Jaderná energetika v roce 2024, 4. část: Pokrok v řešení pěti základních výzev

V poslední čtvrté části se zaměříme na tři z pěti zásadních výzev, které před jadernou energetikou stojí. Už v minulém cyklu jsme rozebírali pět hlavních výzev, které před současnou jadernou energetikou stojí. První je co nejdelší provozování existujících bloků. Druhá se týká zavedení reaktorů III. generace. Třetí je dána potřebou využití jaderné energie pro zásobování teplem budov i průmyslu. Čtvrtou je zavedení malých modulárních reaktorů a pátou pak cesta k uzavření palivového cyklu, tedy zavedení reaktorů IV. generace.

První a druhou výzvu jsme podrobně rozebírali v předchozím textu, na zbývající tři se detailněji podíváme nyní.

Roste význam jaderných zdrojů tepla

Využití jaderných zdrojů tepla neustále roste a je stále více pozitivních příkladů. Mnohem větší je však zatím nevyužitý potenciál. I v Česku dochází v současné době k zásadnímu zlomu.

V České republice se začal velmi úspěšně využívat horkovod z jaderné elektrárny Temelín do Českých Budějovic. Projekt horkovodu z Dukovan do Brna s délkou 42 km pokročil o významný krok dopředu. Byly podepsány důležité smlouvy, které pokrývají práce na zařízení pro odběr tepla z dukovanských bloků a jeho vyvedení na hranice areálu elektrárny. Zároveň se podepsaly smlouvy o smlouvě budoucí, které podmiňují začátek výstavby horkovodu předpokládaný v roce 2027. Výstavba by pak měla trvat čtyři roky a horkovod by se měl vyhnout zastavěným místům i s využitím podzemního uložení. To bude nejdelší, přes kilometr, v národním parku Bobrava.

Už šestou topnou sezónu je v provozu horkovod z jaderné elektrárny Chaj-jang se dvěma reaktory AP1000 v provincii Šan-tung (Shandong). Postupně pokrývá stále větší území a více měst. V roce 2026 by se mělo teplo z elektrárny dostat i do desetimilionového města Čching-tao (Qingdao).

O dokončení projektu dodávek páry z elektrárny Tchien-wan do petrochemického závodu v Lien-jün-kang (Lianyungang) v provincii Ťiang-su (Jiangsu) se psalo už v minulém přehledu. Na začátku března 2024 začala kolaudace zařízení. Pára se získává ze sekundárního okruhu třetího a čtvrtého bloku, což jsou reaktory VVER1000. Délka parovodu je okolo 23 km. Ročně by systém měl dodávat 4,8 milionů tun páry. Do komerčního provozu se systém dostal v červnu.

Příkladem využití vysokoteplotního reaktor pro dodávky tepla pro centrální vytápění města je projekt využívající teplo z vysokoteplotního plynem chlazeného reaktoru HTR-PM200. Vysokoteplotní pára ohřívá pomocí výměníku tepla vodu, která je pak dodávána do systému centrálního zásobování teplem. Horkovod byl dokončen 22 března a připojen do teplárenského systému 27. března 2024.

Usazování statoru malého modulárního reaktoru ACP100 (zdroj CNNC).

Malé modulární reaktory na startu

I když je pořád ještě výstavba prvních malých modulárních reaktorů v začátcích a zatím jsou většinou určeny pro specifické podmínky, zdá se, že se i v této oblasti blíží zásadní zlom. První oblastí, ve které můžeme mluvit o sériové produkci malých modulárních reaktorů, je výroba lodních reaktorů a jejich využití pro elektrárny.

V Rusku pokračuje práce na budování flotily z nejmodernějších atomových ledoborců třídy 22220. Délka tohoto ledoborce je 173 m, šířka 34 m a výška od vodní hladiny po špičku hlavního stěžně je 53 m. Využívá dva reaktory RITM-200 s tepelným výkonem 175 MWt u každého z nich.  V roce 2024 se podařilo dokončit už čtvrtý ledoborec této série, který se jmenuje Jakutsko, na konci prosince 2024 se na něm vztyčila ruská vlajka a zahájil provoz. Začátkem listopadu pak byl v Baltických loděnicích spuštěn na vodu pátý ledoborec této třídy s názvem Čukotka. Jeho dokončení se čeká v roce 2026. O přípravě dalších dvou se psalo v minulých přehledech. V minulém roce jim byla změněna dříve ohlášena jména. Původně se podle přijatého postupu jmenování podle různých oblastí při pobřeží Severního ledového oceánu měly jmenovat Kamčatka a Sachalin. Nyní jim však jména byla změněna na Leningrad a Stalingrad. Na Leningradu se už v loděnicích pracuje a na výrobu Stalingradu už byl podepsán kontrakt a práce na něm by měly být zahájeny v tomto roce.

Nejen pro Rusko se stává Severní mořská cesta stále důležitější. Stále větší zájem má o ní Čína. Se ztrátou obchodních cest do Evropy přes Rusko roste význam právě tohoto spojení. A to se neobejde bez atomových ledoborců. Proto i v této oblasti se realizuje úzká spolupráce Číny a Ruska. V roce 2024 se touto námořní cestou přepravil rekordní objem 37,8 milionů tun nákladů, což je navýšení oproti minulému roku o 1,6 milionů tun.

Pro zajištění dostatku elektřiny tepla pro rozvoj těchto severských oblastí jsou malé modulární reaktory velice vhodné. První plovoucí jaderná elektrárna Akademik Lomonosov, která používá dva starší reaktory z ledoborců KLT-40S, je už v provozu. V roce 2024 došlo k první výměně paliva i u druhého reaktoru.

Pro těžební podniky v Bilibinském regionu na Čukotce se pracuje na čtyřech plovoucích jaderných elektráren s reaktory RITM-200. V roce 2024 se první dvě tyto nové plovoucí jaderné elektrárny začaly sestavovat.

V Jakutsku s připravuje výstavba elektrárny s reaktory RITM-200 na pevnině. V roce 2024 se začala posuzovat možnost postavit místo jednoho dvou reaktorů, to by mohlo lépe pokrýt rostoucí potřeby oblasti. Postavení elektrárny složené ze šestice těchto reaktorů nabízí Rusko i Uzbekistánu. Místo pro ni se připravuje u města Džizak (Jizzakh), práce v lokalitě začaly v červnu 2024.

Začala instalace digitálního kontrolního systému malého modulárního reaktoru ACP100 (Zdroj CNNC).

K dokončení a spuštění se blíží první klasický malý modulární reaktor. Je jim čínský ACP100 (Lionglong One) v elektrárně Čchan-ťiang (Changjiang). Jde o první klasický tlakovodní reaktor integrovaného typu, který se bude využívat pro kogenerační výrobu elektřiny a tepla, ve výstavbě. Po instalaci vnitřní kopule v listopadu 2023 byla v únoru 2024 instalována i vnější kopule o hmotnosti 550 tun. V první půli dubna se začal instalovat digitální kontrolní systém reaktoru a v květnu byl zprovozněn velín zařízení. V září se pak instalovalo vnitřní vybavení reaktorové nádoby. Ve stejné době se upevnil stator generátoru a začalo sestavování turbínu.

Pro projekt NuScale bylo značným úderem zrušení plánu výstavby prototypu v INL (Idaho National Laboratory). Už v lednu 2024 tak snižovala firma NuScale v rámci úsporných opatření počet svých zaměstnanců o 154. Nyní se snaží získat jiného zájemce pro realizaci prototypového zařízení. Má sice více potenciálních investorů například v USA, Rumunsku či Polsku, ale zatím nic konkrétního. Již v minulém roce zadal výrobu horních částí modulů svého reaktoru pro projekt v Idaho jihokorejské firmě Doosan, nyní je přesouvá pro jiný budoucí projekt.

Moduly reaktoru Rolls-Royce se budou vyrábět v továrnách. První bude v Sheffieldu (zdroj: Rolls-Royce SMR).

V části věnované výběru malého modulárního reaktoru Rolls-Royce firmou ČEZ jsem psal, že Velká Británie má v užším výběru čtyři typy: zmíněný Rolls-Royce, SMR-160 firmy Holtec, AP300 firmy Westinghouse a BWRX-300 firmy GE Hitachi. Ty jsou opravdu v současné době nejblíže případné realizaci. Podívejme se na jejich pokrok v posední době podrobněji.

Výhodou reaktoru BWRX-300 je, že už má stanovenou lokalitu pro realizaci prototypu a v pokročilém stadiu je i průběh licencování. Kanadská ontarijská společnost OPG připravuje od září 2022 v elektrárně Darlington staveniště pro celkově čtyři bloky BWRX-300. V roce 2024 byla v termínu dokončena první fáze přípravy staveniště. Na začátku roku 2025 by mělo být staveniště připraveno pro zahájení prvního prototypového bloku a bude se čekat na potřebná povolení. Zároveň se pracuje na žádosti o licenci pro další bloky 2 až 4. První blok by měl být dokončen v letech 2028 až 2029. Z hlediska účasti v tendru ve Velké Británii je důležité, že v prosinci 2024 reaktor prošel první etapou GDA (Generic Design Assessment) u britského úřadu pro jadernou bezpečnost a postoupil do další. Druhá etapa by měla být dokončena na konci roku 2025. Jde o dobrovolné posouzení shody projektu s bezpečnostními a environmentálními podmínkami v dané zemi, které je však významným signálem potenciálního úspěchu reaktoru. O tomto reaktoru uvažuje celá řada států, kromě Kanady je to například Švédsko, Polsko a Estonsko.

Vizualizace malého modulárního reaktoru BWRX-300 (zdroj GE Vernova).

Rolls-Royce SMR předpokládá, že první prototyp jeho reaktoru se bude stavět právě ve Velké Británii. Proto je pro něj velmi důležitý výsledek tendru vlády této země. I u tohoto reaktoru probíhá proces GDA. Konkrétní lokalita zatím vybrána není. První moduly by měla produkovat továrna spojená s výzkumným centrem University v Sheffieldu v Jižním Yorkshiru. V této továrně se budou testovat efektivní metody výroby modulů. Jde o důležitý krok při cestě k prvnímu prototypu reaktoru. O využití reaktorů Rolls-Royce uvažují i Poláci.

V pokročilém stádiu příprav je také reaktor SMR-160 firmy Holtec. Firma uvažuje o potenciálních lokalitách. Jednou z nich by mohl být Oyster Creek. Výběr této lokality je dán tím, že je zde odstavená jaderná elektrárna, jejíž likvidaci realizuje právě firma Holtec. Byl zde varný reaktor, který byl uveden do provozu v roce 1969 a odstaven v roce 2018. Poté jej převzala právě firma Holtec. Postupná likvidace jaderné elektrárny postupuje poměrně velice rychle. Uvolňovaný areál je pro malý modulární reaktor velmi vhodný. Podobně by firma Holtec chtěla postavit dva reaktory SMR-160 v elektrárně Palisades, kterou také převzala k likvidaci. Tam se ovšem rozhodla blok odstavený před dvěma lety znovu zprovoznit. Při využití reaktoru SMR-160 v jižnějších oblastech, kde je možné využívat sluneční tepelné elektrárny, plánuje Holtec nabízet velmi efektivní kombinaci jaderného reaktoru, sluneční tepelné elektrárny a úložiště tepla na bázi tekutých solí. Ta by velice dobře vykrývala změny slunečního svitu i odběru elektřiny.

Začala příprava staveniště pro malý modulární reaktor BWRX-300 v elektrárně Darlington (zdroj OPG).

Westinghouse pracuje na malém jednosmyčkovém malém modulárním reaktoru AP300, jde o zmenšenou verzi reaktoru AP1000. Na začátku roku 2024 podala firma projekt k realizaci už popsaného procesu GDA ve Velké Británii.

Projekt integrálního reaktoru Nuward^TM byl v polovině roku 2024 zastaven. Firma EDF ocenila situaci, kdy je potřeba co nejrychlejšího zavedení malých modulárních reaktorů. Pokročilejší integrální reaktor potřebuje daleko delší čas pro svůj vývoj i licencování. Několik klasických jednodušších typů malých modulárních reaktorů je již velmi blízko možné realizace prvního prototypu. V této situaci se firma EDF rozhodla přejít k vývoji zjednodušené verze reaktoru Nuward, která bude založena na klasických vyzkoušených technologiích. K dokončení projektu a komerční nabídce by tak mělo dojít dříve a včas, než bude trh nasycen jinými modely.

Velmi zajímavý projekt se připravuje ve Finsku. Jde malý modulární reaktor LDR-50 finské společnosti Steady Energy, který má tepelný výkon 50 MWt a je určený pro systémy centrálního zásobování tepla. Reaktor je určen pouze pro produkci tepla a počet modulů by závisel na celkovém požadovaném výkonu. Vzhlede k tomu, že pro sídelní vytápění nejsou potřeba vysoké teploty, reaktor by mohl pracovat při relativně nízkém tlaku. Pracovní teplota je okolo 150 °C a tlak do 1 MPa. To i relativně malý výkon tak zvyšují jeho pasivní bezpečnost. Chlazení je zajištěno čistě přirozenou cirkulací. Finsko je vysoko na severu, vytápění je tak pro něj klíčovou záležitostí. Reaktor LDR-50 je postaven na využití klasických technologií i palivových souborů. Práce na projektu jsou poměrně pokročilé a mají podporu průmyslu. Již několik finských měst studuje možnost využití těchto reaktorů a o realizaci tohoto reaktoru se uvažuje i ve Švédsku. První jeho prototyp by společnost chtěla začít stavět v roce 2028. Už na začátku třicátých let by měl být v komerční nabídce.

Elektrárna Cruas využívá palivo z recyklovaného uranu (zdroj EDF).

Podívejme se na posuny u některých pokročilých malých modulárních reaktorů IV. generace. V polovině roku 2024 začaly zemní práce na nejaderných částech prototypového demonstračního projektu budoucího reaktoru TerrPower v lokalitě zrušené uhelné elektrárny v Kemmereru v Wyomingu. Jedná se o sodíkem chlazený rychlý reaktor využívající palivo HALEU se standardním výkonem 345 MWe, který se v maximu může zvýšit až na 500 MWe až na pět hodin.

Zvětšuje se počet zájemců o vysokoteplotní plynem chlazený reaktor XE-100 firmy X-energy. Reaktor s výkonem 80 MWe by měl využívat TRISO palivo. Zvyšuje se tak pravděpodobnost dřívější realizace jeho prototypového projektu.

A jaký je pokrok v oblasti mikroreaktorů. V INL (Idaho National Laboratory) byly zahájeny zemní práce na stavbě budovy pro prototypový mobilní mikroreaktor Pele. Reaktor by se měl dát přepravovat ve čtyřech lodních kontejnerech. Měl by dodávat 1-5 MWe minimálně po tři roky. Jedná se vysokoteplotní plynem chlazený reaktor využívající HALEU TRISO palivo. Americké ministerstvo energetiky DOE podporuje projekty několika dalších mikroreaktorů různých typů, jako jsou například Aurora, Aalo-1, BANR nebo Kaleidoskop.

Ocelová základová deska reaktoru BREST-300OD byla instalována v lednu 2024 (zdroj Rosatom).

Postup v cestě za uzavřením palivového cyklu

Vyhořelé palivo lze částečně recyklovat i při využívání klasických moderovaných reaktorů. Zde se však využití uranu a spalování vznikajících aktinidů zvyšuje jen v omezené míře. Pro reálné uzavření palivového cyklu je potřeba využívat rychlé reaktory.

Jednou z mála zemí, které realizují recyklaci vyhořelého paliva z klasických reaktorů a využívají v nich palivo typu MOX, je Francie. Ta přistoupila vzhledem k návratu k intenzivnímu rozvoji jaderné energetiky k vyhlášení dlouhodobé strategie rozvoje přepracování vyhořelého paliva. Považuje rozvoj v této oblasti jako důležitý prvek udržitelnosti jaderné energetiky. V jeho rámci plánuje tři kroky. Prvním je prodloužení využívání přepracovacích závodů v La Hague a Melox i po roce 2040. Druhým je vybudování nového závodu na fabrikaci paliva typu MOX v La Hague a třetím vybudování nového přepracovacího závodu ve stejné lokalitě. V současné době pochází zhruba 10 % jaderné elektřiny ve Francii z recyklovaného paliva. V budoucnu chce Francie zvýšit tento podíl až na 25 % a později i 40 %. K tomu má přispět ještě intenzivnější využívání palivových souborů typu MOX. Palivo typu MOX využívá plutonium získané z vyhořelého paliva. Přepracovaný uran se obohacuje a využívá v palivu typu REMIX. Licenci na využívání paliva z přepracovaného uranu mají ve Francii čtyři reaktory v jaderné elektrárně Cruas. Blok Cruas 2 se stal první, který začal v březnu 2024 využívat aktivní zónu složenou pouze z tohoto recyklovaného paliva.

Při recyklaci se ve francouzských recyklačních závodech z vyhořelého paliva získá plutonium, které se ihned využije při výrobě paliva typu MOX. Recyklovaný uran se pak skladuje jako strategická zásoba a část se využije k výrobě paliva typu REMIX. V současné době recykluje Francie zhruba 1100 tun vyhořelého paliva. Získá z něho 11 tun plutonia a 1045 tun recyklovaného uranu.  Ten se dominantně zatím ukládá. Pro využití palivových souborů z recyklovaného uranu je tak velký potenciál.

Teď se podívejme na realizované rychlé reaktory. Ty jsou většinou kompaktnější a potřebují efektivnější chlazení. Často se tak chladí tekutými kovy. Podívejme se nejdříve na rychlé reaktory chlazené sodíkem. Jediné dva, které komerčně dodávají elektřinu, jsou reaktory BN600 a BN800 v Bělojarské jaderné elektrárně. Projekt navazujícího rychlého sodíkového reaktoru BN-1200, který se má realizovat jako pátý blok stejné elektrárny, dostal v roce 2024 environmentální povolení. Zároveň začala intenzivní práce na finalizaci projektu a detailní projektové dokumentaci, která by umožnila obdržet licenci pro zahájení výstavby.

Formování kontejnmentu reaktoru BREST-300OD (zdroj Rosatom).

Na začátku března 2024 se začalo zavážet palivo do prototypového indického rychlého sodíkového reaktoru PFBR v Kalpakkamu. Na začátku srpna dostal reaktor povolení k zahájení kritických testů, tedy zkoušky s průběhem štěpné řetězové reakce. Reaktor s výkonem 500 MWe se začal už v roce 2004 a po dlouhých letech zdržení se konečně připravuje ke spuštění. Nejdříve by se v něm měla v aktivní zóně využívat směs uranu a plutonia v centrální části, která by měla být obklopená uranem 238 v množivé zóně. Uran 238 by později měl být nahrazen směsí uranu a thoria. V součinnosti s indickými těžkovodními reaktory by měl umožnit uzavření uranového cyklu i využití thoria a uzavření thoriového cyklu.

Další možností jsou rychlé reaktory chlazené olovem. Úspěšně pokračuje výstavba reaktoru BREST-300-OD. Jde o rychlý množivý reaktor chlazený olovem s tepelným výkonem 700 MWt a elektrickým 300 MWe. Jeho pracovní teplota je 540˚C. Ocelová základová deska reaktoru vážící 165 tun byla instalována spolu s nejnižší částí kontejnmentu v lednu 2024. Byla tak zahájena realizace a instalace tohoto integrálního reaktoru.  V polovině dubna byl instalován druhý prstenec kontejnmentu a v srpnu 2024 pak poslední třetí. Pak začala instalace vnitřních částí, potrubí chladícího systému a dalších konstrukcí. V druhé půli roku se pracovalo na konstrukci strojovny. Zároveň probíhá vývoj paliva pro tento typ reaktoru, půjde o nitrid uranu a plutonia. V dubnu 2024 povolil ruský úřad pro jadernou bezpečnost výrobu palivových souborů z ochuzeného uranu pro tento reaktor. Jde o první krok na cestě k přípravě palivových souborů pro tento rychlý reaktor, který by měl být do provozu uveden v roce 2026.

Zajímavým krokem ke studiu možností uzavření palivového cyklu v USA je zahájení zemních prací při přípravě na realizaci výzkumného reaktoru IV. generace „Hermes Low-power Demonstrations Reactor“ v Oak Ridge v Tennesse. Jde o první jiný než lehkovodní reaktor budovaný v USA po více než padesáti letech. Jde o vysokoteplotní reaktor chlazený tekutými solemi. Využívat bude kulové TRISO palivo, podobně jako je tomu u čínského vysokoteplotního plynem chlazeného reaktoru HTR-PM200. Ovšem experimentální reaktor Hermes nebude vyrábět elektřinu. Do provozu by se měl reaktor dostat v roce 2027. Na základě zkušeností s ním by se později realizoval prototyp reálného energetického reaktoru Hermes 2 s výrobou elektřiny. Společnost Kairos Power, která reaktor vyvíjí, spolupracuje s řadou amerických jaderných laboratoři: ORNL, INL a LANL.

V Indii se na začátku března 2024 začalo zavážet palivo do rychlého sodíkového reaktoru PFBR v Kalpakkamu (zdroj Narendra Modi).

Závěr

I v následujících letech by měl růst počet reaktorů ve světě a výroba elektřiny z nich. Pokud tak výroba jaderné elektřiny nepřekročila rekord z roku 2006 v roce 2024, tak jej překročí v nejbližších letech. Renesance jaderné energetiky je dopředu tažena hlavně Čínou. Počty schválených nových reaktorů v Číně ukazují, že se v nejbližších letech jen v Číně bude spouštět ročně 10 reaktorů. V ostatních částech světa sice renesance jaderné energetiky ještě spíše reálně nezačala, ale jsou zásadní evidence, že se to v nejbližších letech může změnit a pak by se ročně mělo spouštět daleko více než deset reaktorů. Zrychluje se výstavba reaktorů v Indii. Japonsko obnovuje provoz jaderných bloků odstavených po havárii ve Fukušimě a vrátilo se k rozvoji využití jaderné energetiky včetně výstavby nových reaktorů, jak je podrobně popsáno v nedávném přehledu pokroku v řešení následků havárie ve Fukušimě I. Zlomem by mohlo být zavedení a široké nasazení malých modulárních reaktorů. Ukazuje se, že stále intenzivnější využívání výpočetní techniky a rychlý rozvoj umělé inteligence vede k razantnímu růstu potřeby stabilních zdrojů elektřiny. Podobně působí rychlá elektrifikace dopravy. Řešením by mohly být právě jaderné zdroje.

Srovnání vývoje energetiky a emisí ve Francii a Německu jasně ukazují, že kombinace jaderných a obnovitelných zdrojů umožňuje rychlý a efektivní přechod k nízkoemisní elektroenergetice a čistě obnovitelné zdroje k nízkým emisím nevedou. Stále více je jasné, že německá Energiewende, kterou prosadili zelení protijaderní aktivisté, je cesta do slepé uličky. Dochází tak až k takovým obskurnostem, že se budují mařiče výkonu, které se využívají v případech velkého přebytku výroby obnovitelné energie. Tímto způsobem se dá vydělávat na stále rostoucím počtu hodin se zápornými cenami. O jejich výstavbě se uvažuje i pro řešení problémů s přetížením sítě a její ochranou.

Připomeňme, že původní idea Německa v sedmdesátých a osmdesátých letech byla využít stejnou cestu jako Francie. Dlouhodobá intenzivní kampaň zelených protijaderných aktivistů vedla k úplnému odchodu od jaderné energetiky v Německu a zastavení jejího vývoje v celé Evropě. Pokud by k tomu nedošlo, mohla mít už nyní celá Evropa nízkoemisní elektroenergetiku. Již před více než čtvrt stoletím v době diskuzí o Temelínu jsem tvrdil, že se nakonec ukáže, že Greenpeace, Hnutí Duha a další protijaderní aktivisté jsou hlavními viníky toho, že se včas nedosáhne snížení emisí, viz například zde. A stále více se potvrzuje pravdivost toho mého tvrzení. Nejhorší však je, že u zmíněných zelených protijaderných aktivistů není vidět téměř žádná sebereflexe. Stále prosazují energetické koncepce postavené na čistě ideologickém protijaderném aktivismu bez ohledu na přírodovědná a technická fakta, ať už jde o Greenpeace, Hnutí Duha či Fakta o klimatu spojená s Oldřichem Sklenářem. Nedávno jsem napsal rozbor doporučení k energetice, které dávají Fakta o klimatu a ukázal, proč v tomto ohledu by se tato organizace měla spíše jmenovat Iluze o klimatu.