Učinkovitost izrabe materialnih virov v majhnih modularnih reaktorjih

Leta 2015 je 195 držav sprejelo prvi univerzalen in pravno zavezujoč globalni podnebni dogovor, katerega je cilj ohraniti dvig povprečne globalne temperature znatno pod 2 °C, zato so potrebne prenove globalne proizvodnje in porabe energije. Zaradi vse večjih stroškov kapitala so v ospredje prišle male in srednje velike jedrske elektrarne, tako imenovani SMR reaktorji (small modular reactors), ki nudijo večjo prilagodljivost, kot večje enote. Poznamo več tipov SMR reaktorjev, ki se razlikujejo po velikosti, razvoju, tipu primernega reaktorskega hladila oziroma moderatorja. Pri danem projektu se bomo osredotočili na tlačnovodne reaktorje kot so NuScale (USA), ACP100 (Kitajska) in podobni, ki so že v gradnji oziroma izpolnjujejo vse varnostne zahteve za obratovanje. SMR reaktorji imajo v principu zaradi manjše sredice reaktorja večji pobeg nevtronov iz sredice, zato je s stališča transporta nevtronov pričakovati slabše izkoristke. Zaradi tega je zasnova tovrstnih reaktorjev prilagojena, da delno kompenzira izgube nevtronov iz sredice. Npr. zasnova NuScale sredice uporablja reflektor, ki del pobeglih nevtronov sipa nazaj v sredico. V splošnem velja, da je ravnanje z odpadki (visoko, srednje in nizko radioaktivnimi odpadki) odvisno od nastajanja radionuklidov v reaktorju, le-to pa je odvisno od geometrije, materialne sestave goriva, moderatorja in ostalih komponent. Proizvajalci novih manjših reaktorjev se v prosto dostopnih dokumentih navadno izognejo natančnim informacijam o vrsti in nastajanju radioaktivnih odpadkov. Raziskovalci na univerzi Pensilvanija so na podlagi enostavnih fizikalnih principov ugotovili, da je količina odpadkov na normirano enoto energije večja v primerjavi z obstoječimi reaktorji. Ocenili so, da je volumen izrabljenega goriva večji za faktor 1.7 v primerjavi z obstoječimi tlačnovodnimi reaktorji, kar je v nasprotju z napovedmi, ki jih promovirajo proizvajalci tovrstnih reaktorjev. Tovrstne površne analize lahko ovržemo samo z natančnimi izračuni. Glavni cilj projekta je analizirati vse procese nastajanja odpadkov, od visoko radioaktivnih odpadkov (izrabljeno gorivo), do nizko in srednje radioaktivnih odpadkov, ki nastajajo med obratovanjem, izvesti analizo poškodb reaktorske tlačne posode ter rezultate primerjati s konvencionalnimi tlačnovodnimi jedrskimi reaktorji. V sklopu projekta bomo naredili preračune pobega nevtronov iz sredice, izračunali materialno sestavo izrabljenega goriva, iz česar je potem možno enostavno izračunati integralne parametre kot sta aktivnost in zakasnela toplota. Ocenili bomo vpliv le-teh na različne konceptualne možne rešitve po prenehanju obratovanja danih reaktorjev. Analizirali bomo rešitve povezane z začasnim odlaganjem goriva v suho skladišče, končno odlagališče ali pa morebitno predelavo goriva za ponovno uporabo. Opravili bomo analizo aktivacije reaktorske tlačne posode, saj je le-ta pomemben faktor po izteku življenjske dobe tovrstnih reaktorjev. Dodatno bomo analizirali sevalne poškodbe reaktorske tlačne posode in drugih komponent oziroma analizirali staranje tlačne posode ter rezultate primerjali s konvencionalnimi tlačnovodnimi jedrskimi reaktorji. Vse rezultate bomo normirali na enoto proizvedene električne energije zaradi primerjave z obstoječimi tlačnovodnimi reaktorji, npr. NEK. Predlagane raziskave bomo opravili za konstantno obratovanje reaktorjev na polni moči (t.i. pasovni način), kakor tudi v načinu sledenja bremenu. Vse izračune bomo opravili z uporabo metode ROM-ICM in metode Monte Carlo transporta delcev, ki sta primerni metodi za tovrstne manjše reaktorje. Uporabili bomo različna orodja, s katerimi imamo že izkušnje. Z danimi rezultati bomo odgovorili na vprašanje glede količine in radiotoksičnosti odpadkov, ki ima pomemben ekonomski in socialni vidik, saj je običajno to tema, ki je zanimiva za širšo sprejemljivost jedrske energije v javnosti.