Vynikající projekt z dílny univerzitního týmu

MM: Co znamená termín „podkritický reaktor“ a jaký je rozdíl mezi ním a dalšími dvěma reaktory, provozovanými ČVUT – školním reaktorem VR-1 a fúzním reaktorem, tokamakem Golem?

J. Rataj: Podkritický znamená, že množství a uspořádání paliva v reaktoru neumožňuje samovolné udržení štěpné řetězové reakce. Aby zařízení běželo, potřebuje neustálý přísun neutronů z externího zdroje neutronů. To je hlavní rozdíl oproti reaktoru VR-1, který pracuje jako kritický a dokáže udržovat štěpnou řetězovou reakci bez pomoci externího zdroje neutronů. Fúzní reaktor Golem je úplně jiné zařízení, které pracuje na opačném principu než štěpný reaktor. Slouží ke studiu jaderné fúze, tj. slučování jader lehčích prvků, a štěpení v něm vůbec neprobíhá.

MM: Proč padla volba právě na tento typ reaktoru?

J. Rataj: Podkritický reaktor splňoval požadavky ohledně plánovaného budoucího využití zařízení a na rozdíl od stavby klasického kritického reaktoru jsou jeho příprava, licencování, stavba i provoz výrazně jednodušší. I když stále složité 😊.

MM: Co bylo důvodem pro rozhodnutí ČVUT vybudovat nové jaderné zařízení a kdy tato myšlenka vznikla?

J. Rataj: Myšlenka vznikla již někdy kolem roku 2010, nicméně reálné obrysy získala v roce 2014, kdy nám finská Aalto University nabídla, že nám daruje jaderné palivo. Hlavní motivací byl narůstající zájem o reaktor VR-1, který poptávku „zákazníků“ již nestíhal uspokojovat. Proto jsme se rozhodli, že postavíme další zařízení, na které přesuneme část aktivit z reaktoru VR-1, a uvolníme tak čas pro zájemce.

MM: Jak celý projekt vznikal? Museli jste se v jeho průběhu potýkat s významnějšími problémy?

J. Rataj: Problémů byla celá řada, jelikož v průběhu realizace projektu nastala covidová pandemie a později přišla válka na Ukrajině. Měli jsme problém se sháněním dodavatelů. Hodně nás zasáhly nedostatky komponent a materiálů, zdražování...

MM: A existoval některý natolik nepřekonatelný problém, že jste kvůli němu třeba museli pozměnit koncepci projektu? Pokud ano, jak konkrétně?

J. Rataj: Žádný problém, který by nás nutil měnit koncepci projektu, se naštěstí neobjevil. Významnější technický problém, s nímž jsme se museli vypořádat, vyplynul z průzkumu podloží v místě budoucího umístění reaktoru. Počítali jsme s tím, že reaktorová nádoba bude z důvodu prostorových omezení částečně umístěna pod úroveň podlahy reaktorové haly. Přičemž původní odhad byl, že nádoba bude usazena cca na 0,5 m silný betonový základ. Bohužel se ukázalo, že v daném místě se nachází velká vrstva navážky. Bylo tedy nutné vytvořit více než 3,5 m hluboký výkop, který byl pak až do úrovně 3 m vybetonován. Vznikla tak masivní betonová základová deska, která je zcela jistě schopna nést výrazně větší reaktorové nádoby, než má reaktor VR-2.

MM: Kde a jakým způsobem je reaktor umístěn?

J. Rataj: Reaktor VR-2 je umístěn na dolním podlaží reaktorové haly školního reaktoru VR-1. Nyní se tedy v hale nacházejí dva reaktory: školní reaktor VR-1 uvedený do provozu v roce 1990, a podkritický reaktor VR-2, o němž se bavíme nyní. Hala reaktoru se nachází v budově Těžkých laboratoří areálu MFF UK Troja. Nicméně vlastníkem i provozovatelem obou reaktorů je ČVUT v Praze.

Jak již bylo zmíněno, reaktor, resp. reaktorová nádoba, je instalován částečně pod úroveň podlahy haly. Nádoba je usazena v nerezovém pouzdře, které je zabetonováno do masivního betonového základu.

MM: Můžete nám přiblížit technické detaily celého řešení?

J. Rataj: Technické řešení reaktoru VR-2 se nijak významně neodlišuje od řady jiných návrhů podkritických reaktorů. Vychází z bazénového uspořádání reaktorové nádoby, v níž se nachází aktivní zóna s uranovým palivem a moderátor v podobě lehké vody. Reaktorová nádoba má válcový tvar s plochým dnem, je vyrobena z nerezové oceli. Průměr nádoby je 1,3 m a výška 1,7 m. Nádoba je opatřena dvěma symetrickými otvory o průměru téměř 13 cm pro instalaci radiálních kanálů, které jsou vyrobeny z hliníku. Jeden radiální kanál je trvale součástí reaktorové nádoby a slouží k umístění neutronového zdroje pro řízení reaktoru. V umístění vnějšího zdroje neutronů je hlavní odchylka designu našeho reaktoru oproti jiným, jelikož obvykle se vnější zdroj neutronů vkládá ve vertikálním směru ode dna nádoby do středu aktivní zóny. V našem případě se jako zdroj neutronů využívá D-D generátor neutronů a na něj byla velikost radiálního kanálu optimalizována. Aktivní zóna reaktoru je umístěna v tzv. vnitřní vestavbě. Ta zajišťuje, že konfigurace aktivní zóny (uspořádání paliva v pravidelné mříži) bude vždy a za jakýchkoliv podmínek podkritická. Standardní aktivní zóna obsahuje kombinaci obohaceného a přírodního uranového paliva ve formě palivových proutků. Stínění okolo reaktorové nádoby zajišťují bloky z vysoce hustotního betonu sestavené do dvanáctistěnu.

MM: Které největší technické zajímavosti tento projekt obsahuje?

J. Rataj: Za mě je to unikátní řešení vnitřní vestavby reaktoru, která nese celou jeho aktivní zónu. Tato vestavba byla navržena tak, aby zajistila nejen rychlé a jednoduché manipulace s palivem, tj. jeho vyjmutí nebo založení do reaktorové nádoby, ale umožňuje nám i významné změny uspořádání paliva. Díky tomu jsme schopni změnit jak typ mříže aktivní zóny (čtvercová nebo trojúhelníková), tak i její rozteč (vzájemnou vzdálenost proutků v mříži). To poskytuje značnou variantnost experimentálních úloh na reaktoru VR-2.

A za významný počin celého projektu reaktoru VR-2 považuji to, že celý návrh, a z velké části i výstavba tohoto reaktoru byly prováděny pracovníky ČVUT v Praze. Že toto zařízení nebylo dodáno externí firmou, ale je vlastně takové skoro „home made“.

MM: Můžete nám více přiblížit tým, který reaktor vytvořil? Které profese se při jeho projektování a tvorbě uplatnily?

J. Rataj: Tým tvořili pracovníci Katedry jaderných reaktorů, Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské, ČVUT v Praze. Jednalo se převážně o pracovníky, kteří zajišťují a mají zkušenosti s provozem školního reaktoru VR-1. Využili jsme i pomoc kolegů z Fakulty stavební, především při procesu umisťování a výstavby základové desky. Vybrané komponenty byly dodány externími dodavateli. Například reaktorová nádoba, zásobní nádrž moderátoru, demineralizační stanice, stínění reaktoru, radiační monitorovací systém nebo systém řízení neutronového zdroje.

„Uf!“ Není jednoduché vzpomenout si na všechny profese. Ale byli to například odborníci na geotechniku, geofyziku a hydrogeologii, stavební inženýři, statici, konstruktéři, výpočtáři z oblasti reaktorové fyziky, termohydrauliky, odborníci na radiační ochranu, fyzickou ochranu, řídicí systémy, elektrikáři a řada dalších profesí.

MM: Jaké máte – vy a váš tým – plány do budoucna? Co se týče případného dalšího reaktoru, ale nejen...

J. Rataj: Nyní chceme dokončit proces uvádění reaktoru do provozu a získat povolení SÚJB ke standardnímu provozu. Zároveň připravujeme a ověřujeme experimentální úlohy pro výuku našich studentů. V další fázi připravíme výukové a výcvikové kurzy pro externí zájemce, kterých je už nyní více než dost.

Co se týká dalšího reaktoru u nás, tak si dáme asi chvíli pauzu 😊. Nyní se hlavně těšíme na výstavbu nových jaderných zdrojů v ČR a budeme rádi, když k tomuto budeme moci alespoň nepatrně přispět naší odborností.