Infografika: Malé modulární reaktory (SMR) v pokročilé fázi vývoje

DomůJaderné elektrárnyInfografika: Malé modulární reaktory (SMR) v pokročilé fázi vývoje

Mnozí předurčují malým modulárním reaktorům světlou budoucnost a potenciál způsobit renesanci jaderného průmyslu.  Sériová výroba velké části komponent by měla přinést snížení nákladů na jejich výrobu a rovněž urychlit jejich výstavbu. Které malé reaktory jsou nyní v pokročilé fázi vývoje a jejich nasazení pro komerční provoz lze očekávat v horizontu deseti let?

Informace o SMR ve výstavbě přinesl náš předchozí článek. Tento článek se zabývá SMR v pokročilé fázi vývoje, ve které je podle serveru world-nuclear.org  v současné době deset prototypů. Jejich přehled je uveden na následující infografice.

NuScale

Malý modulární reaktor (SMR) od americké společnosti NuScale, se kterou od poloviny letošního roku spolupracuje i česká Skupina ČEZ, je integrální tlakovodní (PWR) reaktor s přirozenou cirkulací. Reaktor, jež bude vyráběn továrně, disponuje konvekčním chlazením, přičemž jedinou pohyblivou částí jsou pohony regulačních tyčí. Reaktor má kompletní pasivní chlazení, které je i po vypnutí reaktoru schopno fungovat bez potřeby jakéhokoliv energetického zdroje.

Reaktor používá standardní palivo PWR reaktorů, tedy uran s obohacením na 4,95% v běžných palivových sestavách PWR, ale o délce pouze 2 metry, s doplňováním paliva jednou za 24 měsíců. Modul s válcovou kontejnmentovou nádobou o výšce 22 metrů, průměru 4 metry a váze 650 tun je instalovaný v bazénu naplněném vodou pod úrovní terénu, obsahuje reaktor a nad ním umístěný parogenerátor.

Standardní elektrárna by měla dohromady obsahovat 12 modulů poskytujících celkem 720 MW elektrického výkonu. Mostový jeřáb by zvedl každý modul z jeho bazénu do samostatné části závodu pro doplňování paliva. Životnost elektrárny je předpokládána na 60 let.

NuScale pro svůj SMR v prosinci dokončila čtvrtou ze šesti částí certifikace v USA a plánuje proces úspěšně ukončit do září 2020. Slibuje si od reaktoru, že bude prvním, který bude v USA uveden do provozu. V závislosti na skutečném dokončení certifikačního procesu lze očekávat, že první malé modulární reaktory od NuScale budou uvedeny do provozu okolo roku 2026.

NuScale zároveň v lednu oznámila podání žádosti o posouzení svého reaktoru u kanadské Komise pro jadernou bezpečnost (Canadian Nuclear Safety Commission). Cílem předlicenčního posuzování je zjistit soulad s kanadskými pravidly pro jaderné elektrárny.

„S půdorysem menším než 74 hektarů (cca 0,3 km2) disponuje elektrárna NuScale ideální velikostí pro nahrazení stárnoucích uhelných elektráren. Bez nutnosti změn ve stávající regulaci umožňuje využít stávající energetickou infrastrukturu a lidský kapitál. Reaktory a doprovodná zařízení (souhrnně známé jako NuScale Power Module ™) jsou vyráběny kompletně továrně a dodávány na místo stavby bez nutnosti výroby na místě. Tato tovární výroba významně zkracuje dobu realizace projektu, jeho náklady a rizika. Provoz elektrárny je zároveň flexibilní, aby umožnil uspokojit požadavky na proměnnou výrobu v dnešní elektrizační soustavě,“ uvádí společnost NuScale Power ve své zprávě.

Malý modulární reaktor NuScale. Zdroj: NuScale Power

VBER-300

VBER-300 je malý modulární reaktoru typu PWR o elektrickém výkonu 325 MWe a tepelném výkonu 917 MWt vyvíjený dceřinou společností Rosatomu, OKBM Afrikantov. Životnost reaktoru dosahuje 60 let. Původně bylo nasazení reaktorů plánováno po dvojicích v plovoucích jaderných elektrárnách.

Předpokládají se také verze se třemi a dvěma parogenerátory o výkonu 230 a 150 MWe. Díky sofistikovanějšímu a více obohacenému palivu (18%) lze interval doplňování paliva posunout z dvou až na pět let (s délkou palivové kampaně 6 až 15 let).

Společný podnik z roku 2006 mezi společností Atomstroyexport a Kazatomprom vyvíjí reaktor jako základní zdroj energie pro Kazachstán a později také pro export technologie do dalších zemí. Předpokládá se také použití v Rusku, zejména jako kogenerační jednotky.

SMR-160

SMR-160 LLC, dceřiná společnost americké společnosti Holtec International, komercializuje koncepci továrně vyráběného reaktoru o jmenovitém tepelném výkonu 525 MWt a elektrickém výkonu 160 MWe. Reaktor se dvěma externími horizontálními parogenerátory používá palivo podobné tomu z větších PWR reaktorů, včetně možnosti využití směsného oxidického (MOX) paliva. Každá palivová kazeta obsahuje 32 palivových sestav o standardní délce a je vsazena jako jedna jednotka do 31 metrů vysoké tlakové nádoby. Pro doplnění paliva je nezbytná týdenní odstávka.

Reaktor disponuje plně pasivním chlazením a celý systém je instalován pod úrovní terénu s prostorem pro uložení použitého paliva. Pro každou jednotku s předpokládanými náklady 800 milionů USD (5 000 USD/kW) se počítá se 24měsíční konstrukční dobou. Životnost reaktoru je předpokládána v délce 80 let.

V únoru 2019 Holtec oznámil novou dohody se společností Exelon, čímž se k vývoji připojily pod Exelon spadající společnosti Mitsubishi a SNC-Lavalin. V červnu 2019 Holtec podepsal dohodu o partnerství s ukrajinským Energoatomem a ukrajinským národním poradcem v oblasti jaderné energie, Státním vědeckým a technickým střediskem pro jadernou a radiační bezpečnost (SSTC-NRS), s cílem zřídit konsorcium k prozkoumání environmentální a technické proveditelnosti kvalifikace „obecného“ SMR -160 systému, který by bylo možné postavit a provozovat na libovolném místě v zemi.

ACP100/Linglong One

ACP100 byl identifikován jako „klíčový projekt“ v 12. pětiletém plánu Číny a zakládá se na větším tlakovodním reaktoru ACP1000. Konstrukce s 57 palivovými sestavami a integrovanými parogenerátory zahrnuje prvky pasivní bezpečnosti a předpokládá instalaci reaktoru pod zemí. Čína v roce 2016 oznámila plány na výstavbu demonstrační plovoucí jaderné elektrárny založené na variantě designu reaktoru označované ACP100S.

Pevninská demonstrační elektrárna se dvěma reaktory měla být původně postavena v Putian County společností CNNC New Energy Corporation, společným podnikem Čínské národní jaderné společnosti (CNNC) a China Guodian Corp. Začátkem roku 2017 bylo místo pro první jednotky ACP100 změněno na Changjiang na ostrově Hainan, přičemž v Putianu má být postaven větší reaktor.

CNNC zahájila projekt pilotní elektrárny v Changjiang v červenci 2019 s tím, že zahájení stavebních prací bylo plánováno na konec loňského roku.

„Pilotní projekt Linglong One ověří design, výrobu, výstavbu a provoz technologie. Umožní nám také získat zkušenosti s provozováním malých jaderných reaktorů a umožní prozkoumat budoucí trh pro malé reaktory.“

„Jako nový typ jaderného reaktoru je malý modulární reaktor bezpečný a ekonomicky výhodný s vysokou mírou flexibility, pokud jde o výkon a rozsah, a je rovněž přizpůsobitelný pro elektrárny v náročných lokalitách. Je schopen zajistit energii pro malé a střední rozvodné sítě,“ uvádí CNNC.

SMART

Jihokorejský SMART (System-integrated Modular Advanced Reactor) je tlakovodní reaktor o výkonu 330 MWt a 100 MWe s integrovanými parogenerátory a pokročilými bezpečnostními prvky. Byl navržen Korejským institutem pro výzkum jaderné energie (KAERI) pro výrobu elektřiny a tepla a pro odsolování mořské vody. Jedna jednotka může produkovat 90 MW elektrického výkonu a 40 mil. litrů odsolené vody za den. Životnost reaktoru je předpokládána na 60 let.

Reaktor využívá 57 palivových souborů, které jsou podobné souborům pro standardní PWR jen kratší, s palivem na bázi uranu s obohacení 4,8 % a tříletým cyklem doplňování. Začátkem roku 2016 byly všechny aktivní bezpečnostní prvky původního designu nahrazeny jejich pasivními verzemi.

V roce 2015 společnost KAERI podepsala dohodu se saúdskoarabským vědeckým a výzkumným institutem King Abdullah City for Atomic and Renewable Energy (K.A.CARE) o posouzení potenciálu výstavby reaktorů SMART v této zemi. Náklady na výstavbu první jednotky SMART v Saúdské Arábii byly odhadnuty na 1 miliardu dolarů. V roce 2018 proběhly předprojektové práce, včetně prvního inženýrského návrhu a příprav na výstavbu dvou jednotek.

V rámci memoranda o porozumění podepsaného v září 2019 budou Korea a Saúdská Arábie spolupracovat na zdokonalení návrhu reaktoru SMART. Korea také pomůže v procesu schvalování reaktoru a poskytne spolupráci při výstavbě a provozu reaktoru v Saúdské Arábii. Oba partneři budou také propagovat využití SMART reaktoru v dalších zemích Středního východu a jihovýchodní Asie.

Porovnání konstrukce reaktoru SMART s konvenčním typem reaktoru. Zdroj: KAERI

BWRX-300

GE Hitachi Nuclear Energy vyvíjí malý varný reaktor (BWR) o jmenovitém výkonu 300 MWe a 910 MWt, jehož nasazení je uvažováno v podobě samostatných jednotek. Jedná se o reaktor odvozený od ESBWR reaktoru, který v roce 2015 získal provozní licenci od amerického regulátora (NRC). BWRX-300 oproti ESBWR zavádí řadu úsporných opatření, zahrnujících systémy pro přirozenou cirkulaci teplosměnného média, menší suchý kontejnment nebo více pasivních systémů pro řízení provozu.

GE Hitachi odhaduje investiční náklady pro sériovou výrobu reaktoru ve výši 2250 USD/kWe (cca 51 tis. CZK/KWe), tato cena se týká n-tého kusu po vyrobení prvních jednotek. Cílem je zároveň omezit počet zaměstnanců nutných pro provoz reaktoru na 75 zaměstnanců, aby bylo dosaženo odhadovaných nákladů na provoz a údržbu ve výši 16 USD/MWh (364 CZK/MWh).

V květnu 2018 se GE Hitachi dohodla s americkou energetickou společností Dominion Energy na spolufinancování projektu. V červenci 2018 získala GE Hitachi financování ve výši 1,9 milionu dolarů od amerického ministerstva energetiky, aby vedla tým zahrnující Bechtel, Exelon, Hitachi-GE Nuclear Energy a Massachusetts Institute of Technology a prozkoumala způsoby, jak zjednodušit návrh reaktoru, snížit náklady na jeho výstavbu, provoz a údržbu.

Cílem týmu je zejména identifikovat způsoby, jak snížit náklady na dokončení zařízení o 40-60 % ve srovnání s jinými návrhy SMR ve vývoji a zajistit konkurenceschopnost reaktoru s plynovými elektrárnami.

„Jako desátý vývojový stupeň varného reaktoru představuje BWRX-300 nejjednodušší, avšak nejinovativnější design BWR reaktoru od doby, kdy GE začala vyvíjet jaderné reaktory v roce 1955,“ uvádí GE Hitachi.

V květnu 2019 byl návrh BWRX-300 předložen kanadské  jaderné bezpečnostní komisi (CNSC) za účelem předlicenčního posouzení návrhu. V říjnu 2019 podepsala společnost GE Hitachi dohody s estonskou společností Fermi Energia a s polskou společností Synthos SA o posouzení ekonomické proveditelnosti výstavby reaktoru BWRX-300 v obou zemích.

Vizualizace elektrárny s reaktorem BWRX-300. Zdroj: GE Hitachi

PRISM

PRISM je malý modulární sodíkem chlazený rychlý reaktor bazénového typu o jmenovitém výkonu 840 MWt a 311 MWe. PRISM využívá pasivní bezpečnostní prvky a digitální přístrojové vybavení a řízení.

Blok tvoří dva reaktory, každý s jedním parogenerátorem, které dohromady nabídnou 622 MW elektrického výkonu. Kompletní primární systém je ponořený do bazénu naplněného sodíkem s teplotou cca 500 °C.

Po 30 letech vývoje představuje reaktor čtvrtou generaci zařízení pro uzavření palivového cyklu v USA. Reaktor PRISM je schopen recyklovat veškerý uran a transurany (prvky „těžší“ než uran) obsažené v použitém jaderném palivu. To je podstatné zlepšení oproti předchozím metodám přepracování. Použité palivo z lehkovodních reaktorů obsahuje stále asi 95 % dostupné energie, tuto energii je možné využít právě v rychlých množivých reaktorech.

GE Hitachi je přesvědčena, že moderní recyklační technologie by měly být využity k řešení problému s použitým jaderným palivem. Dle společnosti je možné z paliva získat nejméně stokrát více elektřiny a snížit jeho radiotoxicitu.

Existuje také možnost nasazení reaktoru PRISM pro počáteční řešení zásob britského civilního plutonia s budoucí možností rozšíření zařízení tak, aby poskytovalo kompletní recyklaci paliva použitého v reaktoru PRISM.

Vizualizace malého modulárního reaktoru PRISM. Zdroj: GE Hitachi

ARC-100

Dalším malým modulárním sodíkem chlazeným rychlým reaktorem bazénového typu je ARC-100 společnosti Advanced Reactor Concepts LLC (ARC), která byla založena v roce 2006 a reaktor nyní vyvíjí společně s GE Hitachi. Reaktor se jmenovitým výkonem 260 MWt a 100 MWe je založen na experimentálním 62,5MWt reaktoru EBR-II.

Reaktor, který je navržen pro instalaci pod úrovní terénu, obsahuje továrně vyráběné komponenty snadno sestavitelné na místě a prvky pasivní bezpečnosti. Jako palivo využívá reaktor nízkoobohacený uran (10,1% vnitřní zóna, 12,1% střední zóna, 17,2% vnější zóna) v 92 palivových souborech  s intervalem výměny paliva 20 let. Reaktor je rovněž schopen využívat použité palivo z lehkovodních reaktorů nebo plutonium.

V červenci 2018 oznámily ARC a New Brunswick Power, že zkoumají potenciální umístění reaktoru v jaderné elektrárně Point Lepreau v kanadské provincii Nový Brunšvik.

Konstrukce malého modulárního reaktoru ARC-100. Zdroj: ARC

IMSR

Kanadská společnost Terrestrial Energy založená v roce 2013 rozvíjí integrální reaktor chlazený roztavenou fluoridovou solí, tzv. MSR reaktor (Molten Salt Reactor). Tato zjednodušená verze klasického MSR reaktoru integruje komponenty primárního okruhu, včetně primárních tepelných výměníků, do sekundárního okruhu, do uzavřené a vyměnitelné nádoby, jejíž předpokládaná životnost dosahuje sedmi let. Životnost celé elektrárny je předpokládána v délce 60 let.

IMSR bude pracovat při 600-700 °C, což umožní zásobování teplem pro širokou škálu průmyslových aplikací. Moderátorem je hexagonální uspořádání grafitových prvků, palivovou sůl tvoří eutektikum nízko obohaceného uranového paliva (UF4) a nosné fluoridové soli při atmosférickém tlaku. Chladivem v sekundárním okruhu je sůl ZrF4-KF. Nouzové chlazení a odvod zbytkového tepla jsou řešeny pasivně.

Každá elektrárna by měla prostor pro dva reaktory, což by umožnilo praktikovat sedmiletý cyklus provozu, po nichž by byla použitá jednotka po ochlazení a poklesu radioaktivity odstraněna pro přepracování mimo lokalitu. Společnost Terrestrial Energy doufá, že svůj první komerční reaktor uvede do provozu ve dvacátých letech.

Návrh IMSR je škálovatelný a společnost na počátku vývoje pracovala se třemi velikostmi: 80 MWt, 300 MWt a 600 MWt, v rozsahu od 30 do 300 MWe. Očekává se, že náklady na vyrobenou elektřinu z největší varianty reaktoru by měly být konkurenceschopné s výrobu elektřiny ze zemního plynu. Nejmenší varianta je pak určena pro odlehlé lokality bez rozvinutých elektrických sítí a jako prototyp. Od roku 2016 se společnost zaměřila na reaktor o jmenovitém výkonu 400 MWt a 192 MWe.

Terrestrial Energy přezkoumala čtyři potenciální lokality pro svůj reaktor, včetně jedné v Idaho National Laboratory (INL), v souvislosti s níž v březnu 2018 podepsala dohodu s Energy Northwest o vybudování prvního IMSR. Zbylé tři lokality se nacházejí východně od Mississippi.

V únoru 2019 projekt postoupil do druhé fáze hodnocení lokality kanadskými jadernými laboratořemi, což je samostatný proces prováděný paralelně k udělování licence, v souvislosti s možným umístěním komerční elektrárny v kanadské oblasti Chalk River do roku 2026.

V prosinci 2019 si CNSC a US NRC vybraly IMSR reaktor společnosti Terrestrial Energy pro první společnou technickou revizi pokročilého nelehkovodního jaderného reaktoru.

Vizualizace elektrárny s malým modulárním reaktorem IMSR. Zdroj Terrestrial Energy

BREST

Rusko experimentovalo s několika návrhy reaktorů chlazených olovem a ve svých ponorkách používalo reaktory chlazené olovem a bizmutem po 40 let. Významným ruským příspěvkem v kategorii SMR je rychlý neutronový reaktor BREST od společnosti NIKIET o jmenovitém výkonu 700 MWt a 300 MWe chlazený olovem a doplněný nadkritickými parogenerátory. Jedná se o reaktor bazénového typu, hlavní komponenty jsou tak ponořeny v bazénu naplněném olovem při atmosférickém tlaku.

Reaktor využívá směsného paliva (U-Pu) v nitridové formě s desetiměsíčním intervalem pro jeho výměnu. Použité palivo může být recyklováno pomocí zařízení na místě.

Vybudování pilotního reaktoru je plánováno v sibiřském městě Seversk, kde Sibiřský chemický kombinát (SCHK – součást TVEL, dceřiné společnosti Rosatomu pro výrobu paliva) provozuje svůj závod na výrobu paliva. Na konci loňského roku SCHK podepsal smlouvu s koncernem Titan 2 na provedení konstrukčních prací pro reaktor BREST. Rosatom v říjnu loňského roku oznámil, že komerční provoz reaktoru by měl být zahájen v roce 2026.

Vizualizace energetického komplexu s reaktorem BREST-300. Zdroj: NIKIET

Infografika na téma malých modulárních reaktorů v pokročilé fázi vývoje je ke stažení v plném rozlišení zde.