Jaderná energetika v roce 2022 – 3. část: Malé modulární reaktory

V současné době se dramaticky zvyšuje zájem o malé modulární reaktory. Pořád jich však je v provozu nebo ve výstavbě jen pár a velmi otevřenou otázkou je, zda naplní očekávání, které se do nich vkládají. Podívejme se na současný stav a pokrok v posledních letech.

Malé modulární reaktory uváděné do provozu

I v této oblasti jsou nejdále Rusko a Čína. Rusko pro své první malé modulární reaktory využívá reaktory pro ledoborce. Podívejme se tak nejdříve, co je nového v této oblasti

První sériový atomový ledoborec typu 22220 s názvem Sibiř byl začátkem roku 2022 uveden oficiálně do provozu. Prototypový ledoborec tohoto projektu Arktika už v té době pracoval v Severním ledovém oceánu a provázel lodě po Severní ledové cestě. K němu se tak přidal i ledoborec Sibiř. Dokončen byl i ledoborec Ural, koncem května 2022 se u něj poprvé rozběhl reaktor. Na přelomu roku 2022 a 2023 už všechny tři pomáhaly konvojům lodí na severu Ruska. Délka těchto lodí je 173,3 m, šířka 34 m a celková výška 52 m. Posádka je v počtu 53 mužů. Dokáže prorazit led až 2,8 m.

Pokračuje dokončování dalších ledoborců této série Jakutsko a Čukotka. V průběhu roku 2022 se pracovalo na reaktorech RITM-200 pro ledoborec Jakutsko a v lednu 2023 se sestavoval už i druhý reaktor pro ledoborec Čukotka. Ledoborec Jakutsko byl spuštěn na vodu na konci listopadu 2022. Měl by být dokončen v roce 2024 a Čukotka v roce 2026. Na konci roku 2022 byly vyčleněny finance na další dva ledoborce tohoto typu, dokončeny by měly být v letech 2028 a 2030.

Ledoborec Arktika už standardně provází lodě na severu Ruska (zdroj Rosatom).

Začíná produkce konkrétních komponent pro vyspělejší ledoborce projektu 10510 Lider. Pro tyto ledoborce už se začalo pracovat na reaktoru RITM-400. Na první z těchto lodí se už intenzivně pracuje, dokončena by měla být v roce 2027.

Stejné reaktory RITM-200, které se využívají na atomových ledoborcích, chce Rusko využívat i u plovoucích jaderných elektráren i pozemních malých modulárních reaktorů, které se budou budovat v sibiřských oblastech. Později by to měly být i reaktory RITM-400. Konkrétní projekty se připravují pro zlatá naleziště v Jakutsku. Geologické průzkumy Usť Janskoj oblasti v republice Sacha by měly probíhat v r letech 2022 až 2024. Předpokládá se, že taková elektrárna by měla dva reaktory RITM-200. O takový typ elektrárny má zájem i Kyrgyzstán.

Lodě pro první čtyři sériové plovoucí jaderné elektrárny s reaktory RITM-200 se staví v Číně. Jejich délka je 140 m, šířka 30 m a hmotnost bez vybavení 9 549 t a s vybavením 19 088 t. První z nich by měla být do Ruska dodána v roce 2023.

Plovoucí jaderná elektrárna Akademik Lomonosov je úspěšná a rozšiřovala dodávky tepla do dalších oblastí města Pevek. V roce 2022 tak začala zásobovat teplou vodou celé město.

O zahájení výstavby malého modulárního reaktoru ACP100 (Lionglong One) v elektrárně Čchan-ťiang (Changjiang) v červenci 2021 se psalo v minulém přehledu. Měl by mít výkon 125 MWe. Koncem února 2022 se instalovala nejnižší válcová kovová sekce kontejnmentu, která má výšku 15 m a 450 t. Pak se postupně instalovaly konstrukce a budovaly základy pro usazení reaktorové nádoby. Zároveň se betonovaly základy strojovny. V červenci 2022 byla instalována horní sekce a to 70 dní před plánovaným termínem. V prosinci byla zahájena instalace technologií.

V minulém přehledu se psalo o spuštění vysokoteplotního plynem chlazeného malého modulárního reaktoru HTR-PM200. Dne 9. prosince 2023 dosáhl plného nominálního výkonu.

Plovoucí jaderná elektrárna Akademik Lomonosov (zdroj Rosenergoatom).

Klasické malé modulární reaktory ve vývoji

Právě události z posledních let urychlily i snahu o realizaci malých modulárních reaktorů na západě. Americký projekt NuScale změnil jméno na NuScale VOYGR, ale stále se o něm hovoří spíše pouze pod původním názvem. Nyní se přešlo od modulů s výkonem 50 MWe k výkonu 77 MWe. V srpnu 2022 se projekt stal prvním malým modulárním reaktorem, který prošel certifikací u amerického úřadu pro jadernou bezpečnost NRA. Je však třeba zmínit, že se certifikoval projekt s moduly o 50 MWe. První elektrárna by se měla stavět s počtem modulů zmenšeným z dvanácti na šest v Národní laboratoři Idaho. Zde už se realizují přípravné práce, jde hlavně o geologický a seismologický průzkum i další všestranná analýza konkrétní lokality pro výstavbu a všech potenciálních rizik. V principu se v budoucnu uvažuje nabídka variant elektráren se čtyřmi, šesti a dvanácti moduly. Kromě amerického dodavatelského řetězce by komponenty měla vyrábět i jihokorejská firma Doosan Enerbility.

O výstavbě těchto elektráren se uvažuje v celé řadě oblastí USA. Jde například o společnost Dairyland, která vlastní místo po likvidované elektrárně La Crosse ve Wisconsinu. O průběhu likvidace tohoto vysloužilého varného reaktoru s výkonem 70 MWe se podrobně psalo v dřívějším článku na Oslovi. Ta by zde nyní chtěla vybudovat elektrárnu NuScale. Začalo jednání s průmyslovými podniky, jako je například KGHM Polska Miedź SA, o možném využití tohoto reaktoru v Polsku. Zde by nahradil uhelné elektrárny. Reaktory NuScale chce budovat také Rumunsko. Uvažuje o něm i Estonsko. Objevují se dokonce návrhy, že by se NuScale moduly mohly využít i pro budování plovoucích jaderných elektráren.

Reaktor SMR-160 je produktem firmy Holtec, která dlouhodobě pracuje v oblasti jaderných technologií. Využívat bude standartní palivo od Framatomu. V první půli roku 2022 se dohodla na spolupráci s Mitsubishi Electric na spolupráci na tomto projektu. Existuje několik kandidátních míst pro výstavbu, mezi nimi je i bývalá jaderná elektrárna Oyster Creek, jejíž jediný reaktor byl odstave v roce 2018 po 50 letech provozu. Holtec doufá, že první reaktor SMR-160 bude dokončen v roce 2029.

Tlakovodní reaktor Rolls Royce by měl mít elektrický výkon 470 MWe, což přesahuje limitní hodnotu standardně uváděnou pro malé modulární reaktory a odpovídá výkonu současných reaktorů v Dukovanech. V roce 2022 se připravovala dokumentace pro posouzení reaktoru úřadem pro jadernou bezpečnost Velké Británie, jde o posouzení koncepce reaktoru GDA (Generic Design Assessment), první etapa certifikace byla zahájena v březnu 2022. V současné době se vybírají lokality pro výstavbu prvních těchto reaktorů v Anglii a Walsu, stejně tak se hledá místo pro hlavní výrobní podnik. Reaktor by chtělo využít Nizozemí a uvažuje o něm i Estonsko.

Americkojaponská firma GE Hitachi připravuje varný reaktor BWRX-300. První stavba by se měla realizovat v Kanadě v elektrárně Darlington. Ta patří firmě OPG (Ontario Power Generation´s) a umístění by bylo vedle stávajících bloků CANDU. Dokončit by ji chtěli v roce 2028. Uvažuje o něm i kanadská provincie Saskačevan. Stejný reaktor chce firma TVA (Tennessee Valley Authority) vybudovat v Clinch River nedaleko Oak Ridge. O spolupráci a využití reaktoru BWRX-300 jedná i Švédsko. V Polsku se uvažuje o výstavbě nejméně deseti těchto reaktorů. Je i jedním ze tří malých modulárních reaktorů, které přizvala do výběrového řízení estonská Fermi Energia.

Na projektu malého modulárního reaktoru začala pracovat i francouzská firma EDF. Elektrárna NUWARD by se měla skládat ze dvou tlakovodních reaktorů, každý z nich by měl mít výkon 170 MWe. K práci na projektu se přihlásila i belgická firma Tractebel. Výstavba demonstrační jednotky by měla být zahájena na začátku třicátých let. Společnost EDF začíná nabízet reaktor spolu s velkými reaktory III. generace. Jednání o spolupráci a případném využití se vedou s řadou zemí, včetně Polska a Česka.

Instalace nejnižší části malého modulárního reaktoru ACP100 (Lionlong One) v elektrárně Čchan-ťiang (zdroj CNNC).

O možném využití malých modulárních reaktorů uvažují pobaltské státy Litva, Estonsko i Lotyšsko. V České republice se vybralo místo pro první referenční malý modulární reaktor v lokalitě jaderné elektrárny Temelín. Jihočeský jaderný technologický park by se měl starat o rozvoj využití malých modulárních reaktorů u nás. Jeho zakladateli jsou Jihočeský kraj, firma ČEZ a.s. a ÚJV a.s.. Spolupracují s několika potenciálními dodavateli, například NuScale, BWRX-300, Rolls-Royce, NUWARD i SMR-160. V roce 2022 byl dokončen předběžný geologický průzkum vybrané lokality. Do projektů malých modulárních reaktorů se zapojují i české průmyslové firmy, jako je třeba Škoda JS. Zároveň se intenzivně posuzují možné lokality pro tato zařízení, předpokládá se, že by mohly postupně nahradit současné uhelné kogenerační elektrárny a teplárny.

Už v předchozích přehledech se psalo o tom, že v České republice se pracuje na čtyřech projektech malých modulárních reaktorů. Dva jsou klasického typu s předpokladem využívání palivových souborů VVER. Prvním z nich je těžkovodní Teplátor čistě pro produkci tepla a druhým lehkovodní reaktor pro výrobu elektřiny i tepla David. Další dva jsou pokročilé reaktory EnergyWell využívající k chlazení roztavené soli a vysokoteplotní HeFATSo chlazený héliem. V minulém roce začaly UJV a.s. a CVŘ s.r.o. s vývojem dalšího malého modulárního reaktoru klasického typu CR-100. Jednalo by se o tlakovodní reaktor s tepelným výkonem 100 MWt. Využíval by palivové soubory pro reaktory typu VVER a v co největší míře další zavedené a ověřené technologie. Mělo by to vést k rychlejší realizaci projektu a průběhu licenčního řízení. Z toho hlediska vidím trochu problém v tom, že palivové soubory VVER by měly být zkrácené. I když k využívání zkrácených palivových souborů VVER přechází i projekt David. Je tak důležité projednat s výrobci, zda takové palivo budou dodávat a počítat i s jeho licencováním.

Vizualizace malého modulárního reaktoru BWRX-300 (zdroj GEH).

Pokročilé malé modulární reaktory ve vývoji

Kromě klasických lehkovodních konceptů se rozvíjejí i pokročilé typy jaderných reaktorů. I když zde lze uvedení do praxe čekat daleko později. Některé z nich se však uvádějí do provozu již nyní. Jde například o čínský vysokoteplotní héliem chlazený reaktor HTR-PM200. Z těch, které jsou zatím jen na papíře jsme již zmínili české koncepty EnergyWell a HeFASTo.

V této oblasti došlo na začátku roku 2022 k zastavení posuzování reaktoru Aurora americkým úřadem pro jadernou bezpečnost NRC. Rychlý reaktor s elektrickým výkonem 1,5 MWe by měl využívat k chlazení tepelné trubice a superkriticky oxid uhličitý. Předpokládá se využívat kovové palivo HALEU (High-assay Low Enriched Uranium). Firma Oklo Power´s chce první referenční reaktor postavit v INL (Idaho National Laboratory). Ve zdůvodnění odmítnutí se zmiňují chybějící podstatné informace, které by měl žadatel doplnit. Již v roce 2022 pak firma učinila řadu kroků k úspěšné realizaci licenčního řízení v budoucnu.

Koncept vysokoteplotního plynem chlazeného reaktoru je i Xe-100, navrhovaný startupem X-energy. Jde o reaktor s kulovým ložem využívajícím TRISO palivo, který by mě mít moduly o tepelném výkonu 200 MWt a elektrickém výkonu 80 MWe. Z nich by se měly skládat elektrárny s počtem až 12 modulů. Kromě elektřiny by mohly dodávat i průmyslové teplo. Poměr mezi dodávkou tepla a elektřiny by se měnil podle potřeb daného projektu. První zařízení v provozu se plánuje ve státě Washington do roku 2028.

U reaktoru TerraPower dojde ke zpoždění o dva roky. Reaktor se tak nerozběhne před rokem 2030. Je to spojeno s invazí Ruska na Ukrajinu. Jedná se totiž o rychlý sodíkem chlazený reaktor o předpokládaném elektrickém výkonu 345 MWe. Palivo, které je pro takový reaktor potřeba musí mít vyšší obohacení, než je tomu u klasických reaktorů. Předpokládá se tak využití paliva typu HALEU. To se však zatím v USA neprodukuje, a tak se původně uvažovalo, že v prvních letech se bude nakupovat palivo od Rosatomu z Ruska. To se nyní změnilo. Západní palivo tohoto typu však bude k dispozici později. Teprve na začátku února se dokončily pokročilé kaskády centrifug, které umožní zatím demonstrační produkci obohaceného uranu pro toto palivo v Piketonu. Takové palivo potřebuje řada plánovaných rychlých reaktorů, nejen ty malé modulární. Na vývoji tohoto reaktoru začalo spolupracovat i Japonsko, které má se sodíkovými rychlými reaktory zkušenosti při budování a provozování reaktorů Joyo a Monju.

Vizualizace malého modulárního reaktoru NUWARD (zdroj EDF).

Firma TerraPower, podporovaná i Billem Gatesem, pracuje také na rychlém malém modulárním reaktoru využívajícím palivo rozpuštěné v tekuté soli MSRI. Výhodou reaktorů využívajících tekuté soli je, že by při vhodné konfiguraci umožnit efektivní využívání i thoria a vyhořelého jaderného paliva. V tomto případě se jedná o využití u těžebních polí a petrochemických závodech v kanadské provincii Alberta.

Další zajímavou koncepcí využívající tekuté soli je ThorCon reaktor TMSR-500 (ThorCon Molten Salt Reactor). V tomto případě by celkový elektrický výkon dvou modulů byl 500 MWe. Americká firma chce tyto reaktory dodávat pro Indonésii, a to i formě plovoucích jaderných elektráren. Do spolupráce na takových plovoucích elektrárnách jsou zapojeny firmy ze Španělska a Norska.

Existuje řada dalších projektů využívajících tekuté soli jako chladivo nebo i ve formě tekutého paliva. A to i ve formě plovoucích jaderných elektráren. Jde například o projekt kanadské firmy Terrestrial Energy na reaktor IMSR (Integral Molten Salt Reaktor) chlazený tekutými solemi s elektrickým výkonem 195 MWe. Kdy se první z nich dostane do provozu, je však otázka velmi otevřená.

Kaskády centrifug, které budou zatím v experimentálním režimu produkovat obohacený uran pro americké HALEU palivo se dokončily v Piketonu (zdroj Centrus).

Ve vývoji je ještě celá řada mikro a minireaktorů s výkonem zlomky a jednotky MW. Ekonomicky se většinou vyplatí ve specifických podmínkách ostrovního režimu, kdy je potřeba nižší výkon. Intenzivně se tak o takové reaktory zajímá Kanada pro těžební a průmyslové podniky na severu a z podobných důvodů i Rusko. Jedním z takových mikroreaktorů je projekt Pele, který pracuje na vysokoteplotním plynem chlazeném mikroreaktoru s výkonem mezi 1 až 3 MWe využívající palivo typu HALEU. Dalším příkladem je mikroreaktor eVinci s výkonem 5 MWe využívající tepelné trubice. V tomto případě se dostáváme k reaktorům v kategorii těch, které se připravují pro vesmír, jako je kilopower. Vzhledem k návratu člověka na Měsíc a expanzi na Mars intenzita v oblasti vývoje vesmírných reaktorů zásadně vzrostla. Podrobnější přednášku o vesmírných reaktorech jsem měl pro opavskou Mars Society.