NuScale - přeprava modulu

Perspektivy malých modulárních reaktorů

Martin Václavek
Bakalář jaderného inženýrství FJFI ČVUT, v současné době student magisterského oboru Ekonomika a řízení energetiky na FEL ČVUT. Problematikou malých modulárních reaktorů se začal zabývat již v bakalářské práci. V diplomové práci studuje jejich ekonomickou životaschopnost v podmínkách České republiky.

Valná většina jaderných reaktorů provozovaných a stavěných v současnosti spadá do kategorie velkých reaktorů, což jsou reaktory s výkonem nad 700 MWe podle klasifikace Mezinárodní agentury pro atomovou energii (IAEA). V této klasifikaci se malými reaktory rozumí reaktory s výkonem do 300 MWe. Podle databáze IAEA PRIS bylo k 31. 12. 2014 v provozu celkem 438 energetických reaktorů, z toho výkon do 300 MWe mělo 23 reaktorů (tj. 5 %). Ve výstavbě bylo celkem 70 energetických reaktorů, z toho čtyři s výkonem do 300 MWe (tj. 6 %), konkrétně se jedná o reaktory CAREM, HTR-PM a dva reaktory KLT-40S. Přestože zastoupení malých reaktorů je v současnosti zanedbatelné, zájem o ně v posledních letech celosvětově vzrůstá. Proč tomu tak je, to se pokusí objasnit tento článek.

Modulární konstrukce reaktoru

Výše uvedené čtyři malé rektory ve výstavbě se řadí mezi tzv. malé modulární reaktory (SMR), které představují nejperspektivnější skupinu nových konceptů malých reaktorů. Modulární konstrukce reaktorů je charakteristická tím, že veškeré komponenty primárního okruhu reaktoru jsou obsaženy v jednom modulu transportovatelném z výrobny na místo užití. Tedy není třeba, jak je to u velkých reaktorů standardem, svářet jednotlivé díly primárního okruhu až na staveništi elektrárny. Hlavní část jaderné elektrárny lze tak kompletně vyrobit přímo ve specializované výrobně, a tak docílit výhod v podobě zjednodušení výroby se širokými možnostmi uplatnění sériové výroby a standardizace.

Integrální uspořádání reaktoru

Malé modulární reaktory jsou často navrženy v tzv. integrálním uspořádání. Integrální uspořádání se od klasického smyčkového uspořádání typického pro velké tlakovodní reaktory odlišuje tím, že veškeré komponenty primárního okruhu jsou obsaženy v jedné nádobě. V rámci dalšího zjednodušení konstrukce se některé koncepty SMR s integrálním uspořádáním projektují bez čerpadel. Cirkulace chladiva v primárním okruhu jen na základě přirozeného tepelného proudění je pro obzvláště malé reaktory postačující i za běžného provozu.

Obr. 1

Obr. 1: Srovnání dvousmyčkového reaktoru AP1000 (1150 MWe) a integrálně uspořádaného malého reaktoru Westinghouse SMR (225 MWe).

Bezpečnost provozu malých modulárních reaktorů

Nové koncepty SMR mohou být cestou k dosažení vyšší míry bezpečnosti přesahující v některých případech i špičkovou technologii v oblasti jaderné bezpečnosti, kterou v současnosti jsou velké reaktory generace III+. Malé modulární reaktory totiž disponují řadou inherentních bezpečnostních vlastností a pasivních bezpečnostních systémů, tedy takových vlastností technologie, které z podstaty věci znemožňují nebo omezují výskyt událostí, jež by mohly vést k jaderné havárii, a takových systémů, které ke své činnosti nepotřebují dodávky elektrické energie.

Zvýšenou bezpečnost některých konceptů SMR lze blíže vysvětlit na příkladu v podobě reaktoru NuScale (výkon 50 MWe). V případě výpadku dodávek elektřiny lze reaktor NuScale chladit prostřednictvím vody v bazénu, ve kterém jsou moduly s reaktory NuScale umístěny. Množství vody v bazénu vystačí na dostatečné chlazení bez nutnosti doplňování. Po 30 dnech poklesne zbytkový výkon reaktoru NuScale na úroveň, kdy již postačí chlazení vzduchem. Tento systém vylučuje havárii obdobnou havárii v elektrárně Fukušima a má vyšší spolehlivost než pasivní systémy reaktoru AP1000, které vyžadují doplnění vody po pěti dnech.

Obr. 2: Pasivní systém odvodu zbytkového tepla z reaktoru NuScale

Obr. 2: Pasivní systém odvodu zbytkového tepla z reaktoru NuScale

V následující tabulce jsou srovnány bezpečnostní systémy pro odvod zbytkového tepla velkých tlakovodních reaktorů druhé generace se systémy tlakovodních SMR a další aspekty bezpečnosti.

Velké tlakovodní reaktory druhé generaceTlakovodní SMR
Vysokotlaké a nízkotlaké vstřikovací systémy pro případ úniku chladiva z primárního okruhuŽádné aktivní vstřikovací systémy – chlazení aktivní zóny je udržováno pasivními systémy
Nouzové diesel-generátoryPasivní systém chlazení nepotřebuje ke své funkci elektřinu
Systém sprchování kontejnmentu a související aktivní systém pro odvod teplaSprchový systém není třeba díky pasivnímu chlazení
Inicializace nouzového chlazení aktivní zóny systémem kontroly a řízení – komplexní systémy vyžadující značné množství on-line testů, které přispívají k nespolehlivosti elektráren a neúmyslným spuštěním.Jednodušší a/nebo pasivní systémy nevyžadují tolik testovaní a nejsou tak náchylné na selhání či neúmyslné spuštění.
Těsnění čerpadel – netěsnost je bezpečnostní riziko, údržba a výměna těsnění nákladná a časově zdlouhaváIntegrální uspořádání minimalizuje potřebu těsnění
Riziko prasknutí hlavní cirkulační smyčky s následným rozsáhlým unikem chladivaIntegrální uspořádání vylučuje havárii vlivem velkého úniku chladiva
Nutnost stálého aktivního spojení s konečnou tepelnou jímkou – atmosféra, řeka, moře – náchylné na ztrátu vlivem extrémů počasí a jiným přírodním vlivůmAktivní odvod tepla nutný jen za provozu, zbytkové teplo lze odvádět pasivně
Problematické zvládání těžkých havárií – obtížné zadržování taveniny aktivní zóny uvnitř nádoby reaktoruProtavení taveniny aktivní zóny skrz stěnu nádoby reaktoru spolehlivě zabráněno vnějším chlazením vodou

Malé vysokoteplotní reaktory chlazené héliem s palivem v grafitových matricích se dokonce obejdou bez speciálních systémů pro odvod zbytkového tepla, postačí si s prostupem tepla skrz konstrukční materiály reaktoru a biologické stínění do okolí, aniž by došlo k roztavení paliva. Mezi takové reaktory patří HTR-PM, který se v současnosti staví v Číně.

Bezpečnost provozu SMR může být natolik příznivá, že se v souvislosti s ní objevují návrhy na rozsáhlou redukci či dokonce vynechání vnějších havarijních plánů. Požadavky na obslužný personál SMR bývají mnohem menší než na výkonový ekvivalent velkého reaktoru. Některé SMR jsou dokonce koncipovány jako bezobslužné jednotky. Připadá tedy v úvahu umístění SMR i v blízkosti větších měst, což by bylo výhodné zejména při jejich uplatnění v teplárenství. Možnosti uplatnění SMR jsou široké a zahrnují i takové oblasti, jako je výroba procesního tepla pro odsolování vody, výrobu vodíku a další energeticky náročné průmyslové procesy.

Ekonomická životaschopnost malých modulárních reaktorů

Proč se tedy malé modulární reaktory ve světě zatím téměř nestavějí i přesto, že jsou konstrukčně zjednodušené a provozně bezpečné s širokými možnostmi pro využití? Odpověď je jednoduchá: prozatím nejsou schopny ekonomicky konkurovat velkým reaktorům. Velké reaktory disponují značnými úspory z rozsahu. Pokud by malé reaktory byly pouhou zmenšenou verzí velkých reaktorů, ekonomicky by jim určitě konkurovat nemohly.

Ve srovnání s reaktorem o výkonu 1000 MWe mohou být měrné investice vztažené na jednotku výkonu teoreticky téměř dvojnásobné pro reaktor o výkonu 200 MWe a více jak trojnásobné pro reaktor o výkonu 50 MWe. V lokalitách, kde přichází v úvahu instalace velkého reaktoru, by ekonomická životaschopnost těchto zmenšenin byla nereálná, což platí téměř pro všechny lokality, ve kterých jsou jaderné reaktory v současné době provozovány.

Proto se projektanti malých reaktorů snaží absenci úspor z rozsahu kompenzovat úsporami plynoucích z technologických inovací. Těmito inovacemi je již zmíněná zjednodušená modulární a integrální konstrukce, výroba ve velkých standardizovaných sérií a dále také sdílení lokality a některých provozních celků několika jednotkami – a to je zdůvodnění, proč jsou SMR nejperspektivnějšími zástupci malých reaktorů.

Všemi uvedenými inovacemi disponuje reaktor NuScale, který je koncipován pro provoz v blocích sestavených až z 12 jednotek, které pracují nezávisle na sobě, neboť každá jednotka má k dispozici vlastní turbínu. Všechny jednotky sdílí budovu reaktoru, strojovnu a pomocné provozy. Každá jednotka má čistý výkon 45 MWe, blok s reaktory NuScale má tedy celkový výkon až 540 MWe.

Obr. 3: Uspořádání bloku s reaktory NuScale

Obr. 3: Uspořádání bloku s reaktory NuScale

Přes všechny dosavadní snahy projektantů SMR se ukazuje, že bez nalezení dostatku investorů pro realizaci několika (desítek) jednotek jednoho typu SMR nelze docílit dostatečného snížení měrných investic, neboť úspory pouze z technického provedení bez plně rozběhnuté sériové výroby nebudou pro dosažení konkurenceschopnosti postačovat. Takže vše stojí a padá na ochotě investovat do zprvu nejspíš příliš drahé technologie SMR, avšak která v budoucnu díky sériové výrobě nejen, že může dosáhnout ekonomické konkurenceschopnosti vůči velkým reaktorům, ale může být nakonec i výrazně ekonomicky výhodnější než velké reaktory.

5 odpovědí na Perspektivy malých modulárních reaktorů

  1. Límoš napsal:

    Ahoj, chtěl jsem se optat, jestli lze doložit celosvětový vzrůstající zájem o SMR?
    Potom jestli je to zájem vlád nebo investorů?

    Protože investor má zájem akorát tak o peníze a je mu jedno, jestli je vydělá skrz SMR nebo třeba prodejem sluníčkový elektřiny. A jak píšeš, SMR se zatím jako rychle návratné projekty použít nedají, proto bych té ekonomické životaschopnosti věnoval trošku míň místa a vypíchnul třeba různorodost projektů SMR nebo rozvedl myšlenku, že někdy nemusí ekonomická efektivita rozhodovat o realizaci. Kuba L. 🙂

    • Jan Veselý napsal:

      Je to technologie na kapačkách, závislá převážně na vládních grantech a penězích několika „věřících“ soukromníků. To není v principu nic špatného takhle začla spousta technologií. Třeba mikročipy, tryskové letecké motory, fotovoltaika, …
      A spousta technologií takhle podporovaných se prostě nechytla. U SMR se uvidí, tak za 15-20 let.

      • Jakub Líman napsal:

        Nektere z tech technologii takove jsou, nektere ne – muzete mit treba mensi dukovansky reaktor a take je to SMR, casto to neni ani nic novátorského. Spis si to predstavuju jako technologii, ktera muze byt vhodnejsi pro nektere situace nez velke bloky, i kdyz ekonomicky muze byt jednotkove slabsi. A tech let pridejte 🙂

  2. Martin Václavek napsal:

    Celosvětový vzrůstající zájem o SMR je prozatím převážně jen na „akademické úrovni“. Dokládá to množství publikací a konferencí o SMR během posledních 10 let a více jak 50 konceptů malých reaktorů, které jsou/byly v posledních letech vyvíjeny. Přispěla k tomu řada faktorů – tendence k decentralizaci výroby, neochota pro velké jednorázové investice spojené s velkými reaktory, velké průtahy a prodražení výstavby reaktorů generace III+ a s tím spojené hledání jednoduchých a „snad i levných“ alternativních technologií a havárie elektrárny Fukušima, která výrazně oživila otázky kolem jaderné bezpečnosti.
    Neznám projekt SMR, který již získal nějakého soukromého investora, naopak spousta jich bylo pozastaveno z důvodu vyčerpání rozpočtu. Takže ano – zatím to nevypadá, že bez státních intervencí se další SMR budou v dohledné době realizovat. Nicméně několik projektů SMR je na rozdíl od „fantazírování“ kolem fúzních reaktorů a jaderných reaktorů 4. generace již v takovém stádiu vývoje, kdy je od komerční realizace dělí jen problém nalezení investora.

    • Jakub Líman napsal:

      Presne tak.. a ten investor by musel bejt blazen jit do neceho neznamyho, drahyho, rizikovyho, jadernyho.. jestli budou stavet soukromnici jako prvni snim svuj klobouk 🙂 Tohle musi podrzet staty, ktere maji zajem o rozvoj technologii.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *