Štefan Čerba

V mojom úvodnom blogu som sa Vám snažil priblížiť začiatky vývoja jadrovej energetiky. Ubehlo už viac ako 70 rokov odkedy Enrico Fermi dosiahol prvú riadenú štiepnu reťazovú reakciu. Keďže sa vývoj nezastavil, máme v súčasnosti v 32 krajinách sveta v prevádzke skoro 440 jadrových reaktorov. Tieto reaktory slúžia primárne ako zdroje elektrickej energie a v roku 2013 dodali do siete okolo 2500 miliónov kWh elektrickej energie. Dočítali ste sa, že s jadrovou energiou sa môžeme stretnúť aj na miestach, kde by sme to najmenej očakávali, od medicíny až po ďaleký vesmír. Dnes sa budeme venovať takzvaným neelektrickým aplikáciách jadrových reaktorov, ktoré sú vo väčšine prípadov doplnkovými službami k výrobe elektrickej energie.

Na základe klasifikácie Medzinárodnej agentúry pre atómovú energiu vo Viedni (MAAE) ide hlavne o tieto aplikácie:

• odsoľovanie morskej vody,
• výroba vodíka,
• vykurovanie obytných priestorov,
• ťažba ropy,
• ďalšie priemyselné aplikácie.

Jadro ako riešenie nedostatku pitnej vody

Odsoľovanie morskej vody

Možno si to neuvedomujeme, ale jedným z hlavných celosvetových problémov 21. storočia je nedostatok pitnej vody. Oceány a moria predstavujú viac ako 97 % zásoby vody na Zemi a ak zo zvyšných necelých 3 % odrátame vodu vo forme ľadovcov a nedostupných podzemných vôd zistíme, že z celkového množstva vody na našej planéte je pitnej vody menej ako 1 %. Pre mnoho krajín je preto jediným riešením nedostatku pitnej vody odsoľovanie tej morskej. Základným cieľom tohto procesu je zníženie podielu soli vo vode z pôvodného 1000-35000 mg/l pod úroveň 500 mg/l, ktorá je podľa smernice Svetovej zdravotníckej organizácie (WHO) použiteľná na konzumáciu.

Existuje množstvo dostupných technológií, ale vo väčšine prípadov sa jedná o energeticky náročné riešenia, ktoré kladú dôraz aj na vysokú teplotu. Mnohí ste si možno položili otázku: Aká je ale úloha jadrového reaktora pri odsoľovaní? Odpoveď je možno jednoduchšia ako si to myslíte.

Pri samotnom procese odsoľovania žiadna, avšak nesmieme zabudnúť na energetickú náročnosť odsoľovacích procesov, či sa jedná len o samotné napájanie elektrickej energie alebo vysokú teplotu. Samozrejme, zdrojom môže byť čokoľvek, uholná elektráreň, paroplynový cyklus alebo kotol na spaľovanie ropy. Nevýhodou fosílnych palív sú však emisie skleníkových plynov a ich nepredpokladateľná dostupnosť v nasledujúcich rokoch. Jadrový reaktor môže zabezpečiť elektrické napájanie samotných liniek, ale čo je dôležitejšie, v jadrovom reaktor vzniká veľké množstvo odpadového tepla, čo môže zabezpečiť aj potrebnú vysokú teplotu pre procesy odsoľovania.

Čo to je to „odpadové“ teplo? Je to tepelná energie, ktorá nie je v dôsledku účinnosti termodynamického procesu premeny tepla na elektrickú energiu využitá. V závislosti od typu elektrárne to môže byť na úrovni 50 – 70 % tepelného výkonu reaktora. Zoberme si príklad jadrovej elektrárne využívajúce reaktory typu VVER-440, ktoré máme aj na Slovensku. Nech je tepelný výkon týchto reaktorov 1471 MWt. Pri elektrickej účinnosti 32 % vzniká 1000 MWt nevyužitej tepelnej energie. V prípade našich elektrárni sa využíva hlavne na vykurovanie, ale ak je teplota tohto média dostatočne vysoká, môžeme túto energiu využiť aj na odsoľovanie morskej vody.

Účinná a bezpečná technológia funguje už roky

Komplex Shevchenko v Kazachstane

Priznávam, nejedná sa o žiadnu novinku. Potenciál jadrových reaktorov na odsoľovanie morskej vody bol preukázaný prevádzkou vyše 200 reaktorokov. Priekopníkmi v tejto oblasti boli krajiny bývalého Sovietskeho zväzu. V Kazachstane v meste Aktau spustili v roku 1973 komplex Shevchenko, nachádzajúci sa na pobreží Kaspického mora. Tento závod na odsoľovanie využíval sodíkom chladený rýchly reaktor BN-350. Komplex denne dodával 80 000 m³ vody. Dosahovali sa dve úrovne chemickej čistoty, s obsahom soli 200 mg/l pre bežnú konzumáciu a s obsahom 2-10 mg/l pre špecifické technologické aplikácie.

V dôsledku technologického veku bol tento závod odstavený v roku 1999. Počas jeho 26-ročnej prevádzky neboli zaznamenané žiadne udalosti úniku sodíka z reaktora, ani žiadne abnormálne prevádzkové stavy. Vykonané radiologické charakteristiky preukázali, že využitie jadrového reaktora na odsoľovanie morskej vody nemá vplyv na kvalitu vyrobenej pitnej vody, čiže akékoľvek obavy z rádioaktívnej vody nie sú opodstatnené.

Konecepcia odsoľovacieho závodu v Japonsku

Ďalšou významnou krajinou je Japonsko, ktoré pred udalosťami na elektrárni Fukushima Daichi v roku 2012 malo v prevádzke 53 jadrových reaktorov. Pre zabezpečenie lepšieho chladenia reaktora bola väčšina z nich umiestnená v prímorskej oblasti, čo ponúkalo možnosti aj pre odsoľovanie morskej vody. Prvý takýto závod spustili v Japonsku ešte v roku 1978. Ako zdroj tepelnej energie využíval odpadové teplo z ľahkovodného reaktora elektrárne Ohi s elektrickým výkonom 1180 MWe. Závod mal kapacitu 1300 m³ pitnej vody denne. Do roku 2000 bolo v Japonsku sprevádzkovaných ďalších 9 zariadení v lokalitách Ikata, Genkai a Takahama. Väčšina z nich je v prevádzke dodnes. Podobné zariadenia boli prevádzkované aj v iných krajinách ako napríklad Pakistan a India.

Budúcnosť ukrytá v „malých“ modulárnych reaktoroch

Existuje niekoľko faktorov, ktoré priamo vplývajú na možnosti širšieho využitia jadrových reaktorov na odsoľovanie. Podľa prognóz MAAE dopyt po odsoľovaní morskej vody stúpa dvojnásobne každých 10 rokov. Najskôr sa s nevyhnutnou potrebou odsoľovania počíta v oblasti Severnej Afriky a Saudskej Arábie, ale neskôr aj v iných krajinách sveta. Nárastom cien fosílnych palív a taktiež so zvyšujúcim sa záujmom o emisie skleníkových plynov a ich vplyvu na klimatické zmeny sa obnovuje celosvetový záujem o nasadenie jadrovo energetických zdrojov pre odsoľovanie.

Model modulárneho reaktora SMART

Čoraz perspektívnejšími sa stávajú malé modulárne reaktory. Keďže sa jedná o modulárne jadrové zariadenia, nevyžadujú žiadnu špeciálnu infraštruktúru alebo dostupnosť zdrojov fosílnych surovín, čím prinášajú výhody aj pre rozvojové krajiny. Existuje niekoľko koncepcii modulárnych reaktorov pre odsoľovacie závody. Jedným z nich je reaktor SMART, vyvíjaný Kórejskou republikou. Napriek tomu, že ide o ľahkovodný reaktor s výkonom 330 MWt, príslušná linka by mala kapacitu 40 000 m³ pitnej vody denne a vyžadovala by výmenu paliva len raz za tri roky.

V Ruskej federácii prebieha vývoj niekoľkých typov a výkonových úrovní modulárnych reaktorov dosahujúcich kapacitu až 120 000 m³ pitnej vody denne. Hovoríme o koncepciách vyžadujúcich výmenu paliva len raz za 20 rokov.

Ako sme si ukázali, existujú dlhoročné prevádzkové skúsenosti s reaktormi na odsoľovanie morskej vody, navyše modulárne reaktory môžu napomôcť riešiť problémy celosvetového nedostatku pitnej vody. Alternatívou sú aj reaktory štvrtej generácie, ktoré majú byť prevádzkované pri vysokých teplotách a okrem odsoľovania morskej vody môžu byť použité aj na produkciu vodíka. O týchto procesoch si povieme v nasledujúcom blogu. Teším sa na vás.

O ďalších zaujímavostiach ohľadom princípu činnosti jadrového reaktora sa dočítate tu a tu.