Jít na vyhledávání

Malé a mikro reaktory

Výklad

Globální energetika prochází v poslední době radikální změnou v důsledku aktuální klimatické politiky požadující výrazné snížení emisí kysličníku uhličitého a minimalizaci emisí ostatních škodlivin do ovzduší, které nepříznivě ovlivňují zdravotní stav obyvatelstva, především ve velkých průmyslových centrech. Zároveň je třeba počítat se stále se zmenšujícími zásobami fosilních paliv. Uvedené důvody přirozeně vedou k úvahám o prosazování nízkoemisní elektroenergetiky, jako perspektivní cesty k zajištění stále rostoucích energetických potřeb lidstva.

Z provozovaných energetických zdrojů se k ekologickým a nízkoemisním řadí hlavně obnovitelné zdroje a zdroje jaderné. Historicky se jaderné elektrárny stavěly se stále větším jednotkovým výkonem, který dnes dosahuje až k hodnotě 1,8 GWe. Výstavba takového bloku vyžaduje poměrně vysoké počáteční investice a dostatečně dimenzovanou přenosovou soustavu. Cenu jaderných bloků ještě navyšuje implementace vícenásobných bezpečnostních opatření, požadovaných stále se zpřísňující legislativou. Do budoucna je proto v oblasti jádra uvažováno s vývojem pasivně bezpečných reaktorů IV. generace a vývojem konkurenceschopných malých modulárních reaktorů, historicky vycházejících z podobných energetických reaktorů na speciálních lodích a ponorkách.

Principiální ilustrace lehkovodního malého modulárního reaktoru

Principiální ilustrace lehkovodního malého modulárního reaktoru

Charakteristickým znakem malých modulárních reaktorů (označovaných anglickou zkratkou SMR) je jejich rozčlenění na moduly, které se z větší části konstruují již ve výrobním závodě a na místě instalace zdroje se jednoduše pospojují do funkčního celku. Modularita, rychlost a jednoduchost instalace pomohou výrazně snížit investiční náklady. Dalším důležitým aspektem malých modulárních reaktorů je možné prodloužení palivové kampaně na několik let až desetiletí a přesunutí operací spojených s výměnou paliva do specializovaných závodů. Modul reaktoru by se kvůli výměně odvezl do závodu a v elektrárně by se nahradil jiným – s novým palivem. SMR poskytují vyšší míru bezpečnosti, obvykle s prvky tzv. inherentní bezpečnosti, s cílem omezit zónu havarijního plánování, tzv. Emergency Planning Zone (EPZ), ideálně na hranici elektrárny. SMR aplikují zejména pasivní bezpečnostní systémy, potřebnost aktivních bezpečnostních systémů je minimalizována.

Za malý reaktor se podle přístupu Mezinárodní agentury pro atomovou energii (MAAE) považuje reaktor s výstupním elektrickým výkonem do 300 MWe. V případě SMR velmi nízkého výkonu se někdy hovoří o tzv. „mikro-modulárních reaktorech“ nebo „velmi malých modulárních reaktorech“(vSMR) s výkonem řádově několik MWe. Tyto projekty jsou směřovány k využití v lokálních sítích (micro-grids) odlehlých aglomerací a průmyslových oblastí, kde by měly být nasazovány v rámci budoucí distribuované či decentralizované energetiky.

Při umístění SMR na plovoucí platformu mohou vznikat plovoucí jaderné elektrárny, použitelné v oblastech poblíž mořského pobřeží. Uvažuje se rovněž o umístění modulů na železniční vagony nebo na kamiony, kterými by se jaderné zdroje a technologie dopravily do míst, kde bylo postavení jaderné elektrárny doposud nemyslitelné. Své výhody budou mít i stacionární zdroje založené na malých modulárních reaktorech. Většina nebo část jaderné technologie může být umístěna pod zem včetně kontejnmentu. Podobný jaderný zdroj bude možné umístit například do lokality vyřazené uhelné elektrárny.

Rozdělení malých modulárních reaktorů

Podle typu primárního chladiva a spektra neutronů, případně konstrukce, můžeme koncepce a projekty malých modulárních reaktorů rozdělit do následujících skupin:

V malých modulárních tlakovodních reaktorech se často používá lehce modifikované palivo, podobné velkým palivovým kazetám (Zdroj: © Parilov / stock.adobe.com)

V malých modulárních tlakovodních reaktorech se často používá lehce modifikované palivo, podobné velkým palivovým kazetám

1. Lehkovodní malé reaktory chlazené a moderované obyčejnou vodou

Do této skupiny spadá většina malých reaktorů, vycházejících z osvědčených projektů tlakovodních (PWR) a varných (BWR) reaktorů. Jedná se dnes o nejvyspělejší technologii, známou z provozovaných velkých reaktorů, která je doplněna o prvky pasivní bezpečnosti a využívá v určité míře zjednodušení a integraci komponent primárního okruhu do prostoru tlakové nádoby.


2. Vysokoteplotní plynem chlazené malé reaktory

Skupina perspektivních reaktorů, umožňujících kromě výroby elektřiny dodávku vysokopotenciálního tepla pro potřeby průmyslových aplikací, výrobu vodíku nebo kogeneraci.


3. Malé reaktory pracující s rychlými neutrony

Inovativní návrhy a koncepce rychlých reaktorů chlazených sodíkem, roztaveným kovem nebo plynem.


Schéma rychlého reaktoru chlazeného olovem nebo eutektickou slitinou olova a bizmutu (Zdroj: Wikipedia.org)

Schéma rychlého reaktoru chlazeného olovem nebo eutektickou slitinou olova a bizmutu

4. Malé modulární reaktory chlazené roztavenými solemi

Specifická skupina reaktorů využívající pokročilé technologie účinného chlazení aktivní zóny směsí tekutých (obvykle fluoridových) solí.

Zdroje s malými modulárními reaktory

Ve světě je v různých stadiích vývoje a rozpracovanosti celá řada koncepcí a projektů využívajících malé reaktory. Některé jdou klasickou cestou skládání modulárních zdrojů do většího centralizovaného celku, jiné spíše naplňují koncepci decentralizované energetiky a předpokládají prostorové rozptýlení malých jaderných zdrojů v síti. Existují i poměrně novátorské koncepce. Pokud bude technologický vývoj a povolovací řízení pokračovat nastaveným tempem, mohly by se první bloky s malými modulárními reaktory dočkat realizace v následujících deseti až dvaceti letech.

Rusko

V Ruské Federaci je podle MAAE zaregistrováno více projektů malých modulárních reaktorů. V roce 2019 byla dokončena a přepravena do cílového přístavu plovoucí jaderná elektrárna Akademik Lomonosov s dvojicí reaktorů KLT-40S založených na současných lehkovodních technologiích. Reaktory budou po spuštění dodávat 77 MW elektřiny a 300 MW tepla do oblasti v okolí města Pevek, jednoho z hlavních arktických přístavů na severovýchodě Ruska. Plovoucí elektrárna nahradí výkon odstavovaných bloků Bilibinské jaderné elektrárny. Obohacení jaderného paliva v reaktorech bude dosahovat 14 % a s jeho výměnou se počítá jednou za deset let.

Vlajkovou lodí malých reaktorů v Rusku je tlakovodní reaktor RITM-200 s výkonem 57 MWe (175 MWt) vycházející z konstrukce reaktorů pro jaderné ledoborce. Kompaktní reaktor s tlakovou nádobou o výšce 8,5 m a průměru 3 metry používá palivo obohacené do 20 % a pro pevninskou elektrárnu je naprojektován na celkem 10 šestiletých palivových kampaní. Primární chladicí systém sestávající ze čtyř parních generátorů je založen na nucené cirkulaci chladiva (pomocí čtyř zapouzdřených cirkulačních čerpadel) během normálního provozu reaktoru a v nouzových podmínkách je schopen uchladit aktivní zónu pomocí přirozené cirkulace. Projekt standardního výrobního bloku obsahuje dva reaktorové moduly o elektrickém výkonu 2 × 57 MWe, každý s vlastním turbosoustrojím.


Velká Británie a USA

Ilustrace ukazuje malý modulární reaktor společnosti Rolls Royce na návěsu tahače (Zdroj: © Rolls Royce)

Ilustrace ukazuje malý modulární reaktor společnosti Rolls Royce na návěsu tahače

Do rozvoje malých modulárních reaktorů vkládá Británie nemalé prostředky. Vidí v nich způsob, jak splnit své cíle a závazky v omezování emisí oxidu uhličitého. Největší šanci na úspěch má americký projekt malého modulárního reaktoru NuScale společnosti NuScale Power. Jedná se o tlakovodní reaktor s integrovaným primárním okruhem přímo v nádobě o průměru 2,7 m, pracující s přirozenou cirkulací chladicí vody. Teplo je do sekundárního okruhu předáváno přes dva parní generátory nacházející se v prstencovitém prostoru horní části tlakové nádoby. Celá nádoba včetně systémů pohonu řídicích tyčí je umístěna ve válcovém ocelovém kontejnmentu o průměru cca 4,5 m a výšce 23 m a tvoří základní nezávislý modul ponořený do chladiva bazénu reaktorové budovy. Bazén je umístěn pod úrovní terénu a funguje jako pasivní tepelná jímka zajišťující odvod tepla v nestandardních situacích. Podle celkového potřebného výkonu jaderné elektrárny se počet takových modulů s jednotkovým výkonem 50 MWe navyšuje. Koncepci a konstrukční řešení reaktoru NuScale momentálně posuzuje americký úřad pro jadernou bezpečnost NRC. Po přidělení licence by se do roku 2026 měla spustit první komerční SMR elektrárna s 12 moduly o sumárním výkonu 600 MWe.

Projektů vycházejících z klasických tlakovodních reaktorů a aspirujících na preferovaný malý modulární reaktor ve Velké Británii je samozřejmě více. Soutěže se účastní například SMR firmy Westinghouse (225 MWe) a také firma Rolls-Royce se svým projektem malého modulárního reaktoru.


Čína

Čínský vývoj malých modulárních reaktorů se ubírá dvěma směry. První směr tvoří klasický tlakovodní reaktor s označením ACP100, což je SMR čínské společnosti China National Nuclear Corporation (CNNC). Jeho tepelný výkon činí 385 MWt a elektrický výkon 125 MWe. Jedná se o částečně integrovaný tlakovodní reaktor. Přímo v tlakové nádobě reaktoru jsou umístěny parogenerátory (celkem 16), ale kompenzátor objemu je umístěn mimo tlakovou nádobu reaktoru. Na každý ze 4 nátrubků tlakové nádoby reaktoru je nainstalováno 1 hlavní zapouzdřené cirkulační čerpadlo (celkem 4), určené k nucené cirkulaci chladiva. Bezpečnostní systémy jsou výhradně pasivní (havarijní chlazení aktivní zóny, odvod zbytkového tepla, odvod tepla z ochranné obálky, automatický systém odtlakování, systém kontroly koncentrace vodíku, systémy zajištění obyvatelnosti obslužných míst). Ochranná obálka je tvořena jednoduchou ocelovou nádobou ve formě válcové budovy reaktoru.

Druhý směr tvoří vývoj vysokoteplotních plynem chlazených reaktorů HTR. Prototyp HTR-10 dosáhl plného výkonu v roce 2003 a v současnosti se staví dvojblok s dvojicí reaktorů HTR-PM s tepelným výkonem 2 × 250 MWt a teplotou vystupujícího helia 750 °C, pohánějící jednu parní turbínu o elektrickém výkonu 210 MWe. Technologie čínských HTR reaktorů je odvozena od původního německého projektu. Palivové grafitové elementy, obsahující velké množství dispergovaných částic z obohaceného uranu (8,5 %), jsou realizovány ve formě koulí o průměru cca 6 cm (celkem 420 tisíc). Do reaktoru se v horní části kontinuálně přidávají a v dolní části se odebírají.

Reaktory HTR jsou známé svou vysokou inherentní bezpečností a vyváženou konstrukcí. Nižší hustota výkonu, záporný teplotní koeficient, velká teplotní rezerva, přirozený odvod tepla – to jsou jen některé z vlastností těchto reaktorů zaručujících jejich bezpečný provoz. I v případě úplné ztráty chladiva trvá několik dní, než palivové články dosáhnou své maximální teploty.


Argentina

Logo argentinského tlakovodního reaktoru CAREM (Zdroj: Wikipedia.org)

Logo argentinského tlakovodního reaktoru CAREM

V Argentině je ve výstavbě v areálu jaderné elektrárny Atucha I prototyp malého modulárního reaktoru CAREM, jehož vývoj je koordinován argentinskou vládní agenturou National Atomic Energy Commission (CNEA). Jeho tepelný výkon je 100 MWt a elektrický výkon činí 30 MWe. Jedná se o integrovaný tlakovodní reaktor. Přímo v tlakové nádobě reaktoru jsou umístěny parogenerátory (celkem 12) a samotná tlaková nádoba reaktoru slouží také jako kompenzátor objemu. Cirkulace chladiva je zajištěna pasivně, tj. bez hlavních cirkulačních čerpadel. Bezpečnostní systémy jsou výhradně pasivní (havarijní chlazení aktivní zóny, odvod zbytkového tepla a systém kontroly koncentrace vodíku). Ochranná obálka je z předpjatého betonu s ocelovou výstelkou a systémem pro omezení tlaku (obdoba ochranné obálky u varných reaktorů).


Česká republika

Ve fázi koncepčního návrhu je nyní český projekt malého modulárního reaktoru Energy Well vyvíjeného v ÚJV a Centru výzkumu Řež. Projekt představuje vysokoteplotní reaktor s tepelným výkonem 20 MWt chlazený tekutou solí FLiBe. Projektovaný průměr a výška aktivní zóny reaktoru je jen 2,2 m. V sekundárním okruhu je použita neaktivní sůl NaBF4, chladivem v terciálním okruhu je superkritický CO2. Turbína zapojená do terciálního okruhu by mohla dodávat 7 až 8 MW elektrické energie. Elektrická účinnost malého reaktoru dosahuje 35 %, s rekompresí helia by se jeho účinnost mohla zvýšit ještě o dalších 7 %. Palivo je pevné kovové konstrukce na bázi TRISO částic slisovaných do grafitových desek (tzv. prizmatické palivo) s průměrným obohacením uranem 235 ve výši 15 % a délkou palivové kampaně 7 let.

Návrh uspořádání malé elektrárny s vysokoteplotním modulárním reaktorem Energy Well (Zdroj: ČEZ, a. s.)

Návrh uspořádání malé elektrárny s vysokoteplotním modulárním reaktorem Energy Well

Zařízení primárního, sekundárního a terciálního okruhu malého modulárního reaktoru Energy Well lze podle projektu snadno převážet v oddělených kontejnerech. Primárně se předpokládá umisťování těchto reaktorů do odlehlých oblastí. Uvažované náklady na elektřinu v projektu Energy Well nepřekračují 2 Kč za jednu kilowatthodinu, návratnost investice se předpokládá v řádu 10 let.

Tepelná schéma malé jaderné elektrárny s reaktorem Energy Well, u kterého je v terciárním okruhu použit superkritický CO₂ (Zdroj: ČEZ, a. s.)

Tepelná schéma malé jaderné elektrárny s reaktorem Energy Well, u kterého je v terciárním okruhu použit superkritický CO2

Malé modulární reaktory mají díky svým užitným vlastnostem a bezpečnostním koncepcím velký potenciál do budoucna. O tom svědčí i počet rozpracovaných projektů, kterých je dnes ve světě asi 50. Většina z nich se nachází ve fázi koncepčního návrhu nebo studie proveditelnosti, některé jsou již prohlášeny za projekty, které lze v blízké době realizovat. V Argentině, Číně a Rusku jsou v současné době v pokročilých fázích výstavby čtyři malé reaktory. Je možné, že SMR překlenou propast, vzniklou mezi stávající jadernou energetikou a nastupujícími obnovitelnými zdroji, a stanou se stabilním, ekologickým, ekonomickým a bezemisním řešením stále narůstajících energetických potřeb na pozadí končící energetiky fosilních paliv.

Vrátit se nahoru
detail