Startupy v jaderné energetice, jaké jsou jejich šance na úspěch?

Firma SpaceX dobývající vesmír a možná jednou i Mars založila svůj byznys model na myšlence, že soukromá firma dokáže být mnohem flexibilnější, otevřenější a úspěšnější než velké státem řízené organizace jako NASA. I přes počáteční neúspěchy dokazuje SpaceX, že tato cesta může být úspěšná. Vesmírné aktivity jsou specifické tím, že jsou velmi nebezpečné, drahé a byly historicky kontrolovány vládami a mezinárodními organizacemi. Ukazuje se však, že existuje i jiná efektivnější cesta. Jde to i v jiných oborech?

Následovníci SpaceX v jaderné energetice

Tuto cestu se snaží využít množství startupů v různých odvětvích, které byly tradičně velmi konzervativní a uzavřené jako například bankovnictví. Dalším z těchto odvětví je třeba jaderná energetika. Firmy schopné stavět jaderné elektrárny byly a jsou převážně statní – ruský Rosatom, čínské společnosti SNPTC nebo CNNC, korejské KEPCO nebo francouzská Areva, případně vznikly a rozvinuly se díky štědré státní podpoře často s vojenským pozadím.

Soukromé firmy jako Westinghouse Electric Company nebo GE Hitachi za sebou mají velmi bohaté vlastníky (Toshiba, GE) a mnoho státních kontraktů. I přesto lze od těchto soukromých firem často slyšet námitky, že nemohou konkurovat státním organizacím jako Rosatom, který ovládá přímo ruská vláda, jenž v případě problémů vypomůže. Příkladem těchto aktivit je například nový kontrakt na jadernou elektrárnu v Pakši v Maďarsku, kdy Rusové nabídli velmi výhodné podmínky financování a podpory, což si soukromá společnost nemůže dovolit.

Trh je tedy značně deformovaný, jedná se o velmi konzervativní a složitou technologii, kde vstupuje do hry také politika a jiné zájmy. Mají na tomto trhu místo malé soukromé firmy? Paralela se SpaceX ukazuje, že s dostatečnými schopnostmi a dobrou technologií to možné je.

Jde o převážně o mladé americké společnosti jako Elysium Industries, X-energy, Transatomic, Terrestrial, Ultra Safe, TerraPower a další. Základem každé z nich je starší technologie, která byla vymyšlená v minulosti (reaktor s postupující vlnou), nebo dokonce otestována (solný reaktor, vysokoteplotní plynem chlazený reaktor). Jejich vize se v zásadě shodují na tom, že tyto technologie jsou v nějakém směru lepší než ta stávající, a že jsou schopni tuto technologii v krátké době rozvinout a prodat. Protože se jedná o startupy se soukromým financováním, bude všechno efektivnější, levnější, bezpečnější apod. O jaké technologie se konkrétně jedná?

TerraPower: Travelling Wave Reactor

Společnost TerraPower sídlící ve státě Washington vyvíjí unikátní koncept tzv. reaktoru s postupující vlnou. Původní idea byla představena již v 50.letech a je stále rozvíjena na vědecké úrovni. Nikdy však nebyl postaven prototyp nebo experimentální reaktor, což je oproti jiným technologiím značná nevýhoda. Hlavní výhodou tohoto reaktoru je mnohem vyšší využití paliva, než je tomu u klasických lehkovodních reaktorů, které jsou v provozu dnes.

Původní myšlenka je taková, že palivo v reaktoru postupně vyhořívá. Při tomto vyhořívání je však produkován nadbytek neutronů, které jsou pohlceny v jiném množivém materiálu, čímž jej přemění na nové palivo. Reaktor si tak vlastně vyrábí nové palivo sám pro sebe, a jak palivo vyhořívá, tak se oblast, kde dochází ke štěpení, postupně posouvá, což představuje postupující vlnu, od které získal reaktor svůj název. Tato vlna postupuje teoreticky velmi pomalu, takže tento reaktor může při dobrém návrhu fungovat bez doplňování paliva až desítky let. To je ovšem teorie.

V praxi se ukázalo několik zásadních problémů, a tak byl původní návrh modifikován. Na kraj aktivní zóny se umístí palivo s nižším obohacením (nižší reaktivitou), které bude zachytávat přebytečné neutrony a generovat tak palivo nové. Nedojde však k posunutí vlny, ale naopak dojde k posunutí paliva směrem do středu. Výkon a rozložení neutronového toku se nikam posouvat nebudou, ale palivo bude pomocí zavážecího stroje postupně posunováno směrem do středu.

Ke stejnému efektu dochází i v klasických lehkovodních reaktorech, kde se palivo také „množí“. Nemnoží se však tak rychle a je třeba jej po několika letech vytáhnout i přesto, že je v něm až 97% teoreticky využitelného materiálu pro další štěpení. Díky unikátnímu návrhu reaktoru s postupující vlnou a rychlým neutronům dochází k množení ve větší míře, palivo nemusí být vytaženo z reaktoru tak brzy, a dochází tak k jeho vyššímu využití.

Toto zvýšené využití paliva ušetří provozovateli značné náklady na palivo a ušetří také mnoho uranu, který by musel být jinak vytěžený. Z tohoto důvodu je tento koncept velmi dobře hodnocený z hlediska udržitelnosti a díky tomu, že pro vyšší využití paliva nemusí být palivo přepracováno. Tento typ reaktoru je také velmi dobře hodnocený z hlediska zneužití jaderných materiálů (proliferace).

Jako předseda dozorčí rady společnosti a zároveň její největší investor vystupuje Bill Gates, který do projektu vstoupil v roce 2010. Následovali jej další investoři a firma podepsala v roce 2015 dohodu o spolupráci s čínskou CNNC, ve které se uvádí, že první reaktor tohoto typu bude postaven v Číně mezi lety 2018 a 2025. Zajímavostí je, že tato firma testuje svoje materiály v ruském rychlém reaktoru BOR60.

X-Energy: Modulární pebble bed reaktor

Společnost X-Energy vyvíjí vlastní koncept nazvaný XE-100. Jde o menší reaktor s tepelným výkonem 125 MWt a elektrickým výkonem 50 MWe. Dodávat by se měl modulárně a jde spíše o koncept malého modulárního reaktoru. Plánované jsou standardizované čtyř-bloky s výkonem 200 MWe. Základem elektrárny je tzv. pebble bed reaktor. Jde opět o koncept pocházející ze 40. a 50. let, který byl však úspěšně vyzkoušen a provozován například v Německu. Palivo je ve formě TRISO částic, které jsou homogenně rozprostřeny v grafitové kulové matrici. Starší historické experimentální jednotky prokázaly vysokou výstupní teplotu, spolehlivý provoz i velmi dobrou bezpečnost tohoto konceptu.

Společnost sídlí v Marylandu a získala financování ze soukromých zdrojů nebo také dotaci 40 miliónů dolarů od DOE. Partnerem této společnosti je například Southern Nuclear provozující několik konvenčních jaderných elektráren.

Transatomic Power, Elysium Industries, Terrestrial Energy: Solný reaktor

Transatomic vyvíjí reaktor s roztavenými solemi. Opět se jedná o desítky let starý koncept. Ve světě byly testovány experimentální smyčky s tekutými solemi, tomuto konceptu (ale i dalším) se dlouhodobě věnuje také ÚJV Řež sídlící v Řeži u Prahy. Experimentální jednotka byla postavená v národní laboratoři v Oak Ridge. Ta byla v provozu mezi lety 1964-1969. Koncepty solných reaktorů se vyskytují v několika modifikacích. Může se jednat o rychlý reaktor s pevným palivem chlazený pouze solí. Palivo může být také rozpuštěné přímo v soli, která reaktorem protéká a je štěpením ohřívána. Lze také nalézt solné reaktory řízené urychlovačem, který jim dodává základní impuls, některé využívají rychlé neutrony, jiné mají moderátor.

Koncept firmy Transatomic má tepelný výkon 1250 MWt a elektrický výkon 520 MWe a využívá jako sůl LiF+UF4. Díky vyšší hustotě uranu a moderátoru v podobě hydridu zirkonia stačí obohatit paliva na 5 % místo desítek procent oproti starším technologiím solných reaktorů. Reaktor také produkuje méně odpadu a firma uvádí tržní cenu 2 miliardy dolarů za jeden reaktor. Reaktor pracuje při atmosferickém tlaku a má velmi dobrou inherentní bezpečnost. Podobný koncept vyvíjí také bostonská společnost Elysium. Detaily tohoto projektu nejsou veřejně známé, ale podle vyjádření představitelů společnosti by se mělo jednat o modulární reaktor s výstupním výkonem od desítek až po 1600 MW. Na solný reaktor je zaměřená také kanadská Terrestrial Energy.

Cena pokročilých reaktorů

Existují jistě další startupy nebo projekty malých modulárních reaktorů v různých fázích vývoje. Pro startupy je však charakteristické, že uspějí pouze jednotky procent a jaderná energetika nebude výjimkou. Každý z konceptů má své výhody, ale i mnohé technologické nevýhody, které se v marketingových publikacích neprezentují. Rozhodující však bude cena.

Všechny uvedené společnosti uvádějí, že jejich produkt bude levnější než současné reaktory. Hrubá cena za současný lehkovodní reaktor s výkonem 1000 MW je zhruba 150 miliard Kč. Představené společnosti slibují cenu svých produktů v rozmezí 50-100 miliard Kč při přepočtu na srovnatelný výkon. Navíc u většiny těchto moderních reaktorů jsou i náklady na palivo nižší než u současných reaktorů, což společně s poloviční pořizovací cenou znamená obrovskou konkurenční výhodu.

Historie však ukazuje (a nejen v jaderné energetice), že v konečném účtování se bude jednat o násobně vyšší ceny. Profesor Heřmanský (FJFI,ČVUT) používá na odhad budoucích nákladů tzv. pi metodu. Ta říká, že pokud je technologie plně vyvinutá a nejedná se o první postavenou jednotku, budou se výsledné náklady na stavbu rovnat původní uváděné ceně vynásobené pi/2. Tedy asi 60% zdražení. To byl například případ Temelína.

Pokud se jedná o první reaktor konkrétního typu bude cena pi-krát vyšší a pokud nebyla postavená ještě ani experimentální jednotka bude cena 2pi-krát vyšší, tedy zhruba 6,3-krát. Metoda funguje podobně také na délku výstavby a její prodlužování. Většina vyvíjených moderních konceptů je ve velmi rané fázi, proto lze čekat spíše radikální zdražení a prodlužování termínů. Nutno ovšem dodat, že Elonu Muskovi na začátku také nikdo nevěřil.

Čína jako světový leader

Vítězem ve vývoji moderních technologií je zatím Čína, která na rozdíl od USA nebo Evropy opravdu staví. V provozu mají již některé pokročilé experimentální jednotky a díky spolupráci se západními zeměmi se dostávají k technologiím a know-how ze 60. a 70. let. Na začátku představený reaktor od firmy TerraPower také bude stát nejprve v Číně. I přesto, že celý projekt je financovaný z amerických peněz.

Důvodem je licencování. Americký jaderný regulátor (NRC) stále nedefinoval podmínky licencování pokročilých reaktorů a lze proto jenom odhadovat, jak dlouhé by bylo povolovací řízení. Podle různých zdrojů se uvádí 8-15 let. V Číně lze tento proces zvládnout za 2-3 roky, a proto TerraPower postaví svůj první reaktor právě tam a není vyloučené, že to stejné udělají i další společnosti. To vyvolává mezi americkou odbornou veřejností téměř paniku a všichni se shodují na tom, že je třeba začít stavět. Hrozí totiž ztráta znalostí a konkurenceschopnosti.

Není ovšem vyloučené, že jedna ze společností přijde s opravdu levným a revolučním řešením a ovládne světový trh, jako se to daří SpaceX s transportem materiálu na oběžnou dráhu. Nezbývá než čekat nebo sebrat odvahu a do některého z projektů investovat.