Malé jaderné reaktory – jak jsme na tom v roce 2019?

V současné době se vedou debaty o možné stavbě nových velkých jaderných bloků v České republice. Spolu s tím se vrací otázka, zda z hlediska budoucí předpokládané decentralizace energetiky není na čase uvažovat i s „decentralizací“ jaderných elektráren. V následujícím článku je uveden stručný popis současného vývoje technologií v této oblasti.

Na úvod lze uvést, že tyto technologie, resp. reaktory a jaderné „elektrárny“ o výkonech řádově jednotek MW až 100 či 200 MW (což je výkon definující pojem „malý modulární reaktor“ neboli SMR), nejsou ničím novým a vznikaly a vznikají v podstatě od zahájení využívání jaderné energie. V podstatě až do současnosti jsou, s výjimkou několika instalací (elektrárna na Sibiři v Rusku, pohon jaderných ledoborců atd.), doménou vojenského využití, kde jejich konstrukční řešení a provozní režimy nejsou omezovány úrovní obohacení uranu v souladu s mezinárodními dohodami o nešíření jaderných zbraní (limit obohacení pro civilní sféru je do 20 % 235U, tzv. LEU). Proto jsou v současnosti hlavně rozšířené coby pohonné jednotky ve vojenských plavidlech (jaderné ponorky, americké flotilové letadlové lodi atd.) případně dříve coby napájecí zdroje vojenských a výzkumných základen v odlehlých oblastech.

V souvislosti s postupným uzavíráním a odstavováním dožívajících, zejména uhelných zdrojů středního výkonu, zajišťujících mnohdy i dodávky tepla pro otop či technologické páry pro průmyslové využití, a stále větší potřebou zajišťovat nutnou energii v odlehlých oblastech bez závislosti na fosilních zdrojích (zejména ropě a plynu), je možnost využití jaderné energie pro tento typ zdrojů opět zvažována. Ve světě probíhá intenzivní výzkum a vývoj na státní či veřejné, tak i soukromé úrovni. Současně, jak bude patrno z následující části, by tyto modulární reaktory mohly posloužit coby „stavebnice“ zdrojů o větších výkonech (náhrada velkých bloků v řádu 1 000 – 1 600 MW výkonu) při využití výhod, které by měly malé jednotky poskytovat (zejména v oblasti jaderné bezpečnosti a požadavcích na havarijní zóny atd.). Například zpráva World Nuclear Association z roku 2018 udává, že v USA se s podobnými jednotkami vážně uvažuje coby náhradou dožívajících a odstavovaných fosilních (uhelných) bloků, kterých je v této zemi mnoho a nalézají se většinou poblíž nějakých výrobních závodů či měst coby kombinované zdroje elektřiny a tepla.

Základní vlastnosti a principy, o které se má opírat budoucí možné nasazení SMR

• Sériová výroba. Vzhledem k jejich malé velikosti a modularitě mohou a mají být SMR (tedy „jaderná část“) prakticky zcela kontrolovaně vyráběny v továrně a instalovány na místě využití jako hotové „tovární“ moduly s ohledem na dodržení a zlepšování kvality výroby, instalace a celé efektivity projektu jako takového.
• Vysoká míra jaderné bezpečnosti. Jejich malá velikost (resp. množství štěpného materiálu v aktivní zóně) a využité fyzikální vlastnosti týkající se pasivní bezpečnosti (automatické odstavení při ztrátě vnějšího napájení či v případě jakékoliv jiné technologické poruchy, použitý princip samovolného dochlazení – s využitím přirozeného proudění vody či vzduchu, odpařování atd. bez potřeby vnějšího zdroje energie – po nouzovém odstavení atd.) umožní jejich masovější instalaci či instalaci i v zemích s méně rozvinutou infrastrukturou a znalostmi ohledně jaderných technologií.
• Nižší investiční a provozní náklady. Jejich velikost, konstrukce a systémy pasivní bezpečnosti (vyžadující menší redundance) umožní jednodušší financování než velké zdroje.
• Snížení nákladů na instalovaný kW výkonu. Dosažením „ekonomiky sériové výroby“  daného typu SMR dojde k dalšímu snížení nákladů na instalovaný kW. V současnosti u prvních prototypových jednotek jsou dle informací z USA a Číny odhadované náklady na instalovaný kW kolem 5 000 amerických dolarů, což je srovnatelné s velkými bloky. Samozřejmě, při zahájení „sériové“ výroby jednotek lze počítat i s poklesem jednotkové ceny.
• Zjednodušená likvidace a recyklace dožilého zařízení. Na rozdíl od klasických jaderných bloků, kde po jejich dožití probíhá či proběhne likvidace takové elektrárny na místě včetně jaderné části (a tedy se jedná o environmentální zátěž území na desítky let dopředu), u SMR se počítá s demontáží celé „jaderné“ části („nádoby“ reaktoru včetně vyhořelého jaderného paliva a „aktivních“ součástí zařízení) na místě jako celku, jeho naložení na vhodný přepravní prostředek a odvozu do zpracovatelského závodu k likvidaci či přepracování. Stanoviště reaktoru tak bude po jeho odvozu neaktivní a zbylé části zdroje bude možné likvidovat standardním způsobem.
• Zmenšená zóna havarijního plánování. Jelikož jsou SMR zamýšleny v mnoha případech coby náhrada fosilních zdrojů, je požadováno, aby zóna havarijního plánování byla menší než 300 metrů a bylo tak možné je instalovat i do prostorů výrobních komplexů (na brownfieldy) či do zastavěných částí měst atd.

Současný stav rozvoje SMR ve světě

V současné době je ve světě v různých fázích přípravy či dokonce již i realizaci několik desítek různých druhů a konstrukcí SMR, a to od zcela běžných „zmenšenin“ tlakovodních (PWR) reaktorů až po různé exotické konstrukce s chlazením tekutým kovem či plynem a využívajícím k přenosu uvolněného tepla štěpením do pracovního média nikoliv jen Rankin-Clausiův, ale také Braytonův termodynamický oběh. Jednotlivé projekty lze rozdělit následovně:

a) Provozované SMR

V současné době, dle zprávy World Nuclear Association z roku 2018, jsou v provozu 3 instalace ve výkonové úrovni do 300 MWe, a sice zařízení o výkonu 11 MWe v Rusku na Sibiři v Bilibinu (které bude v dohledné době nahrazeno projektem Akademik Lomonosov) a dvě instalace v Číně a Indii. V případě ruského zdroje se jedná o grafitový reaktor moderovaný organickými látkami, v případě čínského o tlakovodní reaktor o výkonu 300 MWe s lehkou vodou, v případě indických o sérii tlakovodních typů CANDU o výkonu 220 MWe s těžkou vodou coby moderátory.

b) SMR v realizaci a před spuštěním

Tuto kategorii dnes reprezentuje převážně ruský projekt Akademik Lomonosov, plovoucí malá jaderná elektrárna, která bude v letošním roce nasazena na Sibiři a nahradí dožívající zdroj v Bilibinu (viz dále).

c) SMR v přípravě realizace a blízko nasazení

Dle zveřejněných údajů tuto skupinu představuje asi 10 různých typů reaktorů vyvíjených v zásadě po celém světě a to zejména v Rusku, USA, Kanadě a Asii (Čína a Jižní Korea). Opět se jedná o různé konstrukce a technická řešení zahrnující jak klasické tlakovodní reaktory s lehkou vodou coby moderátorem, tak vysokoteplotní rychlé reaktory chlazené tekutými kovy (sodíkem či eutektikem olovo-vizmut) ve výkonových hladinách od 50 do 300 MWe. Typickým představitelem této kategorie je americký design firmy NuScale Power + Fluor, se kterým se počítá pro stavbu první pokusné modulární jaderné elektrárny v USA (viz dále).

d) SMR ve vývoji coby koncepční návrhy a projekty

Jak už jsem uvedl, v rámci vývoje SMR jsou testována a zvažována různá technická řešení a fyzikální principy. Do této kategorie patří asi 10 navrhovaných řešení prověřovaných společnostmi z USA, Velké Británie, Kanady a Jihoafrické republiky. Povětšinou se jedná o vysokoteplotní reaktory chlazené tekutými solemi či opět tekutým olovem ve výkonových úrovních od 35 do 300 MWe. U těchto řešení je právě uvažováno i s využitím Braytonova termodynamického oběhu (oběh plynové turbíny) pro využití užitečného tepla uvolněného jadernými reakcemi. Tyto projekty jsou povětšinou ve fázi návrhů a prvotních prověřování.

e) Velmi malé (mikro) SMR (o výkonu menším než 25 MWe)

Jedná se o návrhy, které by hlavně měly sloužit pro případné napájení izolovaných objektů či osídlených míst, kam není zavedena standardní elektrizační soustava, např. malé ostrovy, vojenské základny, výzkumné stanice atd. Opět se jedná o řešení na bázi vysokoteplotních reaktorů chlazených plynem či tekutými kovy. V současnosti je zmiňováno asi 6 společností, které se vývojem těchto zařízení zabývají. Jedná se o jednotky o výkonech od 4 do cca 25 MWe a vývoj provádí společnosti z USA, Velké Británie a Kanady.

Příklady projektů, které jsou v realizaci či před spuštěním

Jak již bylo uvedeno v předcházející kapitole, ve světě je v současné době připravováno několik projektů malých jaderných zdrojů, které jsou již ve fázi realizace či pokročilého projektového a schvalovacího řízení. Dále se proto zaměřím na dva z nich – ruskou plovoucí elektrárnu „Akademik Lomonosov“ a americkou pokusnou stavebnicovou jadernou elektrárnu na bázi modulů firmy NuScale Power.

a) Plovoucí jaderná elektrárna „Akademik Lomonosov“

Projekt plovoucí jaderné elektrárny, resp. kombinovaného zdroje elektrické energie a tepla nazvaného „Akademik Lomonosov“, je koncepčně postaven na využití jaderných reaktorů KLT-40S původně sloužících jako pohonné jednotky pro velké ledoborce třídy Tajmyr arktické ruské flotily. Jedná se o tlakovodní reaktor využívající jako palivo nízkoobohacený uran (LEU) s tepelným výkonem cca 75 MWt, elektrickým 35 MWe. Tlak vody v primárním okruhu je 12,7 MPa, teplota chladicí vody primáru (vstup/výstup) 280/ 316 °C, parní výkon 240 t/h, tlak přehřáté páry 3,72 MPa a teplota přehřáté páry na výstupu z parogenerátoru 290 °C. Reaktor je navržen jako typ s výměnou paliva (nikoliv „baterie“, která se po vyhoření vymění celá) a na plavidle budou instalovány dva kusy.

Konstrukčně je celý zdroj umístěn na plavidle připomínajícím velký ponton či nákladní říční člun o celkovém výtlaku cca 21 500 BRT, které bude na místo nasazení dovlečeno remorkérem a zakotveno poblíž pobřeží. Celé plavidlo/elektrárna je autonomním zařízením obsahujícím mimo vlastních reaktorů s příslušenstvím i strojovnu s parní turbínou, pomocná zařízení, rozvodny atd. S pozemními systémy (elektrická energie, horkovody či parovody atd.) je plavidlo propojeno příslušnými vedeními. Celkový výkon zdroje má dosáhnout při chodu obou reaktorů max. 70 MWe, samozřejmě při odběru tepla ve formě páry či horké vody bude poměrně nižší.

Stavba prvního kusu byla zahájena před několika lety v Baltských loděnicích v Petrohradu. Dokončen měl být již dříve, nicméně vzhledem k problémům s financováním (insolvence výrobce plavidla) se tak stalo až v roce 2018 a v květnu stejného roku byl odtažen do Murmansku, kde bylo v létě navezeno jaderné palivo a následně doputuje do města Pevek na Čukotce, kde má nahradit dosluhující jaderný zdroj Bilibino a uhelnou elektrárnu Chaunskaya. V Peveku je v současnosti připravována pozemní infrastruktura pro připojení zdroje. Dosažení kritického stavu reaktoru se předpokládá na podzim 2018 a uvedení do plného komerčního provozu v roce 2019. Nový zdroj má sloužit pro zásobování tamějších dolů, ropných a plynových těžních plošin a nezbytného přidruženého osídlení elektřinou a teplem. Provozovatelem zdroje bude ruská jaderná korporace Rosatom. V návaznosti na tento zdroj v Rusku v současnosti probíhají vývojové práce na modernizovaném typu využívajícím nové „lodní“ reaktory RITM-200M o výkonu cca 50 MWe.

b) Pokusná stavebnicová jaderná elektrárny firmy NuScale Power na polygonu US DOE Savannah River, South Carolina, USA

Jako druhý příklad v současnosti připravovaných „malých“ jaderných zdrojů je možné uvést americký projekt „pokusné“ stavebnicové jaderné elektrárny postavené na bázi modulů firmy NuScale Power. Na rozdíl od ruské plovoucí elektrárny tento projekt od počátku počítá s „podzemní“ instalací reaktorových jednotek. Stejně jako v případě ruského projektu se jedná o kompaktní reaktor, ovšem na rozdíl od ruského s tím, že jsou prakticky všechny části (a to včetně parogenerátoru) umístěny do tlakové nádoby a primární okruh je založen na přirozené cirkulaci. Opět se jedná o tlakovodní zařízení s výměnou paliva ve formě LEU s obohacením 4,95 % 235U, životností 60 let a s možností využití paliva MOX. Výkon jedné jednotky je cca 60 MWe (teplených cca 160 MWt). Projekt počítá až s 12 jednotkami (cca 600 MWe) v jednom zdroji.

Vzhledem k tomu, že se počítá s instalací těchto jednotek v blízkosti obydlených míst či průmyslových areálů, tak byl při návrhu brán ohled na maximální pasivní bezpečnost reaktoru, předpokládaná možná pravděpodobnost havárie s únikem radiace je cca 2 x 10-8. Celá „reaktorovna“ bude umístěna pod zemí s tím, že jednotlivé jednotky budou situovány do separátních šachet naplněných normální (lehkou) vodou coby biologickou bariérou a nouzovým chladivem. Celkem je navrženo 7 bariér proti úniku radiace mimo prostor zdroje.

Maximálně je využito pasivních systémů chlazení a výměny tepla mezi aktivní zónou a okolím jak za provozu, tak v případě poruchy odběru tepla do strojovny a potřeby havarijního dochlazení aktivní zóny po náhlém zastavení štěpné reakce. To je řešeno postupným „vyvařením“ vody mezi kontejnmentem tlakové nádoby a podzemní šachtou, ve kterém je, a následným dochlazením přirozenou cirkulací vzduchu v šachtě (při poklesu zbytkového tepelného výkonu aktivní zóny pod 400 kWt).

Společnost NuScale Power již v roce 2017 podala žádost o certifikaci tohoto reaktoru u amerického orgánu dozoru nad jadernou bezpečností a odpovědné za certifikaci jaderných zařízení, US NRC (obdoba našeho SÚJB), včetně potřebné dokumentace a realizace první instalace – zkušební elektrárny o 12 jednotkách – se očekává do roku 2025 na zkušebním polygonu US DOE (amerického ministerstva energetiky) v Savannah River, South Carolina. Následně se počítá s využitím těchto jednotek jako náhrady dožívajících fosilních zdrojů (zejména uhelných elektráren a tepláren v USA), tak i jako energetických zdrojů pro odsolovací technologie pro přípravu pitné vody z vody mořské či jiné chemické a obdobné technologie.

Shrnutí

Přes všechen odpor veřejnosti, ekologických aktivistů a části odborníků vůči využívání jaderné energie v souvislosti s relativně nedávnou havárií japonské jaderné elektrárny Fukushima a potížemi s výstavbou velkých jaderných elektráren (neustálé překračování rozpočtu stavby, nedodržování termínu uvedení do provozu atd.), v tradičních jaderných velmocech a i mimo ně pokračuje vývoj a příprava realizací malých jaderných zdrojů coby možné budoucí součásti decentralizované energetiky. Malé jaderné zdroje vzhledem ke své konstrukci nároky na zajištění bezpečného provozu a konečně i možností relativně jednoduché likvidace (odvezení celé „jaderné“ části jako celku k likvidaci do specializovaného zařízení mimo místo provozování) se přímo nabízejí coby bezemisní (z hlediska CO₂) náhrady za v budoucnu odstavované uhelné či plynové konvenční zdroje využívané zejména jako teplárny či místní zdroje elektrické energie. V podstatě všechna zmiňovaná koncepční řešení uvažují s využitím jaderného reaktoru pouze coby zdroje tepla pro navázaný „konvenční“ systém přeměny tepelné energie v energii elektrickou (Rankin-Clausiův či Braytonův oběh) a tedy i s využitím tepelného stroje s rotačními hmotami (parní či plynové turbosoustrojí) pro výrobu elektřiny přispívajícími ke stabilizaci elektrizační soustavy. Navíc, jak již bylo uvedeno, předpokládaná „sériová“ výroba jednotek a omezené nároky (dané konstrukcí a využitými fyzikálními principy přenosu tepla, relativně malým objemem radioaktivního materiálu v aktivní zóně atd.) na zajištění celkové bezpečnosti jistě povedou ke snížení investičních a provozních nákladů tak, aby tyto zdroje mohly ekonomicky konkurovat obnovitelným zdrojům včetně nutných úprav v soustavách (např. akumulace). Prvotní informace z USA a Číny naznačují, že cena elektřiny z prvních pokusných jednotek by mohla činit cca 100 USD/MWh s tím, že při pokračující sériové výrobě a „prefabrikaci“ zdrojů jako takových, by měla poklesnout na úroveň ostatních běžně využívaných zdrojů.

Petr Karafiát