Podkritický reaktor
Podkritické reaktory umožňují sledovat chování neutronů ve štěpných systémech za podmínek vysoké inherentní bezpečnosti. Té je dosaženo za pomoci důsledného řízení počtu neutronů v zařízení. Podkritický stav totiž neumožňuje zařízení soběstačné udržení počtu neutronů v aktivní zóně, a proto je nutné neutrony dodávat zvnějšku, to jest použitím vnějšího zdroje neutronů. Právě v klíčové potřebě dodávat neutrony z vnějšího zdroje neutronů je skryt nejvýznamnější bezpečnostní aspekt podkritických reaktorů. Nejsou-li neutrony dodávány do podkritického systému z vnějšího zdroje neutronů, dojde k zastavení štěpné řetězové reakce.
Projekt podkritického reaktoru VR-2
Přestože ČVUT vlastní a provozuje školní reaktor VR-1, rozhodli se pracovníci Katedry jaderných reaktorů FJFI vybudovat nové jaderné zařízení, podkritický reaktor VR-2. Hlavním důvodem k tomuto rozhodnutí byla dlouhodobě naplněná provozní kapacita reaktoru VR-1. Zároveň se ukazuje, že zájem o jaderné technologie neutuchá, a tak může být rozšíření kapacit pro praktickou výuku a výzkum významným krokem v dalším rozvoji jaderného inženýrství na ČVUT.
Projekt podkritického reaktoru VR-2 kompletně zajišťuje sama Katedra jaderných reaktorů FJFI ČVUT, tj. zpracovává dokumentaci pro Státní úřad pro jadernou bezpečnost (SÚJB), připravuje a vytváří technickou dokumentaci pro dodávku komponent reaktoru, a dokonce vybrané komponenty vyvíjí. Nicméně významnou pomoc v jednotlivých etapách výstavby reaktoru VR-2 poskytují i odborníci z jiných součástí ČVUT (např. FSv, FEL nebo FS).
Projekt výstavby podkritického reaktoru VR-2 byl zahájen v říjnu roku 2019, kdy byla na SÚJB podána žádost o umístění tohoto zařízení. Povolení k umístění bylo vydáno v listopadu roku 2020. Následně, v únoru 2021, byla na SÚJB podána žádost o výstavbu reaktoru VR-2 a v březnu 2022 bylo toto povolení vydáno. Na počátku roku 2022 byla zahájena instalace jednotlivých komponent zařízení, které jsou dodávány na základě výběrových řízení širokým spektrem domácích společností. V současnosti jsou v budově reaktoru již instalovány všechny hlavní komponenty a probíhá propojování jednotlivých systémů a technologií reaktoru. Na počátku roku 2023 bude zahájeno fyzikální spouštění zařízení a následně jeho uvedení do provozu.
Technické řešení reaktoru VR-2 Podkritický reaktor je v dnešní době velmi dobře zvládnutá technologie a základním řešením se reaktor VR-2 nijak neodlišuje od řady jiných návrhů. Vychází z bazénového uspořádání reaktorové nádoby, v níž se nachází vnitřní vestavba nesoucí palivové proutky. Zásadním rozdílem je typ zdroje neutronů, který bude využíván k řízení reaktoru a jeho umístění. Reaktor VR-2 se bude od podobných zařízení také odlišovat svým experimentálním vybavením a zejména svou experimentální flexibilitou.
Konečné technické řešení reaktoru VR-2 bylo významně ovlivněno rozhodnutím umístit zařízení do stávající budovy reaktoru VR-1. Instalace podkritického reaktoru VR-2 do stejné budovy se školním reaktorem VR-1 umožňuje sdílet řadu podpůrných technologických prvků, využívat již existující technická a organizační opatření pro zajištění radiační ochrany, fyzické ochrany a připravenosti k odezvě na radiační mimořádnou událost. Díky tomu lze ve velké míře sdílet provozní náklady zařízení, což vytváří dobré finanční podmínky pro dlouhodobý a udržitelný provoz. Nevýhoda tohoto řešení spočívá v omezeném prostoru budovy školního reaktoru VR-1, což vedlo k rozhodnutí umístit nádobu reaktoru VR-2 částečně pod úroveň podlahy budovy reaktoru (viz obr. 1 a obr. 2). Toto řešení zajistilo dostatečný manipulační prostor nad nádobou reaktoru VR-2, nicméně neumožňuje vkládat externí zdroj neutronů obvyklým způsobem, tj. ve vertikálním směru ode dna nádoby do středu aktivní zóny. Vzhledem k velikosti externího zdroje neutronů (neutronový generátor) bylo rozhodnuto o jeho umístění v radiálním směru do radiálního kanálu.
Reaktorová nádoba podkritického reaktoru VR-2 má válcový tvar s plochým dnem, je vyrobena z nerezové oceli třídy AISI 316L o tloušťce stěn 6 mm a dna 10 mm. Průměr nádoby je 1 300 mm a výška 1 710 mm. Nádoba je opatřena dvěma symetrickými otvory o průměru 128 mm pro instalaci radiálních kanálů, které jsou vyrobeny z hliníku. Jeden radiální kanál bude trvale součástí reaktorové nádoby a bude sloužit k umístění neutronového zdroje pro řízení reaktoru. Druhý radiální kanál bude experimentální a bude instalován dle aktuálních experimentálních potřeb. Kanály budou uchyceny v reaktorové nádobě pomocí přírubového spoje.
Aktivní zóna bude obsahovat 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. Moderátorem bude lehká voda. Konfigurace aktivní zóny bude za jakýchkoliv podmínek podkritická (kef < 0,97), takže k udržení štěpné reakce bude nutný externí neutronový zdroj. Externí neutronový zdroj bude zajištěn neutronovým generátorem typu D-D. Jedná se o elektronické zařízení, které lze velmi jednoduše a rychle 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. pulzním režimu. Podkritický reaktor VR-2 bude flexibilním zařízením, které bude nabízet řadu experimentálních příležitostí. Díky rozebíratelné konstrukci vnitřní vestavby bude možné jednoduše měnit typ mříže (čtvercová vs. trojúhelníková) a její rozteč (optimální moderace vs. podmoderované a přemoderované uspořádání). Sofistikovaně řešené vodní hospodářství umožní 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 kanál, nabídnou prostor pro instalaci dalšího experimentálního vybavení, např. detektory neutronů, dodatečné neutronové zdroje (AmBe, Cf-252 nebo generátor typu D-T) nebo oscilátor reaktivity.
Závěr
Reaktor VR-2 bude druhým štěpným jaderným reaktorem vybudovaným a provozovaným na ČVUT v Praze. Technické řešení podkritického reaktoru VR-2 bylo voleno jako maximálně jednoduché tak, aby byl umožněn snadný přístup studentů ke všem jeho technologiím. Velký důraz byl kladen na vysokou flexibilitu a bezpečnost zařízení, což poskytne studentům více volnosti ve vedení a provádění vlastního výzkumu. Fyzikální spouštění reaktoru VR-2 je plánováno na počátek roku 2023. Zařízení rozšíří vědecko-výzkumné a vzdělávací aktivity v oblasti jaderného inženýrství na ČVUT v Praze, bude využíváno jak v oblasti experimentální neutronové, tak i reaktorové fyziky. Konkrétně bude reaktor VR-2 nabízet úlohy pro stanovení mikroskopických a makroskopických parametrů aktivních zón jaderných reaktorů, určování kinetických parametrů jaderných reaktorů, studium bezpečnostních charakteristik jaderných zařízení, testování detekčních systémů a ověřování výpočtových programů.
Ing. Jan Rataj, Ph. D. - absolvoval inženýrské a doktorské studium na FJFI ČVUT v Praze, obor Jaderné inženýrství. Je vedoucím Katedry jaderných reaktorů. Jako akademický pracovník zajišťuje výuku v experimentální neutronové a reaktorové fyzice. Věnuje se experimentální činnosti na školním reaktoru VR-1 a v jeho přilehlých laboratořích, spolupracuje s MAAE v oblasti hodnocení bezpečného provozu a využívání výzkumných jaderných reaktorů.
Ing. Filip Fejt – absolvoval inženýrské studium na FJFI ČVUT v Praze, obor Jaderné inženýrství. V současné době je vedoucím provozu školního reaktoru VR-1 provozovaného Katedrou jaderných reaktorů. Témata disertační práce a vědecké činnosti jsou zaměřena na deterministické neutronověfyzikální a termohydraulické analýzy výzkumných reaktorů a hodnocení jejich jaderné bezpečnosti.