Superkritická vodní smyčka SCWL 

Superkritická vodní smyčka SCWL (z anglického SuperCritical Water Loop), je experimentální zařízení sloužící k simulaci fyzikálních a chemických parametrů superkritického vodního reaktoru SCWR. Superkritický vodní reaktor (Supercritical-Water-Cooled Reaktor – SCWR) je vodou chlazený jaderný reaktor IV. generace, který jako chladivo a moderátor používá vodu s parametry nad kritickým bodem (374°C; 22,1 MPa). V současných tlakovodních jaderných reaktorech se parametry chladiva pohybují na výrazně nižších hodnotách: teplota nepřesahuje 350°C a tlak se drží do 16 MPa (cca. 160 atmosfér). Takto výrazný nárůst parametrů chladiva umožňuje zvýšit účinnost tepelného cyklu, je však také spojen s problematickou volbou konstrukčních materiálů.

Jaderné reaktory IV. generace, mezi něž patří i SCWR, jsou vyvíjeny v rámci mezinárodní iniciativy Generation IV International Forum (GIF) a částečně také v projektu IAEA Innovation Nuclear Reactor & Fuel Cycle Project (INPRO), a rámcovém programu Evropské komise Sustainable Nuclear Energy Technology Platform (SNE-TP) a dalších. S jejich komerčním nasazením se předběžně počítá po roce 2030.

 V rámci GIF se vyvíjí šest reaktorů IV generace: Vysokoteplotní heliový reaktor (VTHR), Plynem chlazený rychlý reaktor (GFR), Reaktor chlazený tekutými solemi (MSR), Reaktor chlazený tekutým olovem (LFR), Sodíkový rychlý reaktor (SFR), Superkritický vodní reaktor (SCWR).

Jaderné reaktory IV. generace by v sobě měly spojovat často až protichůdné technicko-ekonomické požadavky, za dodržení vysoké životnosti a vysoké bezpečnosti provozu dodávat levnou energii nejen v podobě elektrické energie. Skrývají tak mnoho problémů, na něž se vědci a technici na celém světě pokusí v následujících letech odpovědět. Jejich úspěšná realizace zajistí pokrytí stále rostoucích požadavků na dodávku energetických produktů za ceny konkurenceschopné dalším energetickým odvětvím.

SCWR je nadějná pokročilá technologie k produkci elektrické energie, která staví na již používaných technologií z uhelné energetiky a rozšiřuje parametry dnes nejvíce používaných typů jaderných reaktorů (PWR a BWR ), které tvoří asi 80% současné reaktorové flotily. SCWR může být koncipován jednak jako rychlý jaderný reaktor s uzavřeným palivovým cyklem nebo jako tepelný reaktor s otevřeným palivovým cyklem – obě varianty jsou technologicky možné, byť je v současné době hlavně dáván důraz na tepelný typ.

Hlavním principem transformace energie v energetických zdrojích je termodynamický tepelný oběh. Základními prvky každého tepelného oběhu jsou ohřívač (jaderný reaktor nebo kotel atp.), chladič (mokré a suché chladící věže atd.) a samotný tepelný cyklus umístěný mezi ohřívačem a chladičem. V roce 1824 dokázal ve svém díle “Úvahy o hybné síle ohně“ Nicolas Léonard Sadi Carnot, že žádný tepelný cyklus nemůže mít vyšší účinnost než -na počest po něm pojmenovaný- Carnotův cyklus. Účinnost Carnotova cyklu je funkcí pouze absolutní teploty ohřívače a chladiče. Z termodynamického hlediska je tedy jedinou možností ke zvýšení termické účinnosti oběhu zvětšení teplotního rozdílu mezi ohřívačem a chladičem, kde je navíc teplota chladiče dána teplotou okolí. Proto je u moderních zdrojů tepla, tedy i jaderných reaktorů, snaha stále zvyšovat jejich parametry a tak dosahovat větších teplotních rozdílů mezi ohřívačem a chladičem.

Česká republika se vývoje SCWR může zúčastnit prostřednictvím superkritické vodní smyčky SCWL, nově instalované v ÚJV Řež a.s. Tato smyčka byla hlavně postavena pro účely účasti ÚJV Řež a.s. v evropském projektu HPLWR Phase II, jehož cílem je zhodnotit potřebné technologie a stupeň proveditelnosti konstrukce jaderně-energetického zařízení se superkritickým médiem.   

Srdcem SCWL je aktivní kanál, v němž se dosahuje požadovaných fyzikálně-chemických parametrů vody (tlak 25 MPa, teplota 600°C, velmi čistá demineralizovaná voda – tj. voda s minimem chemických nečistot: chemicky se jedná téměř o čistou H₂0). Aktivní kanál bude po úspěšném dokončení neaktivního provozu mimo reaktor vložen do jaderného reaktoru LVR-15. V reaktoru se spodní část aktivního kanálu zanoří do aktivní zóny a bude vystavena neutronovému toku až 1,5·10¹⁸n/m²s (tepelné neutrony) a 3·10¹⁸n/m²s (rychlé neutrony).

Po dosažení všech těchto podmínek v aktivním kanále, započne nejdůležitější část výzkumu mající potenciál osvětlit nejpodstatnější otázky spojené s konstrukcí SCWR:

• Koroze konstrukčních materiálů v superkritické vodě, při současném působení intenzivní radiace,
• Radiolýza superkritické vody a její vlivy,
• Vývoj a testování senzorů, především měření elektrochemického potenciálu (ECP)
• Testování a optimalizace vodních režimů superkritické chladící vody. 

Většina technických problémů SCWR je přímo nebo nepřímo spojena s fyzikálně-chemicko-mechanickými materiálovými vlastnostmi konstrukčních materiálů. V popředí problémů s konstrukčními materiály stojí vysoké teplotně-tlakové parametry vody. Současné materiály mají za těchto vysokých parametrů nízké mechanické vlastnosti (pevnost, odolnost proti tečení atp.) a vykazují vysoké korozní rychlosti. Navíc jsou vystaveny neblahému vlivu neutronového toku (napuchání rozměrů, křehnutí a radiolýza). Smyčka SCWL se bude dozajista podílet na vyřešení těchto překážek dalšího rozvoje jaderné energetiky.