Posouzení technologie TEPLATOR

Velmi často se v tisku objevují články o připravovaném malém reaktoru pro zajištění zdroje pro teplárenství s názvem TEPLATOR. Výstavba tohoto konceptu by měla být údajně v provozu do 4 let v demo verzi (do 50 MWt výkonu) a od roku 2027 pak v plném provozu [1]. Na konferenci Budoucnost české energetiky II., pořádané CIIRC dne 18. 10. 2021 [2], byla v prezentaci Radka Škody zmíněna Řež jako lokalita pro realizaci tohoto řešení, protože zde jsou už dva výzkumné reaktory v provozu. Je s velikým podivem, že tyto informace jsou prezentovány bez vědomí samotného ÚJV Řež, a. s., v jehož lokalitě jsou tyto výzkumné reaktory provozovány. Aktuální koncepce Skupiny ÚJV uvažuje s využitím obou stávajících reaktorů v dlouhodobém horizontu.

Z našeho pohledu je situace kolem konceptu poměrně nejasná, neboť v rámci různých prezentací jsou uváděny různé verze, ale pro všechny je užíván stejný název – TEPLATOR. Například je uváděno, že bude pracovat na atmosférickém tlaku, ale pro jednu z variant (TEPLATOR HT) je zmíněna výstupní teplota chladiva 420 °C, což by musela být již přehřátá pára [3] a nikoliv voda. Ale TEPLATOR není představován jako varný reaktor. Jedním z hlavních a velmi akcentovaných rysů je použití již vyřazeného (použitého) paliva ze stávajících reaktorů, nejčastěji zmiňovaným je použití paliva z JE Dukovany, a jeho využití v TEPLATORu v dalším cyklu. Proč není tato varianta konceptu TEPLATORu technicky realizovatelná a nemá šanci na získání provozní licence, si přiblížíme prostřednictvím posouzení vybraných aspektů projektu. Podíváme se tedy na návrh z pohledu paliva, účelu, jaderné bezpečnosti, legislativy a ekonomiky. A to výhradně pro variantu využívající již použité palivo a s atmosférickým tlakem v primárním okruhu. V případě použití čerstvého, například mírně obohaceného, paliva a tlakového primárního okruhu, by hodnocení především v palivové otázce bylo v některých hodnoceních odlišné. Požadavky na licencování a průkazy pro tento proces však zůstanou.

Palivo v provozu v TEPLATORu

Podíváme-li se na palivo, pak jeho posouzení je nutné rozdělit na otázku vlastních tabletek UO2 a ostatních konstrukčních materiálů, především pokrytí, které zajišťuje první bariéru v ochraně do hloubky a jehož zajištění integrity je klíčovým požadavkem, který musí být v licenčním procesu prokázán s velmi zásadní rezervou.

Čistě teoreticky z hlediska palivových tablet za normálního provozu TEPLATORu by palivo mohlo fungovat, jeho výkon i plánovaný přírůstek vyhoření je navržen dostatečně nízký na to, aby to i vyhořelé palivo zvládlo. Přesto i zde existuje celá řada neurčitostí. V palivu během provozu dochází k utváření prasklin a odpadávání drobných částeček. Zejména po dlouhodobém provozu s vyšším vyhořením již tablety nemají svůj počáteční tvar ideálních válečků a může tak docházet k axiálnímu přeskupování, jehož intenzita by transportem narůstala. Proto by bylo nezbytné i tuto neurčitost v axiálním rozložení zanést nejen do bezpečnostních analýz, ale především do analýz návrhů a optimalizace vsázek.

Z hlediska chování pokrytí by bylo nezbytné provést rozsáhlý experimentální program. Např. by bylo nutné vyhodnotit, jak se bude chovat pokrytí při nízkých teplotách z důvodu akumulace radiačního poškození bez jeho průběžného odžíhání. Určitě bude jiná kinetika radiačního růstu a dojde k další změně mechanických vlastností, především u materiálu pokrytí, ale i ostatních konstrukčních částí palivové kazety.

Další zásadní problémy pak vidíme v následujících oblastech:

• Prakticky i administrativně je koncept složitý z hlediska manipulací s palivem (a pro nás dostupné práce na tyto otázky nijak neodpovídají)
  • Jak by probíhaly manipulace s palivovými soubory? Čím budou chlazené při manipulaci? Klasický bazén skladování na „čerstvé“ soubory (jsou již použité v původních reaktorech) tam být nemůže, protože by musel být také napuštěn těžkou vodou. Nebo by tam musel být bazén skladování s lehkou vodou, ze kterého do TEPLATORu poveze zavážecí stroj, ve kterém bude palivo chlazené plynem?!? A pokud by se chladilo plynem ve všech fázích, pak nastává problém se stíněním. Toto není řešeno v žádném z uváděných podkladů k technologii.
  • Z pohledu výše uvedených nejasností je v rozporu „umělecký“ obrázek TEPLATORu v článku [4], který je takto zcela nerealistický. S ozářeným palivem se manipuluje pod vodou kvůli chlazení i radiaci (odstínění), zde to na manipulace pod vodou rozhodně nevypadá. Jak je v článcích uvedeno, neutronově- fyzikální vlastnosti závisí silně na čistotě těžké vody, tedy bazén „čerstvého“ paliva by určitě musel být těžkovodní (pokud se s nějakým bazénem vůbec počítá ve stávajících návrzích).
  • Použití paliva po dlouhé době skladování představuje vyšší riziko ztráty vlastností materiálů pokrytí, konstrukčních prvků kazety i vlastního paliva, ale palivo po pouze několika jednotkách let od vyvezení bude problém, jak jej chladit při transportu, neboť jeho zbytkový výkon stále ještě bude poměrně velký a v transportním kontejneru nebývá aktivní chladící systém.
  • Vyhořelé palivo se nesmí převážet ze státu do státu, s výjimkou účelu přepracování, a i pak se vrací ve formě Pu a separovaných produktů štěpení. To ukazuje jako naprosto nerealizovatelnou variantu využití použitého paliva např. ze Slovenska. Je otázkou, zda si toto mezinárodní smluvní omezení autoři uvědomují, nebo tvoří „vzdušné zámky“ ve sladké nevědomosti. Další z legislativních omezení říká, že se použité palivo nesmí převádět na jinou společnost, jedinou výjimkou je jeho skladování před trvalým uložením (v ČR na SÚRAO). Pokud by TEPLATOR neprovozoval ČEZ, je to v ČR legislativně neprůchozí. Ale ČEZ, alespoň doposud, o něčem takovém neuvažuje.
• Aby bylo zajištěno odstínění a minimalizována rizika úniku aktivity při otevření přepravních kontejnerů v případě dehermetizace palivových proutků, musela by manipulace s přepravním kontejnmentem probíhat v horkých komorách. Žádné takové prostory v dostupných prezentacích nejsou zmiňovány.
• Ekonomicky nám tento návrh rovněž nedává smysl. Pokud se palivo přepracovává, nemá TEPLATOR smysl. Pokud ne, znamená řešení typu TEPLATOR další velké skryté investice – manipulace s už jednou draze uskladněným vyhořelým palivem a zlicencování jeho znovu-uskladnění po vyvezení z TEPLATORu. Teoreticky (hodně teoreticky) by to mohlo ekonomicky vycházet jen, pokud by se ukázalo, že TEPLATOR spálí transurany a sníží se tak aktivita paliva pro hlubinné úložiště. Pak by to mohlo být zajímavé pro SÚRAO, resp. jeho ekvivalenty v zahraničí. Ale o takovém pozitivním přínosu dosud žádná z publikací nic neuvádí, tj. toto není předpokládaný účel zařízení a nikdo konečné složení inventáře štěpných produktů po provozu v TEPLATORu nestudoval.
• Pokud jde o zařízení pracující na atmosférickém tlaku v primárním okruhu, nezdá se střední výstupní teplota 98 °C jako realistická. To by předpokládalo naprosto optimálně vyrovnanou AZ (aktivní zónu) z pohledu radiálního vyrovnání výkonů mezi kazetami. Jinak by v některých kanálech docházelo k varu — a z dostupné literatury není zřejmé, zda s tím někdo počítá. Rozhodně s varem v kazetách nepočítal výrobce paliva pro např. reaktory VVER-440, palivo tak není v licenčním procesu nijak posuzované z pohledu chování v podmínkách varu. Základem tlakovodních reaktorů je bezpečnostní rezerva do varu na výstupu z aktivní zóny cca. 30 °C daná tlakem v soustavě primárního okruhu. Některé varianty technologie TEPLATOR uvádí výstupní teplotu 170 °C a tedy tlakový primární okruh, tím by tento jeden problém mohl být eliminován. Ztrácí se však ten argument, že se jedná o zařízení na atmosférickém tlaku.

Účel zařízení

Již v předchozí části byla diskutována otázka účelu zařízení, které je prozatím vydáváno pouze jako levný zdroj tepla pro centrální vytápění. I zde však vyvstává řada nejasností, které účel konceptu zpochybňují. Kdo potřebuje vodu ohřátou na 98 °C? S touto teplotou by toto jaderné zařízení muselo stát uprostřed města. Tím ale narážíme nejen na otázky bezpečnosti. Standardní teploty pro použití v centrálních zásobováních teplem typu horká voda, je tlaková o teplotě 130-165 °C v topné sezóně a 80-95 °C v letním období. Vzhledem k neurčitostem z dostupných zdrojů, jak projekt řeší přístup ochrany do hloubky – není prezentován žádný návrh kontejnmentu (byť je toto slovo zmíněno v [10]), havarijních systémů, stanovení zóny havarijního plánování atd., pak je jaká může být přijatelnost řešení — postavit jaderné zařízení, které je zcela bez kontejnmentu a dalších bariér a od počátku pracuje s významným inventářem štěpných produktů vedle obytných budov – pro veřejnost?!? Jsem si jist, že proti tomu by se zvedla silná vlna nesouhlasu, která by se bohužel přenesla na celý jaderný program. Podle mého názoru je hazardem s veřejnou důvěrou (a podporou jádru jako bezemisního zdroje) vydávat takový koncept za bezpečné řešení.

Bezpečnostní charakteristiky navrhovaného konceptu

Rovněž posouzení bezpečnosti navrženého projektu je velmi těžké, pokud představovaný projekt nemá navrženy žádné bariéry pro šíření radioaktivních štěpných produktů, havarijní systémy pro případné zvládání mimořádných událostí, neexistuje ani studie, která by definovala možné iniciační události atd. Jedná se o návrh konceptu ve velmi rané fázi, nicméně je prezentováno, že bude v provozu již v roce 2027 jeho demonstrátor. Je to tedy jenom marketingová proklamace, ale velmi nebezpečná pro jadernou komunitu.

Detailněji můžeme například zmínit:

• V dostupných materiálech není nic o bezpečnostních analýzách. TEPLATOR je nový koncept reaktoru, a proto 90 % agenturních (míněna Mezinárodní agentura pro atomovou energii) návodů nelze využít. K tomuto zařízení je tedy potřeba přistupovat individuálně od začátku, tj. od identifikace možných iniciačních událostí (viz. vývoj malých modulárních reaktorů - SMR, či Generace IV technologií). TEPLATOR má například řízení reaktivity výškou hladiny, takže
  • Je možné předpokládat reaktivitní havárie v důsledku neúmyslného spuštění čerpadel anebo jen díky tomu, že něco/někdo spadne do nádoby reaktoru u kraje, kde je malý tok neutronů a zvedne tím hladinu v těch důležitých oblastech aktivní zóny s vysokým tokem neutronů.
  • Velmi problematickou se jeví otázka možného kladného teplotního koeficientu reaktivity od vody v nádobě reaktoru (zahřeje se, sice se zmenší hustota, ale stoupne hladina). Tato problematika opět předpokládá detailní analýzy, které nejsou nikde prezentovány.
• Řídit reaktivitu změnou hladiny „in the reactor pool“, je velmi diskutabilní. Není jisté, zda změny hladiny zvládne staré (použité) palivo a zda bude možné již vyřazené palivo pro takové podmínky vůbec licencovat. Ale možná to tým TEPLATORu jen nesprávně popsal a na mysli měl změnu hladiny v kalandrii („nádrž“ na moderátor). Pokud ano, pak by to ukazovalo na řadu technických chyb odkazovaných příspěvků, ale mírně bezpečnější řešení.
• Design obsahuje kalandrii s těžkou vodou, je tedy s podivem, proč je návrh ještě navíc komplikován grafitovými reflektory. Grafit zkracuje životnost zařízení (viz. reaktory typů Magnox a AGR) a komplikuje havarijní situace (svým možným hořením, např. havárie v Černobylu). Jednoznačné vyjádření je opět velmi problematické, neboť ani popis kalandrie a primárního okruhu není rozveden do detailu v žádném z dostupných podkladů. Kalandria by měla obsahovat jen moderátor a neúčastnit se odvodu tepla. Nikde však není obrázek samotné kalandrie a není tedy možné potvrdit nebo vyvrátit, jak to s odvodem tepla je, tj. zda se do něj kalandrie zapojuje.
• Na schématech primárního a sekundárního okruhu schází kompenzátor objemu a pojistné ventily. Na umístění pojistného ventilu primárního okruhu pak bude záviset ztráta primárního chladiva v případě jeho přehřívání a tlakování a podmínky funkce pojistných ventilů (nebo jeho neřízeného otevření, zaseknutí apod.). Tím jsme zpět u iniciačních událostí potenciálních havarijních stavů. Pro ně bude rozhodující i skutečnost, zda tedy opravdu bude systém s primárním okruhem na atmosférickém tlaku, nebo jako tlakové zařízení.
• Pro posouzení chování systému v abnormálních a havarijních podmínkách schází elevační schémata primárního a sekundárního okruhu, která jsou zásadní pro transport tepla při přirozené cirkulaci a posouzení vlivu eventuálního varu a tvorby hladin v okruzích.
  • Celkově chybí termohydraulické analýzy stacionárních-abnormálních-havarijních stavů. Kdo je bude provádět, měl by mít zkušenosti z validace termo-hydraulických programů vůči podobným nízkotlakým experimentům.
  • Pro posouzení reálnosti teplot v primárním okruhu (45/98 °C) by bylo potřeba projít tepelná schémata, resp. výpočet celého systému s Tin/Tout všech 3 okruhů. Ale tato schémata také nejsou nikde dostupná.
• Název kap. 4.1 referátu [10] obsahuje zkratku ECCS (Emergency Core Cooling Systems – systémy havarijního chlazení aktivní zóny), ale ve vlastním textu není o ECCS ani slovo. Tuto oblast je nezbytné do konceptu doplnit, aby bylo možné zvládnout např. události se ztrátou primárního chladiva, které jsou méně pravděpodobné než u vysokotlakých systémů jako VVER, ale nastat mohou. Obecně celý koncept nikde není přehledně popsán z hlediska principu ochrany do hloubky, jehož dodržení je dnes naprostým standardem a je vyžadován všemi dozornými orgány ve světě.
• V kap. 4.2 Containment referátu [10] není ani slovo o projektovém tlaku a dalších parametrech kontejnmentu, ani o odvodu tepla nebo systému potlačování tlaku v kontejnmentu. Nikde není žádné schéma kontejnmentu atd.
• Termín „These blades are in a louver arrangement“ [4] není úplně jasný. Pokud opravdu jde o „žaluziové“ uspořádání, tak to s vysokou mírou jistoty zvyšuje riziko selhání.

Legislativa

Pro licencování paliva (znovupoužití palivových kazet, které naplnily vyhoření dle pro ně schválených projektových limitů) pro TEPLATOR není v ČR legislativa. Formálně použití v TEPLATORu nepovolí projektová kritéria paliva, protože s ničím takovým jeho projekt nepočítal. Pro naplnění standardních požadavků licencování paliva by bylo nezbytné provést celou řadu velmi dlouhodobých ozařovacích experimentů, které by prokázaly, že pokrytí paliva zůstane intaktní i po dlouhé době od ukončení původního provozu a nadále i s přidaným novým provozem. Provedení takových experimentů by bylo velmi nákladné a zdlouhavé. To jde zcela zásadně proti deklarovaným předpokladům na velmi brzkou realizaci a nulovou cenu za palivo.

Podle dokumentu [10], oddílu 9, se má začít s výstavbou v r. 2024. Z kontextu vyplývá, že je míněn plnohodnotný demonstrátor, tedy jaderné zařízení licencované podle atomového zákona [12] a jeho prováděcích vyhlášek, zejména pro oblast umísťování, projektu, hodnocení bezpečnosti, zajišťování bezpečnosti při provozu, radiační bezpečnosti a fyzické ochrany. Do té doby však nelze předpokládat doplnění a úpravy legislativy pro malé reaktory, bude tedy nutno požadavky stávající legislativy beze zbytku dodržet. A z tohoto přehledu požadavků a nulové informace, jak a v jakém čase budou naplňovány, jednoznačně plyne, že časová osa navrhované realizace demonstrátoru je zcela mimo realitu. Termín uvedení do provozu tedy nemá nejmenší šanci na naplnění (i vzhledem k zákonným termínům pro vyjádření jednotlivých orgánů státní správy – např. SÚJB má dle [9] §19 odst. (2) písm. B) lhůtu 18 měsíců na vydání povolení k výstavbě, kterému by muselo předcházet povolení pro umístění – zákonná lhůta 12 měsíců, atd.). Vše však bude muset začít průzkumem lokality a prokázáním možnosti jejího využití pro výstavbu a provoz jaderného zařízení. Na tento krok musí navazovat studie EIA, žádost a rozhodnutí o umístění jaderného zařízení atd. Asi by se dalo uvažovat o termínu v horizontu let 2035-2040, pokud vezmeme v potaz pouze legislativní stránku „výstavby včetně všech povolování a standardních licenčních řízení“, ale zde je ještě otázka licencování použitého paliva pro provoz mimo jeho původní projektové podmínky a také otázka legislativy transportu vyhořelého paliva ze stávajících skladovacích kapacit do lokality. Vzhledem k naprosto nestandardním procesům nelze předpokládat jednoduché a krátké licenční řízení. A tím ani brzkou realizaci tohoto konceptu.

V posledních informačních zdrojích se autoři snaží o snadnější cestu a argumentují, že by demonstrační verze měla výkon necelých 50 MWt a mohla tedy být licencována v jednodušším režimu, např. výzkumného reaktoru. To je bohužel ukázka velmi nevhodného přístupu, kdy namísto naplňování bezpečnostních požadavků jsou tyto obcházeny.

Ekonomika

Úplně také nevěříme odhadované, a v článcích nijak nepodložené, ceně 750 mil Kč. Kromě tlaku v primárním okruhu není žádný rozdíl mezi TEPLATORem a normálním reaktorem: manipulace s palivem (navíc nějakým zcela robotickým zařízením?), 3 okruhy, instrumentace (nemluví se o ní, ale bude srovnatelná jako v normálním reaktoru – sice palivo není výkonově moc zatížené, ale je třeba vyloučit var v kanálech), bezpečnostní systémy, manipulace s vyhořelým palivem před jeho zavezením apod.

U vyhořelých souborů z bloků VVER si těžko umíme představit převozy ozářeného paliva mezi reaktory v různých lokalitách. Nehledě na to, že by tomu pravděpodobně bránila i smlouva s dodavatelem paliva. Detaily neznáme, ale způsob využití paliva je určitě smluvně ošetřen – tady by bylo na místě vyjádření z ČEZ. Jako schůdnější by se jevilo použít nový typ paliva se SEU (Slightly Enriched Uranium – mírně obohacený uran, tj. do 1% obohacení). Ale takové palivo by si vyžadovalo kompletní licenční proces podepřený opět experimentálním ověřením. Nevýhodou použití SEU je špatná ekonomie využití uranu. Autoři projektu mohou sice argumentovat téměř 100 % účinností, protože kromě ztrát se využije všechno teplo, ovšem to je až ad absurdum zjednodušený přístup k hodnocení efektivity. Používat uran na výrobu nízko-potenciálního tepla pak lze považovat přímo za plýtvání. Předložené zprávy nezmiňují ani koncepci ukončení provozu. Technické provedení by mělo být jednodušší než u velkých energetických bloků, také množství radioaktivního inventáře by mohlo být řádově nižší. Ukončení provozu ve smyslu nákladů na konečnou likvidaci bloku je však nutno zohlednit v ekonomických rozvahách (viz kapitola Ekonomie provozu a konkurenceschopnost).

Shrnutí

Návrh projektu TEPLATOR využívající již použité palivo z velkých reaktorů lze považovat za zcela nerealizovatelný, protože použité palivo nelze pro toto využití jednoduše licencovat, brání tomu podmínky pro manipulace s použitým palivem a chybí v něm řada zcela zásadních a nezbytných částí jako jsou bezpečnostní systémy, kontejnment, bazény pro skladování „čerstvého“ i použitého paliva a další. Prozatím také nikde nebyl představen přehled potenciálních iniciačních událostí pro bezpečnostní hodnocení, definice limit a podmínek, návrh systémů řízení a kontroly ale ani systémů pro skladování a úpravy těžké vody atd. Přitom je koncept prezentován jako připravený pro realizaci demonstrační verze se zahájením výstavby v roce 2024 a v provozu v roce 2027 dle [10]. A protože zatím nebylo zahájeno žádné řízení směrem k umístění takového jaderného zařízení a se znalostí, co vše je pro takové řízení nezbytné zajistit, nelze tyto termíny hodnotit jinak než jako nereálné. Navíc ještě spojeny se snahou obejít část požadavků snížením výkonu pod 50 MWt a tím účelově docílit licencování v režimu výzkumného reaktoru. Tyto skutečnosti nemůžeme hodnotit jinak než jako velmi špatný záměr a naprostý nesoulad s kulturou bezpečnosti. Z našeho pohledu seriózní jaderné řešení pro zajištění dodávek tepla a elektrické energie takto opravdu vypadat nemá. Bohužel to může vyvolat ztrátu důvěry veřejnosti v jadernou komunitu jako celek. Doufejme, že k tomu nedojde a bude možnost nabídnout a realizovat skutečně připravené a podložené jaderné projekty, byť i v termínech, které nejsou zdaleka tak časově příznivé, jako proklamace TEPLATORu.

Konečně jiné varianty, např. použití SEU paliva v tlakovém primárním okruhu, při úpravách způsobu řízení a doplnění všech nezbytných řešení pro zajištění bezpečnosti v rámci přístupu ochrany do hloubky, by mohlo dávat technicky smysl. Je ovšem otázkou, zda by pak takové řešení vycházelo ekonomicky tak atraktivně. Pravděpodobně nikoliv.

Poděkování

Poděkování kolegům Mgr. J. Klouzalovi, Ing. R. Vočkovi, Ph.D., Ing. P. Královi, PhD., Ing. Z. Zůnovi, RNDr. P. Krákorovi a Ing. J. Zatloukalovi z divize Jaderná bezpečnost a spolehlivost, ÚJV Řež, a. s. za podkladové materiály, informace a konzultace k přípravě tohoto článku.

Jiří Duspiva,
ředitel divize Jaderná bezpečnost a spolehlivost,
ÚJV Řež, a. s.