Prosím čekejte...
Nepřihlášený uživatel
logo VŠCHT
Nacházíte se: VŠCHT Praha  → Popularizace, média → Rozhovory → Superkritická voda mě fascinuje
iduzel: 56269
idvazba: 65587
šablona: stranka_obrazek
čas: 5.12.2020 22:32:14
verze: 4737
uzivatel:
remoteAPIs:
branch: trunk
Obnovit | RAW

Superkritická voda mě fascinuje

docent Macák

Doc. Ing. Jan Macák, CSc., je vedoucím Ústavu energetiky a kromě delších stáží v USA, Lucembursku a Itálii na ústavu působí již od vysokoškolských studií. Vyučuje předměty Energetika, Fyzikální chemie a elektrochemie či Materiály a korozní děje v energetice. Věnuje se aplikaci elektrochemických technik ke studiu koroze, zejména k in-situ stanovení korozních charakteristik za parametrů energetických oběhů. Jeho oblíbenou technikou je elektrochemická impedanční spektroskopie. 

Od letoška řešíte nový projekt s akronymem ECC SMART, čeho se týká?

Projekt je jmenuje Joint European Canadian Chinese development of Small Modular Reactor Technology a je z větší části dítětem naší absolventky Ing. Markéty Krykové, PhD. z Centra výzkumu Řež. Dala dohromady konsorcium 20 partnerů z patnácti zemí. Mimo EU jsou partneři z Ukrajiny, Kanady a Číny. Kanaďani jsou s designem reaktoru se superkritickou vodou daleko a jejich články si čtu s velkým zájmem i zaujetím. I čínský výzkum je pokročilý, jen jsou méně sdílní.

Projekt se zabývá malými modulárními reaktory, přičemž „malé“ v energetice znamená, že se jedná o reaktory do 300 MW. To ale není zrovna málo, vezmeme-li, že dukovanský reaktor má výkon 440 MW. Jde o reaktory 4. generace, které jsou chlazené superkritickou vodou, což přispěje ke zjednodušení a zlevnění technologie. Využívá se přechodu přes kritický bod vody, kdy při ohřevu nedojde k varu vody ale ke kontinuální změně z vyšší hustoty na nižší. Díky tomu může být zařízení mnohem méně komplikované. Odpadne parní generátor, systémy oddělování páry od vody, zařízení bude tedy mnohem menší a může být menší i kontejnment neboli ochranná obálka reaktoru. Obrovskou výhodou tohoto principu chlazení je systém pasivní bezpečnosti. Tedy, když to shrneme, tento typ zařízení by měl být levnější, hospodárnější a bezpečnější než stávající typy reaktorů.

Co bude vaším úkolem?

My jsme ve skupině týmů, která se bude zabývat materiály, což je jeden z velkých problémů, který se už nějaký čas řeší, a zdaleka nejsme u konce. V konsorciu je dále pracovní tým specializovaný na termohydrauliku, což je oblast důležitá pro rozvoj pasivní bezpečnosti. Další tým dělá reaktorovou fyziku, neutronovou bilanci atd.

Pasivní chlazení by mohlo znamenat velkou změnu, že?

Současné systémy jsou stavěné na bázi aktivní bezpečnosti a zásadní nutností je účinné dochlazení zbytkového tepla reaktoru při případné poruše. Po vypnutí reaktoru dojde k zastavení štěpné reakce, ale v reaktoru stále zůstává teplo z přeměny štěpných produktů, přičemž toto teplo za provozu reaktoru dělá 6 až 7 procent výkonu reaktoru, takže rozhodně není zanedbatelné. Systém se superkritickou vodou by měl pasivně fungovat 3 dny bez přívodu energie a využívat změnu hustoty vody kolem kritického bodu. Superkritická voda s nižší hustotou stoupá nahoru, tam se chladí, ochlazená voda klesá dolů, znovu protéká reaktorem, který ochladí a zase stoupá vzhůru, kde se chladí...

Využití superkritické vody je velmi dobrá myšlenka a mohla by posunout reaktory do oblasti větší bezpečnosti. Nyní jsou mezi reaktory 4. generace považovány za vnitřně bezpečné například reaktory s tekutými kovy, což znamená, že reaktory jsou chlazené olovem, eutektickou směsí olovo-bizmut nebo roztaveným sodíkem. Vyplývá to z faktu, že chladivo v těchto reaktorech není pod tlakem a při případném úniku okamžitě tuhne. Ovšem výhodou superkritické vody jako pracovního media v energetice je to, že už je spousta zkušeností z provozu řady klasických superkritických energetických bloků. Jeden z nich funguje i u nás, v elektrárně Ledvice.

Pro mě je superkritická voda velmi zajímavé médium s vlastnostmi, které se kontinuálně mění. Při nadkritickém tlaku (zhruba nad 22 MPa) roste iontový součin s teplotou až zhruba na hodnotu 10-11 tedy pKw=11 při teplotě asi 300 °C. Disociace vody je tak o tři řády vyšší než při 25 °C a neutrální voda má při této teplotě pH=5,5. Kolem kritického bodu se chování vody mění, její schopnost disociace prudce klesá, dojde k narušení vodíkových můstků a voda se z polárního média postupně mění na nepolární.  Za běžných podmínek je voda  vysoce polární a má dielektrickou konstantu 80, před kritickým bodem kolem 20 a pak dielektrická konstanta prudce klesá a za kritickým bodem je voda nepolární médium. Superkritická voda nerozpouští iontově, například chlorid sodný by byl rozpuštěn molekulárně, nedochází k disociaci vazeb a tvorbě iontů. Tento jev se v praxi hodně využívá, fungují reaktory na rozklad nebezpečných organických látek, které ve vysokoteplotním prostředí nepolární voda rozpustí a současně je velmi efektivně oxiduje až na oxid uhličitý.

Změny vlastností vody z polárních na méně polární až nepolární mají zajímavé důsledky. Voda při teplotě 350-360 °C je korozně mnohem agresivnější médium než voda o teplotě 450 nebo 500 °C. Jako ještě polární médium podporuje elektrochemickou korozi, u kritického bodu korozní rychlost klesá a za kritickou teplotou elektrochemická koroze postupně vymizí a vrchu nabývá „běžná“ koroze, kterou můžeme vidět v horkých plynech, což je, v principu, oxidace povrchu ve vysokoteplotním prostředí. I v této fázi ale zůstává přenos náboje přes povrchovou oxidickou vrstvu, takže elektrochemická měření jsou i zde možná.

Během jednoho našeho pokusu, který trval ¾ roku a další rok jsme data vyhodnocovali, jsme impedanční spektroskopií zjišťovali elektrochemické charakteristiky vody a okamžitou korozní rychlost, měřili jsme za vysokého tlaku (25 MPa) v rozsahu teplot od 250 do 600 °C a zpět chladili na 250 °C. Potvrdili jsme, že nad kritickou teplotou opravdu korozní rychlost markantně klesá, s rostoucí teplotou pochopitelně posléze korozní rychlost roste, ale předkritickému stavu se vyrovná až za teploty přes 550 °C.

O superkritické vodě mluvíte téměř s obdivem. Co se Vám na ní tak líbí?

Nejvíce mě fascinuje to, že se na Zemi přirozeně vyskytuje. Lze ji nalézt v oblasti oceánského dna, tam kde je dostatečný hydrostatický tlak, tedy v hloubkách zhruba nad 2000 metrů v místech lokální tektonické činnosti. Velmi efektivně rozpouští horniny a vynáší je vzhůru, kde se z ní opět vysráží a tvoří komíny, takové sopouchy. Tyto komíny jsou vysoké až 60 metrů, voda, která se z nich valí a nese s sebou už vysrážené horniny, připomíná temné dýmy. Takže to vypadá jako podmořské průmyslové centrum. Vědci těmto sopouchům proto také říkají black smokers – černí kuřáci.

Materiály musí vydržet vysokou zátěž, silně korozivní prostředí před kritickým bodem, vysoký tlak i vysokou teplotu. Jaké se budou používat?

V lehkovodních reaktorech jsou tabletky jaderného paliva naskládané v trubkách ze slitin zirkonia. Zirkonium má velice malou pohltivost neutronů a jeho slitiny považuji za jedny z neúspěšnějších průmyslových slitin, některé z nich se beze změny používají už 65 let. První reaktor, kde byly využity, byl na americké ponorce Nautilus. Bohužel, v superkritických reaktorech zirkoniové slitiny ve stávající podobě již není možné používat, rychlost oxidace zirkonia značně při vyšších teplotách roste. A kromě toho je při této reakci vyvíjen vodík, což je bezpečnostní riziko, které bylo příčinou výbuchu reaktoru ve Fukušimě.

Nabízí se speciální oceli, niklové slitiny, či povrchové pokrytí například karbidem křemíku. Nejde jen o korozní rychlost, ale i o řadu dalších vlastností, odolnost proti změnám způsobeným zářením, o odolnosti proti tečení a řadu dalších parametrů.

Tečení?

Tečení materiálu je pomalá deformace za působení vysoké teploty a tlaku, zjednodušeně – povoluje a hýbe se krystalická mřížka, posunují se zrna atd. Takže zvolený materiál musí být odolný vůči tečení, musí mít příznivé korozní vlastnosti a v případě, kdyby došlo k pasivnímu chlazení, tak v něm nesmí dojít k dalším nežádoucím reakcím, rozhodně není například žádoucí vývoj vodíku.

Vaše práce na projektu jsou právě nové materiály?

Náš příspěvek k projektu vyplývá z našich silných stránek, jsme schopni provést superkritický experiment s in situ měřením a máme excelentní analytickou sekci. Pro projekt jsme navrhli dva materiály, jeden na bázi ocelí a druhý z niklových slitin. Povrchovou analýzu VŠCHT Praha umí a máme také vynikající vztahy s pracovišti Akademie věd. A doufáme, že kombinace in situ měření, expozičních měření a ex situ analýz vzorků by mohla něco ukázat. Například v rámci Mott-Schottkyho analýzy měříme impedanci v úzkém rozsahu frekvencí, kde máme odezvu vrstvy prostorového náboje z oxidu tvořícího se na povrchu, přičemž se rychle posunuje potenciál. Toto měření může při troše štěstí ukázat elektronové vlastnosti oxidu, může se z něj třeba vypočítat hustota nosičů náboje v oxidu. A hustota nosičů náboje souvisí se schopností oxidu chránit povrch proti korozi nebo zpomalovat korozní děj. Tato měření děláme běžně například na slitinách zirkonia, které ale z dříve popsaných důvodů v superkritických reaktorech nebudou používány.

Kde probíhají experimenty, na kterých se podílíte?

Řadu experimentů se superkritickou vodou jsme provedli na naší vysokoteplotní smyčce, ale experiment, o kterém jsem mluvil, jsme realizovali u našeho absolventa a kamaráda Radka Novotného v Joint Research Centru v nizozemském Pettenu. Tam jsme nastartovali superkritický autokláv a Radek tam využívá to, co se naučil u nás, ale posunul výzkum už dál. Jako referentní elektrody my například stále používáme tradiční externí argentchloridové elektrody a on pro svůj experiment používá nové elektrody, které vyvíjeli kolegové ve výzkumném centru v Haldenu, a které umožňují interní měření při vysokých teplotách. Tyto elektrody využívají rovnováhy mezi kovem a jeho oxidem. Typicky se používá třeba elektroda železo-magnetit, kterou si můžeme představit jako zkumavku se směsí obou složek, stěny jsou z oxidu zirkoničitého dopovaného oxidem yttritým. Při teplotách nad 300 stupňů Celsia je to vodivá keramika, která umožňuje výměnu náboje mezi vnějším a vnitřním prostředím. Poté se měří, jak se vyrovná potenciál článku železo-magnetit. Toto zařízení je bohužel stále jednou ze slabin experimentu, protože není příliš spolehlivé a je závislé například na kvalitním naplnění, nicméně nám však významně umožnilo experiment uskutečnit. U dalších našich experimentů počítáme s tím, že použijeme rovněž pseudoreferentní elektrody, například platinové, protože pakliže máme konstantní koncentraci kyslíku v prostředí, tak má platina také konstantní potenciál a je možné vůči ní elektrochemický potenciál měřit.

Projekt začal po uzavření hranic. Jak ho to ovlivní?

Ovlivní, velmi, ale naštěstí valná část organizací se již účastnila předchozích dvou projektů, máme za sebou několik setkání, většinou se mezi sebou známe a osobní vazby již byly navázány. Kick-off meeting měl být v Kanadě, ale uděláme jej online. Já osobně to vítám, i když už jsem si zvykl na to, že musím někam 14 hodin letět a pak tam, nehledě na „jet lag“, přednášet. Online platformy naštěstí celkem fungují, jak jsme si teď ověřili.

Doufám, že další schůzky již budou fungovat a že budou moci cestovat studenti, které chceme ve větší míře zapojit. Důležité je, aby se rozjely práce, což zvládneme i po emailu a vzorky si budeme posílat poštou.

Jaderná energetika je velký strašák. Jsou jiná řešení?

Nikdo z nás není supernadšencem jaderných technologií, ale je nám jasné, že v našich podmínkách blízkou budoucnost energetiky představuje patrně kombinace jaderné energie a obnovitelných zdrojů. A myslím si, že rozdělení Evropy na přísně nejaderné a tolerující země je neseno pouze politickými ohledy. Některé země, které si jadernou energetiku zakázaly, jsou čistými dovozci elektrické energie a pochopitelně dováží i tu z jaderných zdrojů. Evropa s nedostatkem energií bude bojovat vždy, a pro země, pro které přírodní zdroje nejsou tak dostupné, je jaderná technologie jedním z mála řešení. Touto cestou šlo například Finsko, které si udělalo důkladnou analýzu zdrojů a dospělo k závěru, že pokud má být vývoj udržitelný, tak se bez jaderné energetiky neobejde. Finové jednu jadernou elektrárnu dokončují a začínají stavět další.

My jsme z hlediska dostupnosti zdrojů v dosti srovnatelné situaci s Finskem. Když se podíváte na mapu rychlostí proudění vzduchu, tak u nás je ještě spousta míst, kde se dá budovat větrná energetika a tento sektor si určitě zaslouží rozvoj. Ale nikdy se nedostaneme do tak výhodné pozice, jakou má pobřeží Severního moře nebo atlantické pobřeží. Určitě je u nás stále určitý potenciál pro rozvoj malých vodních elektráren. Ale i zde jsou limity. A podobné je to s dalšími obnovitelnými zdroji. Osobně si myslím, že pokud považujeme za další hrozbu pro ekosystém klimatické změny způsobené antropogenními faktory, a ta hrozba je podle mne opravdu reálná, pak musíme vzít v úvahu relativně nízkou uhlíkovou stopu jaderné energetiky. Země, které se velmi věnovaly rozvoji jaderné energetiky, jako je například Francie, mají dlouhodobě výrazně nižší měrné emise CO2 z energetického sektoru. V porovnání se zeměmi, které svou energetiku staví například na extenzivním využití biomasy, je to velmi markantní.

Jak vidíte další možnosti – například jadernou fúzi?

K alternativním možnostem rozvoje energetiky, ke kterým můžeme počítat rozvoj jaderné fúze, jsem spíše skeptický. Výzkum v téhle oblasti je zajímavý a nese ovoce, ale výhledy na dosažení stadia komerční technologické realizace jsou stále nejasné. Rozhodně je uskutečnitelnost konceptů štěpných reaktorů zařazených do 4. generace jistější.

Jakou roli by tedy mohla sehrát jaderná energetika v blízké budoucnosti?

Podle mého názoru by rozumně udržovaný segment jaderné energetiky mohl pomoci překlenout současnou fázi, kdy rozsáhlejšímu a efektivnějšímu využití obnovitelných zdrojů brání stále nepostačující rozvoj energetické infrastruktury (zejména distribučních a akumulačních systémů). Navíc představa, že lze za jadernou energetikou udělat tlustou čáru, je zcela iluzorní. Výzkum, studium, výuka nových odborníků a rozvoj technologií v této oblasti musí pokračovat a pokračuje i v zemích, které jdou jinou cestou prostě proto, že tu pozůstatky této technologie (např. vyhořelé palivo) budou s námi a našimi potomky ještě hodně dlouho. Pokud budeme optimisty - výzkum v oblasti reaktorů 4. generace, kam patří i projekt ECC SMART, by měl přispět k tomu, aby jaderná energetika byla z hlediska bezpečnostních, ekologických i ekonomických parametrů spolehlivou součástí energetického mixu v blízké budoucnosti a tedy pomocníkem k dosažení budoucích energetických systémů.

Aktualizováno: 30.10.2020 18:22, Autor: Petra Karnetová

VŠCHT Praha
Technická 5
166 28 Praha 6 – Dejvice
IČO: 60461373
DIČ: CZ60461373

Datová schránka: sp4j9ch

Copyright VŠCHT Praha
Za informace odpovídá Oddělení komunikace, technický správce Výpočetní centrum

VŠCHT Praha
na sociálních sítích
zobrazit plnou verzi