DARWIN – prilagodljiv reaktor z izmenljivimi komponentami

DARWIN – Dispatchable Adaptive Reactor With Interchangeable componeNts

L2-70127 DARWIN – prilagodljiv reaktor z izmenljivimi komponentami
L2-70127 DARWIN – Dispatchable Adaptive Reactor With Interchangeable componeNts

GEN energija d.o.o.

Vodja projekta: Prof. dr. Luka Snoj

Sodelujoče raziskovalne organizacije: SICRIS
Sestava projektne skupine: SICRIS

Zanesljivi in razpoložljivi viri energije igrajo osrednjo vlogo pri premagovanju številnih izzivov, s katerimi se bo človeštvo srečevalo v naslednjih desetletjih. Podnebne spremembe ne povzročajo le dviga temperatur, temveč vse pogostejše naravne katastrofe, dolgotrajne poplave, hude suše in ogrožanje oskrbe s pitno vodo. Odziv na te izzive zahteva ogromne količine energije v različnih oblikah: električno energijo, toploto, mehansko energijo za črpanje in čiščenje vode. Jedrska energija se v tem kontekstu kaže kot eden redkih virov, ki je sposoben te potrebe pokrivati zanesljivo, brezogljično in v velikem obsegu. To je potrdil tudi vrh COP 28, kjer so vlade z vsega sveta poudarile ključno vlogo jedrske energije pri prehodu v nizkoogljično prihodnost.

Obstoječe jedrske elektrarne so bile zasnovane v petdesetih letih prejšnjega stoletja za takratne potrebe, torej za zagotavljanje bazne električne moči rastočim mestnim središčem prek razvejanega elektroenergetskega omrežja. Taka zasnova je slabo prilagojena izzivom 21. stoletja. Mali modularni reaktorji so korak naprej, saj omogočajo določeno prilagodljivost in mobilnost, a so še vedno zasnovani izključno za proizvodnjo električne energije in priključitev na obstoječe omrežje. Nobeden od obstoječih konceptov ne omogoča hitre prilagoditve različnim oblikam rabe energije, kot so neposredno ogrevanje, črpanje poplavne vode, razsoljevanje morske vode ali proizvodnja vodika in izotopov.

Projekt DARWIN, katerega ime izhaja iz načela Charlesa Darwina o preživetju tistih, ki se znajo prilagoditi, naslavlja prav to vrzel. Platforma DARWIN (Dispatchable Adaptive Reactor With Interchangeable componeNts) predlaga nov pristop k zasnovi malih modularnih reaktorjev, ki temelji na visoki prilagodljivosti tako sredice reaktorja kot sekundarnih sistemov. Reaktorska sredica bo zasnovana z izmenljivimi sestavnimi elementi, ki jih bo mogoče v kratkem času preurediti glede na konkretne potrebe: od klasične proizvodnje elektrike do direktnega ogrevanja, radiokemijske sinteze, proizvodnje medicinskih izotopov, razsoljevanja ali mehanskega črpanja vode v izrednih razmerah. Projekt posebej upošteva scenarije, v katerih elektroenergetske infrastrukture sploh ne bo mogoče uporabiti, kot se je pokazalo med katastrofalnimi poplavami v Sloveniji leta 2023.

V okviru projekta bodo najprej proučeni prihodnji izzivi podnebnih sprememb in z njimi povezane potrebe po energiji. Na podlagi teh ugotovitev bodo zasnovani koncepti štirih različnih modulov: modula za hitro odzivanje, modula z visokim nevtronskim fluksom, modula z visoko temperaturo in modula z naravnim jedrskim gorivom. Za vsak modul bodo z naprednimi simulacijskimi orodji, metodami strojnega učenja in kodami za Monte Carlo transport delcev analizirali temeljne lastnosti reaktorske zasnove: kritičnost, nadzor reaktivnosti, hlajenje jedra, radioaktivni inventar in medsebojno povezljivost elementov.

Projekt bo zasnovo reaktorske platforme obravnaval celostno in pri tem upošteval realne pogoje delovanja v nestabilnih in zahtevnih okoljih. Rezultati bodo objavljeni v recenziranih revijah in predstavljeni na mednarodnih jedrskih konferencah, hkrati pa bo vzpostavljena odprta platforma za dolgotrajno mednarodno sodelovanje pri nadaljnjem razvoju platforme DARWIN.

1. Delovni paket (WP1) začenja raziskave z analizo aktualnih napovedi podnebnih sprememb, naraščanja pogostosti naravnih katastrof, migracijskih tokov in geopolitičnih premikov. Posebna pozornost bo namenjena razumevanju povezave med energetsko in civilno infrastrukturo, kjer so podnebni vplivi najizrazitejši, na primer pri poplavah, ekstremnih temperaturah in dostopu do pitne vode. Na podlagi teh analiz bodo opredeljeni specifični primeri uporabe za platformo DARWIN, kot so razsoljevanje, črpanje in čiščenje vode, dopiranje silicija, proizvodnja izotopov, radiokemija in koničasta proizvodnja električne energije. Vsak primer bo utemeljen z realnimi dogodki.
   Mejnik 1 (M1) vključuje poglobljeno razumevanje trenutnega stanja v energetiki in uveljavljenih mehanizmov za zmanjševanje posledic podnebnih sprememb. Prvi produkt projekta (D1) je poročilo, ki povzema opredeljene primere uporabe in okvir, v katerem bo platforma DARWIN delovala..

2. Delovni paket (WP2) bo na podlagi ugotovitev WP1 zasnoval fizikalne parametre reaktorja DARWIN za štiri specifične primere uporabe. Modul za hitro odzivanje bo zasnovan za dopolnjevanje intermitentnih obnovljivih virov energije in za scenarije, kot je nujno črpanje poplavnih voda. Modul z visokim nevtronskim fluksom bo prilagojen za proizvodnjo izotopov, dopiranje silicija in radiokemijo, kjer je glavni produkt reaktorja sevanje, ne elektrika. Modul za visokotemperaturno procesno toploto bo namenjen proizvodnji vodika, razsoljevanju, čiščenju odpadnih voda in daljinskem ogrevanju oziroma hlajenju. Modul z naravnim jedrskim gorivom bo proučil možnosti uporabe naravnega urana ali torija, kar odpira možnosti za delovanje v geopolitičnih okoliščinah, kjer obogateno gorivo ni dostopno.
   Mejnik 2 (M2) se doseže, ko so določeni vsi fizikalni parametri za vse štiri module, produkt 2 (D2) pa je poročilo, ki povzema koncepte posameznih modulov in postopek njihove optimizacije.

3. Delovni paket (WP3) se poglobi v temeljne vidike oblikovanja reaktorja DARWIN in za vsak konceptualni modul obravnava ključne reaktorske lastnosti. Kritičnost bo zagotovljena z optimizacijo obogatitve goriva, sestave moderatorja in reflektorja, pri čemer bodo uporabljeni algoritmi strojnega učenja in stohastične kode za transport delcev, kot sta MCNP in OpenMC. Nadzor verižne reakcije bo zasnovan z upoštevanjem nekonvencionalnih pristopov, saj morajo biti kontrolni mehanizmi zanesljivi v zahtevnih in nepredvidljivih razmerah. Hlajenje sredice in odvod zakasnele toplote bosta analizirana z zgorevalnimi kodami in programi za računalniško dinamiko fluidov, pri čemer bo ocenjena možnost pasivnega hlajenja s tekočimi kovinami, toplotnimi cevmi ali tekočimi solmi. Radioaktivni inventar bo določen z zgorevalnimi kodami, rezultati pa bodo osnova za načrtovanje ustreznega zaščitnega ovoja med razporeditvami modulov. V zaključni fazi WP3 bo proučena medsebojna sklopljenost elementov v zaokrožene, samostojne module.
   Mejnik 3 (M3) se doseže s pripravo celovitega poročila o konceptualnem oblikovanju modulov. WP3 obsega pet produktov (D3–D7), ki podrobno pokrivajo posamezne značilnosti zasnove in medsebojno sklopljenost elementov.

4. Delovni paket (WP4) je namenjen upravljanju projekta in širjenju rezultatov ter bo poskrbel, da spoznanja projekta DARWIN dosežejo tako znanstveno skupnost kot odločevalce in potencialne industrijske partnerje. Pripravljeno bo končno poročilo s povzetkom rezultatov in konceptualnih zasnov modulov ter smernicami za nadaljnji razvoj simulacijskih orodij in računskih kod. Vzpostavljena bo odprta spletna platforma, ki bo spodbujala vključevanje mednarodnih partnerjev in iterativni razvoj arhitekture DARWIN. Vzpostavili bodo tudi stike z nosilci odločanja, upravljavci energetske infrastrukture in civilnimi inženirji, da bi zagotovili pot od temeljnih raziskav do dolgoročne praktične uveljavitve.
   Dva glavna mejnika, M4 in M5, vključujeta predstavitev platforme DARWIN na mednarodni jedrski konferenci oziroma pripravo preglednega znanstvenega članka o projektu. Strategija širjenja rezultatov zajema objave v uglednih recenziranih revijah s področja jedrske energetike, prispevke na mednarodnih konferencah ter vzpostavljanje stikov z industrijskimi partnerji in javnimi institucijami. Celoten sklop aktivnosti upravljanja in razširjanja rezultatov tvori končni produkt projekta (D8).

• SICRIS
• stran “Science Ouptut”