Současný stav v oblasti malých modulárních reaktorů

DomůNázorySoučasný stav v oblasti malých modulárních reaktorů

V minulém roce se zase hodně mluvilo o malých modulárních reaktorech. Reálně se první dokončily nebo se na jejich výstavbě pracovalo v Rusku a Číně. Často však jde o specifické případy určené pro speciální podmínky. Příkladem může sloužit právě plovoucí jaderná elektrárna Akademik Lomonosov. Ostatní projekty jsou zatím dominantně pouze na papíře.

Projekty dokončené a v realizaci

Koncem roku 2019 se podařilo uvést do provozu plovoucí atomovou elektrárnu Akademik Lomonosov. Elektrárna začala dodávat elektřinu a teplo ve městě Pevek na severu Sibiře. Jde o jeden z mála projektů malých modulárních reaktorů uvedených do praxe. Po analýze zkušeností s jejím budováním a provozem, připravuje Rosatom komerční nabídky do zahraničí. Zatím sice několik potenciálních zákazníků projevilo zájem, ale ke konkrétní objednávce ještě nedošlo.

V budoucnu by se na základě zkušeností s provozem měly postavit pokročilejší plovoucí elektrárny. Budou využívat nové reaktory RITM-200, který se instalují do nových ledoborců. Na rozdíl od reaktorů KLT-40S, které jsou na elektrárně Akademik Lomonosov, se u nich vyměňuje palivo jednou za 8 až 10 let místo jednou za 3,5 až 4 roky. Hledají se možnosti využívat tyto malé reaktory i na pevnině v Jakutsku a jinde na dálném severu. Na pevnině i v podobě plovoucí elektrárny by je Rosatom chtěl nabízet i do zahraničí, takovou možnost zvažují Filipíny, Brazílie, Saudská Arábie i jiné blízkovýchodní státy nebo Indie.

Na konkrétní realizaci malých modulárních reaktorů pracuje i Čína. V březnu 2019 začaly přípravy k výstavbě malého modulárního reaktoru ACP100 studií environmentálních dopadů stavby. Jde o zmenšenou variantu tlakovodního reaktoru ACP1000. Někdy se tento projekt označuje jako Linglong One. Bude mít pouze 56 palivových souborů, systémy pasivní bezpečnosti a umístěn bude do podzemí. Reálný start projektu pak byl vyhlášen v červenci. Betonáž jaderného ostrova by měla začít na začátku roku 2020 v elektrárně Čchang-ťiang (Changjiang), kde jsou již dva bloky CNP600. Plánují se sem i dva bloky Hualong One.

K dokončení se blíží i malý modulární reaktor HTR-PM v elektrárně Š‘-tao-wan. Jde o vysokoteplotní plynem chlazený reaktor s palivem ve tvaru koulí využívající uranové TRISO částice. Celkový výkon dvou modulárních reaktorů s jednou společnou turbínou bude 210 MWe. Kromě elektřiny bude dodávat i průmyslové teplo s teplotou 750˚C. Pracuje se na jeho větší variantě HTR-PM600. Kulové palivo pro něj se bude testovat i v Rusku.

V březnu 2019 byl podepsán kontrakt na stavbu prvního demonstračního bloku jaderné teplárny ve městě Paj-šan (Baishan). Využil by se bazénový nízkoteplotní reaktor DHR-400 (District Heating Reactor). Pokud by se osvědčil, šlo by o ideální náhradu fosilních zdrojů pro centrální vytápění.

Stejně tak pracuje Čína i na projektu plovoucí jaderné elektrárny, i když jeho realizace nebude před rokem 2021. Čína pracuje i na projektu svého prvního atomového ledoborce, který by měl být podobný těm ruským.

Připravované projekty malých modulárních reaktorů

V současné době se zájem o malé modulární reaktory SMR (Small Modular Reactor) zintenzivnil. Projekty jsou však většinou pouze na papíře. U některých se však už začalo s licencováním a hledáním umístění prvních prototypových staveb. Projekty malých modulárních reaktorů lze rozdělit do dvou skupin.

V první jsou reaktory odvozené z klasických velkých reaktorů, tedy nejčastěji tlakovodní reaktory. Jejich příkladem může být projekt NuScale. Tyto projekty mají největší šanci pro brzkou realizaci. Je však otázkou, jak to bude s jejich ekonomickou výhodností.

V druhé skupině jsou projekty někdy i velmi inovativních reaktorů, ať už se jedná o různé typy rychlých reaktorů využívajících k chlazení kapalné kovy nebo reaktory využívající tekuté palivo v podobě roztavených solí. Příkladem velmi inovativního reaktoru je reaktor s postupnou vlnou firmy TerraPower. Zde je však velkou otázkou nastavení posuzování jadernými bezpečnostními orgány. S licencováním takových modelů pro civilní a komerční využití nejsou zkušenosti a pravidla se teprve musí vytvořit.

Lehkovodní malé modulární reaktory

Jako příklad reaktoru z první skupiny, který je nejblíže realizaci, může sloužit americký projekt NuScale. Jde o malý modulární tlakovodní reaktor, který obsahuje aktivní zónu, kompenzátor objemu a parogenerátor uvnitř jednoduché nádoby fungující jako kontejnment. Jeden modul má tepelný výkon okolo 200 MWt a elektrický výkon mezi 50 až 60 MWe. Modul má 25 m na délku, 4,6 m v průměru a váží 450 tun. Může se poskládat až 12 modulů dohromady. V tomto případě se dá celkově vyprodukovaný tepelný výkon přeměnit až na 720 MWe. Reaktor by se dal využívat i pro produkci tepla a odsolování.

Na vývoji palivových souborů využívajících kovový uran pro tento reaktor bude pracovat firma Enfission, která je společným podnikem firem Lightbridge Corporation a Framatome. Zatím se testovaly firmou Framatome upravené palivové soubory HTP2 využívající keramický oxid uraničitý. Oproti standardním palivovým souborům jsou kratší.

V dubnu 2018 se dokončila první fáze projednávání licence u amerického úřadu pro jadernou bezpečnost NRC. Posouzení bezpečnostních parametrů reaktoru se předpokládá v září 2020. První prototypová elektrárna s dvanácti modulu by se měla realizovat v INL (Idaho National Laboratory) v Idaho Falls. Jeho stavba by měla být zahájena v roce 2021. Do provozu by měla být uvedena v roce 2027. Předlicenční posouzení reaktoru bylo v roce 2019 zahájeno i v Kanadě.

O možnosti využití tohoto reaktoru uvažuje řada zemí, mezi nimi je například Kanada, Rumunsko, Jordánsko, Saudská Arábie. Do spolupráce na vývoji a uplatnění reaktoru se zapojuje i jihokorejská firma Doosan Heavy Industry. Zájem o spolupráci na vývoji i využívání tohoto reaktoru má i ČEZ.

Elektrárna s několika NuScale moduly (zdroj NuScale Power)

Podobně do této kategorie patří systém SMR-160 firmy Holtec. Spolupracují s ní další firmy, například společnosti Exelon, SNC-Lavalin a Mitsubishi Electric. Jde opět o tlakovodní reaktor s elektrickým výkonem 160 MWe, jehož všechny bezpečnostní systémy jsou pasivní bez pohyblivých částí. Chlazení může fungovat dlouhodobě bez zásahu člověka. Bude umístěn v podzemí.

Postoupil přes první fázi třístupňového posuzování bezpečnostních parametrů u kanadského úřadu pro jadernou bezpečnost. První prototyp by měl být k dispozici také v polovině dvacátých let. Ukrajina má s firmou Holtec velmi dobré zkušenosti nejen při výstavbě suchých úložišť vyhořelého jaderného paliva v areálu Černobylské jaderné elektrárny. Proto se chce zapojit do vývoje, výroby i využívání tohoto reaktoru.

Reaktor NuScale při přepravě (zdroj Nuscale)

Dalším malým tlakovodním reaktorem je SMART (System-integrated Modular Advanced Reactor), na kterém pracuje jihokorejská firma KHNP. Jde o reaktor s tepelným výkonem 330 MWt a elektrickým 100 MWe. Jihokorejci o jejich výstavbě jednají se Saudskou Arábií. Také by měl být k dispozici v druhé polovině dvacátých let.

Posledním příkladem tlakovodního reaktoru je projekt firmy Rolls-Royce z Velké Británie. Jak bylo ukázáno v přehledu, má Velká Británie zájem o využití jaderné energetiky při přechodu k nízkým emisím. Firma Rolls-Royce tak využije koncept svého reaktoru, který instaluje do ponorek a připraví koncept modulárního reaktoru s elektrickým výkonem 440 MWe. Tímto výkonem se však tento reaktor řadí spíše k těm středním. Cílovým datem v tomto případě je pro spuštění prvních bloků rok 2029.

Podobně je na tom varný reaktor BWRX-300, kterou nabízí americko-japonská firma GE-Hitachi. Jde zase o modifikaci velkých klasických varných reaktorů této firmy na výkon 300 MWe. O výstavbu prvního takového bloku má zájem Estonsko i Polsko. Estonsko začalo v roce 2019 vybírat místo, kde by se u nich malý modulární reaktor postavil. Firma slibuje, že první studie bude k dispozici v roce 2020 a reaktor v druhé polovině dvacátých let. I s touto firmou předběžně jedná o možné spolupráci ČEZ.

Umělecká představa reaktoru firmy Rolls-Royce (zdroj Rolls-Royce).

Inovativní typy malých modulárních reaktorů

Asi nejzajímavějším a nejznámějším případem inovativního malého modulárního reaktoru je TerraPower Bila Gatese typu TWR (Traveling Wave Reactor – reaktor s postupnou vlnou). Mělo by jít o rychlý malý modulární reaktor chlazený sodíkem. Velmi vysoký stupeň vyhoření jaderného paliva by mu umožnil vydržet až 60 let bez výměny paliva. Palivo by totiž prohořívalo postupně jako svíce. Mohl by se tak umístit pod zem. Je však třeba připomenout, že u tohoto reaktoru je třeba vyřešit celou řadu technologických výzev. Souvisí hlavně s odolností materiálů a celé technologie během extrémně dlouhého provozování bez zásahu zvenčí. Bil Gates plánoval výzkum reaktoru a jeho první realizace v Číně. To ovšem znemožnila obchodní válka mezi USA a Čínou. Otázka realizace projektu se tak stává značně nejistou.

Projekt inovativního typu malého modulárního reaktoru má rozpracovaný i Centrum výzkumu Řež, což je dceřina firmu společnosti ÚJV a.s. v Řeži. Projekt se nazývá Energy Well. Zařízení vysoké sedm a půl metru bude možné přepravit na místo určení v běžném lodním kontejneru. Využíval by kulové palivo TRISO v uhlíkové matrici s obohacením 15 %. Uhlíková matrice slouží pro moderování neutronů. Jde o stejný typ paliva, který se využívá i ve vysokoteplotních plynem chlazených reaktorech. Jako chladivo by se však v případě Energy Well využívaly tekuté soli FLiBe/NaBF4. Pracoval by tak při atmosférickém tlaku a teplotách okolo 700˚ C s přirozeným oběhem chladiva a s vysokou mírou pasivní bezpečnosti. Perioda výměny paliva by měla být sedm let. Jeho výkon by měl být 20 MWt. Projekt tohoto reaktoru čtvrté generace by měl být hotový zhruba za pět let.

Výzkumem možnosti využití tekutých solí pro chlazení reaktoru i v reaktorech s palivem ve formě tekutých solí s uranem či thoriem se kolegové z ÚJV a.s. a CVŘ s.r.o. zabývají už hodně dlouho. Protože je to oblast důležitá i pro pokrok v oblasti urychlovačem řízených transmutačních technologií, pracoval jsem na některých oblastech i s mým bývalým diplomantem. Podrobnosti o využití tekutých solí v různých typech reaktorů lze najít v dřívějším článku.

Zatím nejdále je v této oblasti asi Kanada. Ta má svůj státní projekt podpory malých modulárních reaktorů „Cesty k malému kanadskému jadernému modulárnímu reaktoru“ (Canadian Small Modular Reactor Roadmap). Výzkumná organizace CNL (Canadian Nuclear Laboratories) zároveň v roce 2018 nabídla možnost vybudování pokusného jaderného reaktoru ve svých areálech. Reaktor by se tak měl postavit v areálu laboratoří Chalk River. Ozvalo se zhruba dvacet zájemců, z nichž zatím čtyři postoupili do druhého kola příprav.

První z nich firma GFP (Global First Power) již na konci března 2019 podal oficiální žádost o udělení licence pro stavbu a provoz malého jaderného reaktoru. Reaktor nese název MMR (Micro Modular Reactor). Jde o vysokoteplotní plynem chlazený reaktor s tepelným výkonem 15 MWt a elektrickým 5 MWe. Další reaktor nabízí firma StarCore a jde o vysokoteplotní plynem chlazený reaktor s elektrickým výkonem 14 MWe. Třetí pak nabízí firma Terrestrial a jde o kompaktní reaktor využívající tekuté soli IMSR (Integral Molten Salt Reactor) s elektrickým výkonem 195 MWe. Čtvrtým se pak stal projekt U-Battery, jde opět o vysokoteplotní plynem chlazený reaktor s elektrickým výkonem 4 MWe. Využívat by měl už zmíněné TRISO palivo. Dalším reaktorem v nabídce je kompaktní sodíkem chlazený rychlý reaktor využívající jako palivo kovový uran s označením ACR-100. Jeho výkon by měl být 100 MWe. Je naděje, že alespoň prototyp některého z nich s realizuje. Úřady pro jadernou bezpečnost USA a Kanady se dohodly, že při posuzování bezpečnosti některých z těchto projektů budou postupovat společně.

Plovoucí jaderná elektrárna Akademik Lomonosov (zdroj Rosenergoatom).

Shrnutí situace s malými modulárními reaktory

Jak je vidět i z tohoto přehledu, tak je okolo malých modulárních reaktorů v současnosti dosti značný ruch. Problém ovšem je, že zatím je to dominantně v oblasti vizí a papírových projektů. Realizace, které by byly ve stadiu výstavby nebo se dokonce blížily dokončení, lze spočítat na prstech a jsou pouze v Rusku a Číně.

Blíže uskutečnění jsou zmenšené verze klasických lehkovodních reaktorů. Jejich autoři většinou předpokládají, že umožní překonat problémy s financováním současných velkých reaktorů. Mým osobním názorem je, že toto očekávání nemusí splnit. Finanční model závisí na cíli, se kterým se reaktor staví. Pokud je jejich cílem přechod na nízkoemisní energetiku a zajištění dlouhodobé stabilní dodávky elektřiny, je použitelný jiný finanční model než v případě, že zdroj buduje soukromý investor za účelem získání zisku v relativně krátkém čase.

V případě prvním, pokud je zajištěna politická a státní podpora, která radikálně sníží cenu pojištění a úvěrů a netlačí na rychlou návratnost, tak je cena produkované elektřiny relativně velmi nízká. To, že se postupně přešlo ke stále větším blokům, nebylo náhodou. Pokud odhlédneme od nákladů financování, je větší blok efektivnější a cena vyrobené jednotky elektřiny je nižší.

Ve druhém případě je vysoká cena financování a pojištění před riziky nedokončení například kvůli politickým vlivům. Zároveň je prioritou rychlá návratnost investic. Tam může mít rozdělení stavby do několika modulů, které se spouštějí postupně, i značný finanční efekt.

Úspěšné však podle mého malé modulární reaktory budou, pokud proniknou do oblasti využití menších lokálních elektráren a tepláren. Důležitou podmínkou je realizace výroby továrním způsobem ve velkých sériích. Podmínkou také je, aby proces licencování u nich byl jednodušší, než je u velkých jaderných bloků. Kdy budou na trhu k dispozici komerční a konkurenceschopné modely, je tak pořád otázkou.

Ještě větší otázkou je proces licencování reaktorů v případě inovativních typů. Zde je většina projektů teprve ve fázi vývoje. Ve „vývoji“ jsou i regulatorní podmínky pro ně. Zde je možnost se dostat blízko koncepce dlouhodobě fungující kompaktní „baterie“, která se vyměňuje jednou za mnoholeté období. To by mohlo přinést zlom v možnosti využití v decentralizované podobě i ekonomice. Zde však bude pravděpodobně potřeba na první komerční modely čekat mnohem déle.

Osobně si však myslím, že i při úspěšném zavedení malých modulárních reaktorů tyto nevytlačí velké reaktory III. generace. Oba typy se budou doplňovat a společně by i v kombinaci s obnovitelnými zdroji měly přispět k přechodu k nízkoemisní společnosti.