Zprávy o malých jaderných
reaktorech v posledních měsících
několikrát zaujaly veřejnost
a dostaly se do hlavních
zpravodajských relací. Ať už se
jednalo o loňskou snahu Jablonce
nad Nisou pořídit si nový
teplárenský zdroj či o aktuální
zásobování Haiti pitnou vodou
vyrobenou odsolováním mořské
vody na palubě americké letadlové
lodi U.S.S. Carl Vinson.
Její jaderné reaktory pohánějí
čtyři destilační zařízení s celkovou
kapacitou přes 1,5 mil. l
pitné vody denně.
Podle definice MAAE má velký
reaktor LR (large reactor) výkon
nad 700 MWe. Malý jaderný reaktor
menší než 300 MWe a střední
do 700 MWe. Dohromady se pro
tyto nevelké reaktory vžila zkratka
SMR (small and medium reactor)
a z řádově 440 dnes provozovaných
energetických jaderných
reaktorů jich přes 130 spadá do
kategorie SMR (mj. čtyři reaktory
v Dukovanech). Navíc 10 nových
SMR je dnes ve výstavbě.
V současnosti se ve světě vyvíjí
přes 40 možných konceptů SMR,
a to zejména v Argentině, Číně,
Indii, Japonsku, Jižní Koreji, Rusku,
Jižní Africe a USA.
Jaderné reaktory mohou sloužit
i jiným než energetickým účelům:
k pohonu lodí, ke zmiňovanému
odsolování mořské vody, k výrobě
radioizotopů, k výzkumu. Jen
USA provozují přes 100 takových
reaktorů.
Malé reaktory lze rozdělit na
dvě skupiny podle způsobu výměny
paliva: na reaktory s konvenční
výměnou paliva (ať už v kampaních,
či kontinuálně) a na reaktory
bez nutnosti výměny jaderného
paliva v provozní lokalitě, tzv.
SRWOR (small reactors without
on-site refuelling).
Důvody pro stavbu
malých reaktorů
Všude tam kde nejsou vhodné
standardní velké energetické
reaktory se budují reaktory malé.
Tedy v zemích s malou špičkovou
poptávkou po elektřině (cca
do 10 GWe), ve státech s omezenými
investičními možnostmi, či
u spotřebitelů mimo rozvodnou
soustavu, event. s nedostatečně
rozvinutou rozvodnou soustavou.
Ideální trh pro SMR jsou odlehlá
místa (kupř. ostrovy, vojenské
základny, arktické oblasti). Malé
reaktory mohou být mobilní. Ve
velmi pokročilém stavu vývoje
jsou zejména projekty plovoucích
jaderných elektráren.
Malý jaderný reaktor neznamená
automaticky malý výkon
celé jaderné elektrárny. Výstavba
SMR se může dít v sériích: několik
stejných modulů se nachází
v jedné lokalitě a takto vybavená
elektrárna může mít celkový
výkon poměrně velký. Ekonomické
úspory z rozsahu, které vznikají
při výstavbě velkých jaderných
reaktorů, jsou tak nahrazeny ekonomickými
úsporami ze sériové
výstavby. To platí zvláště při
zavádění nových typů reaktorů.
Pokud se uvádí, že nový typ reaktoru
je při výstavbě první prototypové
jednotky o 50 % dražší než
následné jednotky a certifikace
v každé zemi je (spolu s vybudováním
spolehlivé sítě subdodavatelů)
při první implementaci
o 15 % dražší, pak má sériová produkce
menších jednotek i ekonomické
zdůvodnění.
Vztaženo na české podmínky:
kdyby byly namísto dvou velkých
prototypů VVER1000-V320
v Temelíně postaveny čtyři a více
SMR, ušetřili bychom si nejen
problémy, ale i peníze.
Samozřejmě u více menších bloků
se také zkracuje doba výstavby
a výkon lze připojovat do přenosové
soustavy v čase s menšími
skoky než platí pro velké reaktory.
To může být atraktivní zvláště pro
menší země, či pomalu rostoucí
ekonomiky. Podobný argument
platí pro provoz a nahrazení výkonu
pří výpadku zdroje. Výkonová
regulace se SMR též umožňuje
jemnější kroky.
Nové malé reaktory
s možnostmi výstavby
v krátkém časovém
horizontu
Jelikož vývoj a zejména schvalování
každého jaderného reaktoru
je mnohaletý proces, zaměřme
se na seznam 10 nových malých
jaderných reaktorů, které jsou
mezi cca 40 SMR projekty v nejpokročilejší
fázi vývoje, testování
a certifikace. Vývoj je v takové
fázi, že jejich nasazení je při realistickém
odhadu možný nejpozději
do 10 let.
Tlakovodní reaktory s integrovaným
primárním okruhem
l Projekt IRIS pod vedením firmy
Westinghouse (USA)
l Projekt CAREM zpracovaný
v CNEA (Argentina)
l Projekt SMART zpracovaný
v KAERI (Jižní Korea)
l NuScale od firmy NuScale
(USA)
Tlakovodní reaktory přímo
odvozené z námořních typů
l KLT-40S od Rosenergoatomu
(Rusko)
l ABV od firmy OKBM (Rusko)
l VBER-300 též od OKBM
(Rusko + Kazachstán)
Pokročilé reaktory
moderované těžkou vodou
l AHWR projektovaný BARC
(Indie)
Vysokoteplotní reaktory
l HTR-PM společnosti INET
(Čína)
l PBMR společnosti PBMR (Jižní
Afrika)
Stěžejní důvod vývoje SMR je
produkce elektřiny a tepla. Do
úvahy připadá rovněž odsolování
mořské vody a u vysokoteplotních
reaktorů nasazení pro výrobu
vodíku, krakování uhlí a některé
chemické procesy.
Malé reaktory SR WOR
Zajímavé SRWOR reaktory bez
nutnosti výměny paliva v lokalitě
reaktoru jsou populární hlavně
z hlediska snížení rizika zneužití
jaderného materiálu nepovolanou
osobou a kvůli zjednodušení
nakládaní s vyhořelým jaderným
palivem. Koncept je odzkoušen
u jaderných plavidel, zejména
u reaktorů ponorek.
První alternativa aktivní zóny
navržené na celou dobu života
reaktoru (tzv. life-time core)
vyžaduje vyšší obohacení než
u standardních energetických
reaktorů. Často se musí používat
HEU palivo. To je akceptovatelné
u vojenských reaktorů, ale u civilních
reaktorů naopak z hlediska
snížení proliferace není optimální.
Druhá alternativa výměny celé
aktivní zóny ve speciálním závodě
je realizovatelná u reaktorů,
kdy lze celý reaktor (či jeho aktivní
zónu) dopravit do výrobního
závodu. Intervaly výměny paliva
jsou delší než u standardních
LWR reaktorů (kupř. 5 let).
Jelikož celkové vyhoření paliva
u většiny SRWOR je stejné
jako u „standardních“ reaktorů,
SRWOR mají obecně nižší hustotu
výkonu. U termálních reaktorů
používají běžně vyhořívající
absorbátory. U rychlých reaktorů
mají vysoký konverzní poměr.
Revoluční projekty
malých reaktorů
od amerických
start-up firem
Při vývoji a výrobě civilních
energetických jaderných reaktorů
byly USA v posledních 30 letech
zastíněny mnoha jinými zeměmi,
zejména asijskými státy, Francií
a Ruskem. Vznik nových, malých
a dravých reaktorových firem,
většinou zakládanými odborníky
z vojenské oblasti, může pomoci
USA tyto země dohnat. Společným
rysem těchto projektů je agresivní
reklama, revoluční návrhy jaderných
reaktorů a neexistence licencí
od regulačních orgánů. Stručně
si představme alespoň dva koncepty:
l Koncept Hyperion
Minireaktor HPM (Hyperion
Power Module) firmy Hyperion
byl představován jako téměř bezobslužný
termální jaderný reaktor
o tepelném výkonu přibližně 70
MWt, který je řízen bez pomoci
řídicích tyčí jen tepelným rozkladem
hydridu uranitého. HPM byl
prezentován jako varianta jaderné
výtopny pro skoro každé střední
město, či jaderné elektrárny
o výkony 27 MWe. UH3 je poměrně
nestandardní jaderné palivo,
jež se používá jen u některých
výzkumných reaktorů. V kombinaci
se zirkoniem běží mnoho let
na reaktorech TRIGA. To jsou však
výzkumné reaktory, které samoregulaci
jako HPM používají jen ve
velmi krátkodobém režimu. Reaktor
HPM by se takto měl regulovat
a řídit v podstatě samočinně a stále.
Tento reaktor měl být dodán
jako samostatný modul, zahrabán
do země, aby byla zajištěna jeho
bezpečnost, a provozován několik
let se stále stejným palivem.
V posledním období Hyperion
celý svůj koncept radikálně změnil
a „nový“ HPM reaktor je nyní
reaktor rychlý, nikoliv termální.
Má řídicí tyče z karbidu bóru.
Palivo není hydrid, ale nitrid uranitý.
Chladit by se měl kapalným
olovem a vizmutem v tříokruhovém
uspořádání. Výkon a koncept
cílený především na cca 700
amerických vojenských základen
zůstal zachován. Padesátitunový
modul přivezou až na pozemek
a bude fungovat minimálně 10 let.
„Nový“ HPM by měl stát prý už
za čtyři roky: buď v USA, nebo
ve Velké Británii – pokud nedojde
k další razantní změně návrhu,
třeba na těžkovodní reaktor.
l Koncept reaktoru
s postupující vlnou (TWR)
Původní koncept, kdy se
z množivého materiálu stává
štěpný a ten se „spaluje“ v řízené
geometrii aktivní zóny reaktoru,
není nový. Vychází z japonského
reaktoru CANDLE (Constant Axial
Shape of Neutron Flux, Nuclide
Densities and Power Shape During
Life of Energy Production), vyvinutého
na Tokyo Institute of Technology.
Tento typ reaktoru nyní
rozpracovává firma Terrapower
– Intellectual Ventures, a má to
být další revoluční typ reaktoru
malého výkonu.
Výhoda postupující vlny spočívá
ve využití množivého materiálu
přímo jako paliva bez nutnosti
přepracování (zásoby 232Th či
238U jsou o dva řády větší než
235U). Cena paliva je výrazně
nižší a prodlouží se i kampaně,
tedy čas mezi odstávkami.
Jaderná bezpečnost SMR
Je v rukou regulačních orgánů
a pro SMR není kvalitativně jiná
než pro LR. Rozdíly můžeme
nalézt jen pro kvantitativní parametry
odvozené od výkonu, či
množství paliva.
Největší slabinou pro rychlé
zavedení SMR do praxe je asi
licencování. Jelikož většina projektů
SMR je odlišná od dominantních
LWR energetických
reaktorů, regulační autority nemají
tolik odborníků na tyto technologie
jako na běžné LR. Tím se
celý proces licencování protahuje
a může (jako kupř. v Jižní Africe
u PBMR) vývoj výrazně ohrozit.
Omezení rizika zneužití jaderného
materiálu nepovolanou osobou
(tzv. proliferation resistance) je
dnes standardně implementovaný
prvek u všech jaderných reaktorů,
nejen u SMR. Nutnost fyzické
ochrany přibližně stejného rozsahu
pro LR a SMR by zvyšovala měrné
náklady na fyzickou ochranu,
proto se u SMR častěji než u LR
implementují návrhy inherentně
odolné proti proliferaci.
Ve světě je dnes (v různém stádiu
vývoje) kolem 40 typů SMR.
Jejich použití je v některých situacích
ekonomicky i technicky
vhodné jak pro produkci elektřiny,
tak jako zdroj nízko a vysokoteplotního
tepla. SMR nejsou přímými
konkurenty LR, ale jejich
doplňkem. Některé ze středních
reaktorů jsou nyní ve výstavbě.
Malé reaktory očekáváme v provozu
do několika let. Nejrychlejší
šanci na realizaci mají reaktory
přímo odvozené od stávajících
typů energetických či výzkumných
reaktorů. Čas ukáže potenciál
revolučních projektů SMR.
A proces licencování odhalí jejich
životaschopnost v delším časovém
měřítku. /rš/
