowych w celu jego wdrożenia”, twierdzi profesor Brillert. „Przed nami jeszcze długa droga, ale nasze podejście oparte na iteracji oznacza, że już na obecnym etapie uwzględniliśmy uwagi i opinie interesariuszy, co pozwoli nam oszczędzić czas w późniejszych fazach projektu”.
Słowa kluczowe
sCO2-HeRo, energia jądrowa, reaktor, ciepło powyłączeniowe, energia, system chłodzenia, wymiennik ciepła, odpady, dwutlenek węgla, wypadki, turbina
