Na začátku léta, 6. června, bylo zahájeno spouštění nejnovějšího a celkem desátého dnes fungujícího českého jaderného reaktoru. Stalo se tak v přímo v hlavním městě České republiky, v pražské čtvrti Trója, na půdě laboratoří Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské.
Malý, ale plně funkční školní reaktor VR-2 © ČVUT FJFI
Nové české v červnu spuštěné jaderné zařízení nese název VR-2, tedy „Výukový reaktor 2“, jasně vyznačující smysl jeho existence. Stejně jako ve stejné budově už více než 30 let fungující VR-1 je určeno pro potřeby vzdělávání jaderných odborníků. Nejde ovšem rozhodně „jen“ o kopii. Obě zařízení se od sebe v mnoha ohledech výrazně liší.
Pro srovnání pohled na VR-1 © ČVUT FJFI
Palivo z Finska
O stavbě nového školního reaktoru se na pražské „technice“ mluvilo už na konci první dekády. „Ovšem konkrétních kontur začal projekt nabývat v roce 2014, kdy nám finští kolegové z univerzity Aalto nabídli palivo,“ přiblížil historii Jan Rataj z Katedry jaderných reaktorů, která má provoz VR-2 na starosti.
Finové vyřazovali svůj vlastní výzkumný reaktor z provozu a nabídli důvěryhodným zájemcům z řad odborné komunity „pouze za odvoz“ 189 proutků s obohaceným palivem (na 10 % U-235) a zhruba tisícovku s přírodním uranem (cca 0,7 % U-235).
Na pražské FJFI se rozhodli příležitost využít — a to do nezanedbatelné míry vlastními silami. Zařízení VR-2 bylo pochopitelně vyrobeno na zakázku, ale projekt je v podstatě výhradně dílem odborníků z fakulty.
Design vycházel z několika předem daných faktů. Čeští vědci například věděli dopředu, že mají k dispozici proutkové palivo, a to nejen obohacené, ale také přírodní. Věděli rovněž, že při stavbě chtějí využít neutronový generátor, který měli k dispozici a jenž umožňuje postavit velmi bezpečný reaktor využívající pouze malé objemy paliva. Přitom bude mít pochopitelně důležité charakteristiky větších jaderných zařízení, a bude ho tedy možné používat jako výukové zařízení i pro odborníky pracující v praxi s energetickými reaktory.
Reaktor se také musel vejít do laboratoří fakulty, ve kterých i díky většímu VR-1 už mnoho místa není. „Poslední, ale klíčovou podmínkou pak bylo, aby toho reaktor takříkajíc hodně uměl a dalo se na něm studentům hodně ukázat,“ poslal přístup konstruktérů Jan Rataj.
Design je tedy zvolen tak, aby bylo možné rychle měnit celou řadu parametrů. Lze například rychle měnit rozmístění paliva (tedy proutků s palivem), což ovlivňuje chod reaktoru. Je možné různě kombinovat palivo obohacené s přírodním či rychle a přesně regulovat výšku hladiny vody v reaktoru nebo její ohřev, případně zchlazení. To všechno ovlivňuje průběh štěpné reakce v reaktoru.
Studenti tedy mohou zkoušet různé podmínky a přímo sledovat (či spíše si sami proměřit), jak změny ovlivňují průběh štěpení.
Na vypínač
Reaktor je ze své podstaty extrémně bezpečný. Je tak malý, že v něm nikdy nemůže být tolik paliva, aby hrozila nebezpečná neřízená jaderná reakce. Štěpení se nemůže rozběhnout bez zmíněného neutronového zdroje, který do prostoru reaktoru posílá proud částic zajišťujících štěpení paliva. Vypnutím tohoto zdroje se reakce prakticky okamžitě zastaví.
V běhu je jeho výkon minimální: „Není úplně přesné udávat výkon takhle, ale můžete si představit, že jde o zařízení s výkonem asi jednotek miliwattů, možná desetin miliwattů,“ uvádí Jan Rataj. Zato je možné jeho chod přesně řídit a měřit, takže si lze na něm bez jakéhokoliv nebezpečí vyzkoušet základní principy chodu štěpných reaktorů.
VR-2 tak bude oproti původnímu „Vrabci“ vlastně „Střízlík“. VR-1 má výkon někde kolem 500 W (znovu jde jen o velmi přibližný a poněkud zavádějící údaj, který ale dává alespoň základní představu o tom, o jaké energie jde). To docela dobře odpovídá polovině příkonu rychlovarné konvice. Ovšem s výhradou, že původní „Vrabec“ se nachází v nádrži o objemu 17 m3, tedy s obsahem 17 tisíc litrů.
Vrchní pohled na reaktor VR-2 © ČVUT FJFI
Reaktor pro třetí stranu
Čistě technicky jde o třetí reaktor školy. Jaderná fakulta ČVUT totiž už v současné době používala jaderné výukové reaktory dva. Kromě původního VR-1 je to ještě maličký fúzní reaktor Golem. Ve druhém zmíněném se zkoumají úplně opačné procesy než v obou „VR“ — slučování jader místo jejich štěpení. Jde ovšem opravdu pouze o malé výukové zařízení, jeho vědecký význam je dnes spíše okrajový.
Obě štěpná zařízení budou v budoucnosti fungovat paralelně. VR-2 rozhodně nemá původní VR-1 nahradit. Až začátkem příštího roku vstoupí do běžného provozu, bude mít fakulta jednoduše dva školní štěpné reaktory. Hlavní důvod je prostý: v současnosti už není na původním „Vrabci“ pro všechny zájemce dost času. Se dvěma reaktory bude možné tedy výuku významně rozšířit. V rámci jednoho kurzu tak nebude 10 studentů, ale dvojnásobek.
Nemusí se přitom nutně jednat jen o studenty ČVUT. „Reaktor bude k dispozici také studentům dalších univerzit, zahraničním studentům a samozřejmě také lidem z praxe, kteří k nám chodí na různá školení,“ vysvětluje Václav Čuba, děkan FJFI.
V praxi to znamená, že reaktor do budoucna bude pro školu představovat zdroj příjmů. V této souvislosti dodejme, že bez nákladů na palivo a zohlednění času pracovníků katedry, kteří celý projekt připravili, lze cenu výstavby podle fakulty odhadnout na přibližně 8 milionů korun. Z toho 6 milionů pokryly dotace.
Zájem o vzdělávání a proškolování na reaktoru je přitom značný. Původní „Vrabec“ byl vytížen na více než 90 % své provozní doby. Kromě pražských studentů na reaktory do Troje jezdí i studenti z Plzně nebo z Brna. Na VR-1 také probíhají kurzy pro obsluhu českých a slovenských jaderných elektráren.
Zájemci přijíždějí také zpoza Atlantiku a příští rok by jich mohlo ještě přibýt: „Zájem projevila i americká armáda, i když to zatím není definitivní,“ popisuje Jan Rataj dalšího možného zájemce o využití prostor.
Pražští jaderní odborníci přitom říkají, že zájem nadále roste, a zároveň doufají, že ještě poroste. „V Evropě se podobné malé reaktory spíše zavírají, než otevírají,“ říká Jan Rataj.
O jádru se přitom čím dál více mluví jako o významné složce budoucího energetického mixu. Vzhledem ke stáří evropské flotily by k něčemu takovému zjevně bylo zapotřebí nové generace techniků na stavbu i obsluhu plánovaných zařízení. Podle Jana Rataje je to vidět i na rostoucím počtu zájemců o studium oboru.
„A počty budou ještě stoupat,“ odhaduje, „pokud se rozběhne plánovaná dostavba jaderné elektrárny Dukovany.“
| REAKTOR VR-2 |
| Reaktor VR-2 je podkritický soubor řízený neutronovým generátorem. Vychází z bazénového uspořádání reaktorové nádoby, ve které se také nachází vnitřní vestavba s palivovými proutky tvořící aktivní zónu. Moderátorem je demineralizovaná voda. Vlastní reaktorová nádoba má válcový tvar s plochým dnem, je vyrobena z nerezové oceli třídy AISI 316L o tloušťce stěn 8 mm a dna 10 mm. Průměr nádoby činí 1 300 mm a výška 1 710 mm. V nádobě se nacházejí dva symetrické otvory o průměru 128 mm pro instalaci radiálních kanálů. Ty, rovněž o průměru 128 mm, jsou vyrobeny z hliníku. Jeden radiální kanál je trvale součástí reaktorové nádoby a slouží k umístění neutronového zdroje pro řízení reaktoru. Druhý bude experimentální a bude instalován podle aktuálních experimentálních potřeb. Kanály budou uchyceny v reaktorové nádobě pomocí přírubového spoje. Aktivní zóna obsahuje kombinaci obohaceného a přírodního uranového paliva ve formě palivových proutků. V případě obohaceného paliva se jedná o UO2 s 10% obohacením 235U, přírodní uran je ve formě kovového uranu. Palivo uložené ve vnitřní vestavbě (koši) je umístěno v reaktorové nádobě nebo ve skladovací nádobě. Skladovací nádoba bude umístěna v blízkosti reaktorové nádoby. V inventáři reaktoru je několik košů, které se budou lišit typem a roztečí mříže, tedy geometrií paliva. Díky rozebíratelné konstrukci vnitřní vestavby je možné jednoduše měnit typ mříže (čtvercová vs. trojúhelníková) a její rozteč (optimální moderace vs. podmoderované a přemoderované uspořádání). Sofistikovaně řešené vodní hospodářství umožňuje v reaktoru zvyšovat (až do 50 °C) nebo snižovat (až do 4 °C) teplotu moderátoru a úroveň jeho hladiny. Vybrané vertikální kanály, resp. experimentální radiální kanály nabízejí prostor pro instalaci dalšího experimentálního vybavení, například detektorů neutronů, dalších neutronových zdrojů (AmBe, Cf-252 nebo generátor typu D-T) nebo oscilátoru reaktivity. Konfigurace aktivní zóny je za jakýchkoliv podmínek podkritická, takže k udržení štěpné reakce je nezbytný externí neutronový zdroj. Externí neutronový zdroj zajišťuje neutronový generátor typu D-D. Jedná se o elektronické zařízení, které lze velmi jednoduše okamžitě vypnout. V případě jeho vypnutí se zastaví i štěpení v aktivní zóně reaktoru. Generátor neutronů umožňuje také měnit parametry generování neutronů, např. zvyšovat nebo snižovat emisi neutronů nebo pracovat v kontinuálním, resp. pulsním režimu. VR-2 je velmi flexibilním zařízením. Se začátkem skutečného plného provozu v příštím semestru bude hlavní část aktivit tvořit výuka studentů jaderného inženýrství. Zařízení bude využíváno v rámci výuky laboratorních úloh. Bude sloužit také k experimentům v rámci studentských bakalářských, magisterských a doktorských prací. Mimo výukové aktivity bude využíváno také k realizaci výzkumných experimentů. Projekt reaktoru si kompletně zajistil provozovatel, tedy Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT v Praze, včetně dokumentace pro SÚJB a technické dokumentace pro dodávku a výrobu komponent reaktoru. Významnou roli sehráli i odborníci z ostatních fakult ČVUT v Praze, kteří v rámci svých odborností poskytli neocenitelnou zpětnou vazbu. Jednotlivé komponenty jsou postupně dodávány na základě výběrových řízení širokým spektrem domácích společností. Například systém kontroly a řízení reaktoru dodala Škoda JS ve spolupráci s dataPartner. Reaktorová nádoba a radiální kanály i skladovací nádobu k ukládání a vysoušení vnitřního koše s palivem jsou zase dílem skupiny Witkowitz — Vítkovice Energetické Strojírenství. |