Malé modulární reaktory u nás a ve světě

Malé modulární reaktory (SMR) byly a jsou ve vývoji po desítky let. V poslední době se díky svým vlastnostem dostaly do popředí zájmu mnoha organizací a států. V polovině letošního února proběhla na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské, ČVUT konference věnovaná právě těmto reaktorům. Na konferenci bylo představeno mnoho nových technologií včetně konceptu českého malého reaktoru Energy Well.

Malé reaktory

Není naprosto jasná shoda na tom, co ještě je a co už není malý modulární reaktor. Obecně se využívají dvě různá rozdělení. Jedno podle Mezinárodní agentury pro atomovou energii (IAEA) a druhé dělení dle amerického ministerstva energetiky (DOE). IAEA definuje malé, střední a velké reaktory podle výstupního elektrického výkonu. Jako malé reaktory jsou klasifikovány reaktory do 300 MWe.

Americké DOE naopak klasifikuje reaktory podle tepelného výkonu, což v této kategorii dává větší smysl. Plánované využití malých reaktorů totiž není jenom výroba elektrické energie, ale také například odsolování mořské vody, výroba vodíku nebo výroba tepla pro vytápění. DOE definuje malé reaktory jako jednotky do výkonu 1000 MWt (což velikostně odpovídá zhruba 300 MWe) a mini reaktory do výkonu 50 MWe nebo 250 MWt. Někteří výrobci navíc přichází kvůli marketingu s novými třídami a klasifikacemi (mikroreaktor – Westinghouse Electric Company) nebo řadí své středně velké reaktory mezi SMR (Rolls Royce), což definici SMR dále komplikuje.

Klasifikace SMR

KlasifikaceIAEAUS DOE
Mini reaktoryNedefinovánoDo 50 MWe nebo 250 MWt
Malé reaktoryDo 300 MWeDo 1000 MWt
Střední reaktory300 - 700 MWe1000 - 2000 MWt
Veké reaktoryNad 700 MWeNad 2000 MWt

Důvodů, proč upřednostnit malé reaktory před velkými, je několik. V první řadě jde zejména o možné rozložení investice. Je možné postavit několik menších jednotek podle poptávky v průběhu několika let místo jednorázové dlouhodobé investice do velkého reaktoru. Je však nutné poznamenat, že cena za instalovaný MW je u velkých reaktoru nižší, investici však nejde rozdělit do menších částí. Jedním z argumentů pro stavbu je také možné snížení nákladů na stavbu. Důvody pro prodlužování stavby současných bloků jsou spojené s jejich složitostí nebo zvyšováním požadavků na bezpečnost. V případě stavby malých jednotek se rizika prodloužení a prodražení částečně eliminují.

Dalším důvodem pro stavbu malých reaktorů jsou požadavky rozvodné sítě. Rozvodná síť nemusí být naprojektovaná a postavená tak, aby k ní bylo možné připojit velký reaktor o výkonu např 1600 MWe. Může být proto výhodnější použít malé reaktory a rozdělit je tak, aby zatížení sítě kleslo.

Mezi možné aplikace patří také využití SMR na místech odříznutých od centrálních rozvodových sítí. Může jít například o ostrovy, odříznuté oblasti mimo civilizaci, vojenské základny apod. SMR mohou v těchto případech poskytnout stabilní dodávku elektřiny nebo tepla.

Výzvy ve vývoji SMR

V současnosti již probíhá několik licenčních řízení SMR v USA nebo Velké Británii. Většina SMR je svou konstrukcí značně odlišná, a proto je třeba posuzovat pečlivě každý zvlášť. Licencování s sebou nese i velké náklady a navíc může trvat několik let.

Seznam SMR projektů podle IAEA. zdroj: IAEA

Další možné problémy souvisí se snižováním provozních nákladů těchto reaktorů. SMR jsou schopny pracovat po desítky let, je však nutné, aby byly pravidelně kontrolovány, řízeny a udržovány. To s sebou nese dodatečné náklady, které je nutné snížit. Možnou výzvou může také být zabezpečení SMR proti proliferaci. SMR by měly být využity v rozvojových zemích nebo v odlehlých oblastech a je proto třeba zajistit, aby nemohly být v případě nestabilní politické situace nějak zneužity.

Současný stav

USA, Kanada a Velká Británie jsou v oblasti vývoje SMR velmi aktivní. V těchto zemích probíhá předlicenční hodnocení, licencování některých typů, vláda pomocí půjček nebo grantů tyto projekty podporuje, ve výstavbě ovšem ještě žádný není (X-energy, NuScale a další).

Podle databáze IAEA je v provozu pouze jeden typ SMR. Jedná se o indický těžkovodní reaktor s výkonem 220 MWe s označením IPHWR-220. Jedná se o původně kanadský reaktor, který Indové v průběhu let vylepšili a úspěšně provozují 16 reaktorů této nebo odvozené konstrukce.

Kromě indických bloků jsou ve výstavbě dva SMR reaktory v Rusku (KLT-40S a RITM-200), dále tři v Číně (2xHTR-PM a ACPR50S) a možná překvapivě jeden v Argentině (CAREM-25). Podle aktuálních informací by měly být všechny spuštěny buď v průběhu letošního, nebo příštího roku. Licenci již obdržel jihokorejský reaktor SMART a u dalších typů licenční řízení probíhá (NuScale).

Ruské SMR

Ruská státní společnost Rosatom v rámci svého působení vyvíjí se svými partnery mnoho typů reaktorů, z nichž se velká část dá klasifikovat jako SMR. Jedná se například o moderní reaktory GenIV (RDE, SVBR-100 nebo BREST-OD-300), ale také malé a mini reaktory založené na současných lehkovodních technologiích (VVER-600, SHELF, VBER). Jak bylo zmíněno výše, ve výstavbě jsou zatím jen KLT-40S a RITM-200.

Základní charakteristiky ruského SMR RITM-200 zdroj: Rosatom

RITM-200 je ruská vlajková loď mezi SMR. Výkon tohoto integrálního reaktoru je 175 MWt (50 MWe), palivo se mění každých 6 let, garantovaná životnost je 60 let a doba výstavby je 3-4 roky. Elektrárna má být sestavena z několika modulů s výstupním výkonem 200 MWe, lze ji však o další moduly rozšířit. Velmi podobné reaktory jsou použity na jaderných ledoborcích Arktika a Sibir. Udávaná velikost reaktoru je 6x6x15,5 metrů. Použité palivo je podobné palivu pro reaktory KLT-40. Jedná se o menší reaktory použité na starších ledoborcích (Vaygach, Taymyr, Sevmorput). Jejich inovovaná verze (KLT-40S) bude v provozu na plovoucí jaderné elektrárně Akademik Lomonosov, která by měla být v provozu v roce 2021.

Ruský jaderný ledoborec Arktika zdroj: Rosatom

Čínské SMR

HTR je čínský vysokoteplotní reaktor. Technologie je založená na původně německém projektu vysokoteplotních plynem chlazených reaktorů. Prototyp tohoto reaktoru byl postaven v Pekingu na Tsing Hua University a nese označení HTR-10. Jeho stavba začala již v roce 1995, první kritičnosti dosáhl v roce 2000 a plného výkonu dosáhl v roce 2003. Jedná se o testovací prototyp, na jehož základě byla vytvořena konstrukce reaktoru HTR-PM.

Čínský vysokoteplotní reaktor HTR-PM zdroj: TsingHua University

Jde o zvětšenou verzi reaktoru HTR-10 s výkonem 250 MWt. Dva reaktory se v současnosti staví v areálu jaderné elektrárny Shindao Bay. Stavba začala na konci roku 2012. V prosinci minulého roku bylo instalováno již víko reaktoru a ke spuštění testovacího provozu by mělo dojít na konci tohoto nebo začátkem příštího roku. Elektrárnu tvoří dva stejné reaktory s elektrickým výstupem 200 MWe, plánuje se však elektrárna se šesti moduly a výkonem 600 MWe.

Druhý čínský SMR vyvíjí firma CGN. Jedná se o reaktor označený ACPR, který má dvě verze. První je klasický SMR s výkonem 140 MWe, který má být v provozu na souši (ACPR), a druhý je plovoucí elektrárna ACPR50S (podobná ruskému projektu Akademik Lomonosov). Plovoucí elektrárna má být velmi flexibilní. Může například dodávat energii nebo vodu ropným věžím nebo odříznutým oblastem, může také fungovat jako teplárna či naopak klimatizační jednotka.

Čínská plovoucí jaderná elektrárna s reaktorem ACPR-50S zdroj: CGN

CAREM-25

CAREM je SMR, který je ve výstavbě v Argentině. Byl také kompletně navržen v Argentině a výstavba probíhá v areálu jaderné elektrárny Atucha I. Jedná se o prototyp s výkonem 25 MWe. Je to integrální reaktor vycházející z konstrukce klasických tlakovodních reaktorů. Díky jeho velikosti je však mnohem bezpečnější. Detaily ohledně přesné konstrukce ani postupu prací nejsou veřejně známé, ke spuštění by však mělo dojít na konci roku 2018. Následně by měl být postaven zvětšený typ o výkonu 100 až 200 MWe v provincii Formosa.

Argetinský SMR CAREM-25 zdroj: IAEA

Na konferenci byly dále představeny velmi zajímavé reaktory od firem Rolls Royce (třísmyčkový tlakovodní reaktor, 400-450 MWe), francouzský podvodní reaktor Seanergie (160 MWe, umístěný na mořském dně ve hloubce kolem 100m), pokrok v licencování a plánování NuScale a také projekt skupiny ÚJV – Energy Well.

Energy Well

Jde o nový český projekt malého modulárního reaktory vyvíjeného v ÚJV a CV Řež. Jedná se zatím o koncepční návrh projektu a je pravděpodobné, že v budoucnu dojde ještě k úpravám jeho konstrukce. Také je třeba provést analýzy proveditelnosti, ekonomické analýzy a další studie, které zjistí možnou využitelnost reaktoru a reálný trh pro tento produkt.

Schéma reaktoru Energy Well zdroj: Skupina ÚJV

Reaktor je chlazen tekutou solí FLiBe a má tepelný výkon 20 MWt. Sekundární okruh s neaktivní solí NaFNaB slouží k předávání tepla terciálnímu okruhu, který v závislosti na zvoleném cyklu může na turbíně generovat 6,95 – 8,4 MWe. Jako palivo jsou použity TRISO částice s obohacením uranem-235 15 %, které může dosáhnout vyhoření 69,8 MWd/kgU při sedmileté délce kampaně. Samotný reaktor je poměrně malý a díky tomu jej lze přepravovat v kontejnerech o velikosti kontejnerů, kterými se přepravuje vyhořelé jaderné palivo. Stejným kontejnerem lze po ukončení kampaně reaktor transportovat pryč a starý reaktor nahradit novým.

Navrhovaný terciální okruh reaktoru Energy Well zdroj: Skupina ÚJV

Na vývoji se bude dále pokračovat a je třeba vyřešit problémy jako chování materiálů v tekutých solích, termohydraulické charakteristiky, výroba paliva, výměna paliva, recyklace soli apod. Nicméně je velmi pozitivní, že se v České republice na podobných projektech (lze zmínit i projekt Allegro) pracuje a že se českým výzkumníkům daří shánět finance a podporu pro svůj výzkum.



7 odpovědí na Malé modulární reaktory u nás a ve světě

  1. C napsal:

    Hodně zajímavé hlavně ta poslední část o reaktoru vyvíjeném v ČR. Sice se u nás nenajde moc míst odlehlých a pod. ale rozhodně by byly zajímavé, pokud se tedy podaří patřičně upravit zákony, chtít po takovémto zařízení to co po velké JE je trochu hloupost, toto se dá pohodlně dát třeba do umělé kaverny v kopci.

    Myslím že celkem dobré by bylo kdyby rektor uměl běžet i na MOX, eventuálně byl schopen mít množivý koeficient (nebo jak se to jmenuje přesně) ~1, pak by se dal asi provozovat déle a s o něco levnějším palivem, případně pokud by byl schopný rovnou spalovat i část neštěpitelného uranu.

    Velmi zajímavé a pozitivní je myslím i přizpůsobení reaktoru běžnému obalu CASTOR, ještě by bylo zajímavé vědět jestli má potenciál se po nouzovém odstavení uchladit sám, spíš asi ne, ale pak zase bavíme se o vyšší teplotě než kolik smí mít kontejner s palivem, ten má ztrátový výkon cca 10kW, pokud mne paměť neklame, pokud řekneme že účinnost výroby proudu je cca 40%, tak jsme na 21MW tepla, tedy 2.1MW při 10% výkonu a 210kW na 1%, to už je zajímavé, třeba by to s využitím přirozeného tahy a celkem horkého vzduchu šlo nouzově řešit.

    Elektrárna je celkem malá, ještě by ale bylo lepší kdyby se daly i další komponenty složit na železniční vagon, či kamion. Teď je ale třeba aby se cena proudu pohybovala tak na 30-50€/MWh. Pak to bude bezkonkurenční.

    • Vláďa napsal:

      To je diskuse o reaktorech, přitom podstatnou částí investice je výstavba venkovních provozů. Demistanice – musí být. Stanice udržující kvalitu chladící vody – musí být. Stanice zajišťující cirkulaci chladící vody – musí být. Pro využití pro vnější topný systém je nutná vhodná infrastruktura (oběhovky, výměníky, kondenzátní čerpadla).

      • Martin_C napsal:

        Hledejme nahradu soucasnych teplarenskych kotlu s predem stanovenou cenou investice. Pokud toto zarizeni zadani splni a budeme mit na mysli skutecne hmatatelne omezeni emisi z techto zdroju lze jej povazovat za zatim nejprimejsi cestu k cili vytapeni velkych aglomeraci s bonusem vyroby elektriny.

      • C napsal:

        Nechci být rýpavý, ale zdá se mi že tento reaktor má plynový oběh (podle všeho výměník sůl/CO2), takže asi nebude třeba demivoda jako u VVER, takže to asi dopadne, eventuálně jenom solí jsou 2 okruhy by možná stačil zásobník destilované vody pro doplnění okruhu turbíny.

        Případně, reaktor je to malí, by se dalo využít něčeho jako je u elektráren s průtočným chlazením, nevím jestli se chladičem prožene přímo voda z želky, nebo je tam ještě meziokruh, mám teď na myslí klasickou tepelnou elektrárnu, okruhů je tu celkem dost na odstínění od reaktoru.

        • Vláďa napsal:

          U VVER byla pro primární okruh celkem malá spotřeba demivody. Podstatnou spotřebu bral okruh sekundární. Chladící voda má mít obecně určitou kvalitu. Největší znečištění nastává na podzum když se ořou okolní pole. Proto se tam instaloval systém „dekarbonizace“. Dále je nutné znemožňovat v prostorech chladící vody vzniku biologického života. Ve vhodném prostředí se řasy množí neuvěřitelně rychle. Každý tepelný zdroj potřebuje ke svému provozu cca 10% vlastní spotřeby. Po výpadku kdy se zastaví štěpná reakce, u bloků VVER 440 bylo zbytkové teplo o výkonu cca 4 MW. Zajímavá je myšlenka samochlazení. Bohužel naráží na nemožnost přímého propojení prostoru reaktoru s vnějším chladičem. Ten by musel být konstruován na stejný tlak jako je v tlakové nádobě. Na druhé straně by to byl velký žrout energie v zimních měsících. Nesmí zamrznout. Vše dát dohromady by byl pěkný technický oříšek.

    • Martin Ševeček napsal:

      Množení paliva (tedy, že na každé jedno rozštěpené jádro vznikne v průměru více než 1 nové štěpné jádro) je z principu možné pouze v rychlých reaktorech nikoliv tepelných. Některé malé modulární reaktory se plánují jako rychlé, nicméně jejich vývoj, stavba a všechno další okolo je náročnější. Jedná se například o Sealer (http://www.leadcold.com/sealer.html), PRISM (http://gehitachiprism.com/) nebo Moltex (http://www.moltexenergy.com/).

      Provoz s MOX palivem by ve většině plánovaných reaktorů neměl být problém. Ovšem současné technologie jsou připraveny na přepracování paliva pro klasické reaktory. Pro SMR by se technologie musely upravit v závisloti na konkrétním typu paliva. Pokud však nebudou stát desítky těchto typů reaktorů, tak se to nikdy nemůže zaplatit.

      Možná jsem to v článku špatně napsal, ale není to přizpůsobené běžnému obalovému souboru CASTOR. Jde pouze o velikost, která by zhruba odpovídala, konstrukce by však byla naprosto jiná.

      S chlazením máte pravdu, reaktor Energy Well by měl být pasivně bezpečný. Při ztrátě napájení by se ustanovila přirozená cirkulace soli, která je dostatečná pro uchlazení paliva. Díky tomu, že výkon není vysoký, jsou tam obrovské bezpečností rezervy.

      • C napsal:

        Děkuji za doplnění.
        Měl jsem na myslí využití MOX ze současných reaktorů, tedy že by se začalo s přepracováním vyhořelého paliva.

        K palivovému cyklu mne ještě napadá zda by bylo možné využít množení uranu 233 z thoria, v elektrárně Shippingport se to už velmi dávno zkoušelo, koeficient byl myslím 1,01, nebo nějak tak, velmi nízký, ale stačilo to na vyprodukování nového paliva. Případně bylo by možné na začátku kampaně vytvořit vyšší neutronový tok (obohacení na 15%) a spalovat tak některé problematické izotopy za současných elektráren?

        Výše s panem Vláďou diskutuji o tom jak že vlastně je řešen zbytek elektrárny, jaká je tam turbína, a pod. Máte k tomu nějaké veřejně sdělitelné informace? Například jestli je tam parní či plynový oběh.

        A nakonec obligátní otázka, kdy se to bude dát koupit na Alze 😀

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *