Současný stav v oblasti malých modulárních reaktorů

Vladimír Wagner, Ústav jaderné fyziky AV ČR

Nedávno rozhodla společnost ČEZ, že se bude podílet na vývoji, výrobě i využívání malých modulárních reaktorů firmy Rolls-Royce. Je tak zajímavé se podívat, jaký je současný stav a perspektivy v této oblasti.

Každý typ reaktoru začínal jako malý. Postupně se však v komerční jaderné energetice přešlo k využívání velkých až velmi velkých reaktorů. Současné reaktory III. generace mají výkony v oblasti od 1000 do 1800 MWe. Důvody byly ekonomické. Investiční i provozní náklady totiž rostou pomaleji než instalovaný výkon. Jaderná energetika naráží na dva zásadní problémy. Jde o velkou investici s dlouhodobou životností, na kterou si musí investor půjčovat velké sumy a investice se mu začíná vracet až po jejím úplném spuštění. Druhým problémem je, že tak nelze zapojovat jaderné zdroje do decentrální energetiky. To je problémem hlavně pro jejich využití v teplárenství.

Co jsou malé modulární reaktory?

Jak už bylo zmíněno, malé reaktory není problém realizovat. Důležité je však, aby se staly ekonomicky konkurenceschopné s těmi velkými, a i jinými zdroji energie. Toho lze dosáhnout, pokud budou určeny pro specifické podmínky, kde je výběr možných zdrojů velmi omezený. Takovými je například ruská Sibiř nebo sever Kanady.

Možnost, na kterou se klade důraz v současnosti, je výroba modulů v továrně a jejích kompletace na staveništi. Většina kritických náročných svarů tak bude realizována v čistých, příznivých továrních podmínkách a nebude potřeba je dělat na staveništi. Zároveň se jednotlivé části a celé moduly budou vyrábět hromadně ve velkých sériích. To by mělo podstatně snížit cenu a zajistit ekonomické vyrovnání s velkými reaktory i v běžných podmínkách. Proto je jejich podstatná právě modulárnost.

Hranice pro výkon Malých Modulárních Reaktorů (MMR) je poměrně volná. Dolní je okolo 5 až 10 MWe. Reaktory s menšími výkony se označují jako minireaktory a mikroreaktory. Horní hranice je MAAE určena jako 300 MWe, americká DOE jí definuje jako 1000 MWt. Obě definice si zhruba odpovídají. K MMR se však řadí i větší výkony, což je třeba i projekt firmy Rolls-Royce, který má výkon 470 MWe. Jde už o výkon podobný výkonu reaktorů v Dukovanech. Možná by bylo přesnější mluvit o malých a středně velkých modulárních reaktorech.

Proč je potřebujeme?

Jak už bylo zmíněno, jsou dva hlavní důvody zájmu o MMR. První je vyřešení problému s financováním a vysokou cenou peněz. Velký jaderný reaktor je velmi velká investice s velmi dlouhou životností. To se stává zásadním problémem v případě tzv. investorského finančního modelu. Přístup k investici do energetiky může být dvojí. První je investorský, kdy investor buduje jaderný zdroj pro dosažení relativně rychlého zisku. V tomto případě se musí investice vrátit nejpozději do pár desítek let. V případě, že je investorem soukromá společnost a musí si půjčovat u bankovního sektoru, jsou problémem vysoké úroky, a tedy cena peněz. Druhým je strategická investice u státu nebo rodinné firmy, která má zajistit levnou a bezpečnou dodávku elektřiny na velmi dlouhou dobu. V tom případě není důležitá rychlá návratnost investice a v případě státu je relativně nízká cena peněz, tedy úroků z potřebných úvěrů.

MMR by mohly vyřešit problémy investorského finančního modelu při výstavbě velké jaderné elektrárny. Ta by se stavěla i spouštěla postupně po modulech. Právě ve Spojených státech bylo obvyklé, že jaderné bloky realizoval soukromý investor. Projekt MMR NuScale je určen pro takové účely. U tohoto projektu má modul výkon 77 MWe a elektrárna by měla mít konfiguraci ze šesti nebo dvanácti modulů.

Druhým úkolem, který by MMR měly řešit, je proniknutí jaderné energetiky do decentralizované elektroenergetiky a hlavně teplárenství. To je důležitější hlavně pro Evropu a Českou republiku, které staví většinou jaderné elektrárny jako strategické investice s podporou státu. MMR by mohly nahradit současné fosilní kogenerační elektrárny a teplárny. V případě osamělých průmyslových či obytných objektů vzdálených a oddělených od elektrické sítě by mohly jejich energetické problémy řešit právě MMR. Tak je tomu v severských oblastech Ruska, kde začala pracovat plovoucí jaderná elektrárna Akademik Lomonosov.

Pokud by zlepšené bezpečnostní parametry malých MMR umožnily omezení či úplné zrušení havarijní zóny a zjednodušily by povolovací řízení, mohly by se tyto stavět v blízkosti lidských sídel. To by pomohlo hlavně jejich využití v oblasti teplárenství.

Jaké typy malých modulárních reaktorů se uvažují?

Existuje velice široké spektrum různých možných typů reaktorů. Zhruba je můžeme rozdělit do tří kategorií. První jsou klasické termální reaktory využívající pro moderaci i chlazení lehkou nebo těžkou vodu. Jde většinou o zmenšené modely současných velkých reaktorů. Menší výkon umožňuje co největší přechod k pasivním způsobům chlazení a řešení havarijních situací. Bezpečnostní parametry by se měly zásadně zlepšit, aby bylo možné omezit či dokonce zrušit havarijní zónu. Rozdíl je i v tom, že je snaha konstrukcí reaktoru rozčlenit do modulů, které se budou montovat v továrnách.

V této kategorii se vyčleňují pokročilejší integrální modely. V tomto případě jsou parogenerátor, kompenzátor objemu a mechanizmus ovládání řídicích tyčí integrovány do tlakové nádoby reaktoru. Vede to ke zlepšení bezpečnostních parametrů reaktoru a kompaktnější konstrukci, která je potenciálně modulárnější. Zároveň jsou tyto reaktory pokročilejší a náročnější technologií. Jako příklad takového reaktoru může sloužit americký NuScale, NUWARD^TM francouzské firmy EDF nebo čínský budovaný reaktor ACP100.

Druhou kategorií jsou pokročilé reaktory patřící ke IV. generaci. Zde může jít o velmi různorodé koncepty. Jde třeba o vysokoteplotní reaktory chlazené plynem. Příkladem takového je nedávno spuštěný čínský malý modulární reaktor HTR-PM200. Chlazení heliem předpokládá i český projekt malého modulárního reaktoru HeFASTo rozvíjený společností CVŘ s.r.o. v Řeži. Heliem chlazený reaktor využívající TRISO palivo je XE-100.

Chlazení může být i pomocí tekutých kovů, jako jsou olovo nebo sodík. V tomto případě jde většinou o rychlé reaktory. Jako příklad projektu olovem chlazeného malého modulárního reaktoru může sloužit ruský SBVR100. Sodíkem chlazený je malý modulární reaktor Aurora vyvíjený firmou Oklo Inc v Kalifornii. Jde o koncept podobný vesmírnému reaktoru Kilopower využívající tepelné trubice. 

Reaktor lze také chladit pomocí tekutých solí, jako je tomu například u dalšího projektu řežského CVŘ s.r.o. Energy Well. Velmi zajímavá je pak koncepce využití tekutého paliva v podobě tekutých solí obsahujících aktinidy. Takové reaktory lze efektivně využít pro spalování aktinidů a uzavření palivového cyklu. Jako příklad může sloužit projekt SSR (Stable Salt Reactor) firmy Moltex.

Třetí kategorií jsou reaktory s velmi dlouhým vyhoříváním a dobou mezi výměnou paliva. Ty mohou fungovat jako baterie, které jsou zapakované do kontejneru. Tahač jej přiveze do elektrárny a tam se modul připojí k části, která vyrábí z tepla elektřinu nebo teplo pro použití pro vytápění nebo průmysl. Modul pak funguje 10 až 20 let a pak se vymění za nový. U použitého se v centrálním závodě provede výměna paliva a příprava pro další využití.

Jako příklad mohou sloužit projekty využívající tekuté soli pro chlazení i jako palivo. Jde například o projekt firmy ThorCon, která využívá moderaci grafitem a navazuje na experimenty v laboratoři v Oak Ridge v šedesátých letech minulého století. Malý modulární reaktor TMSR (ThorCon Molten Salt Reactor) je plovoucí elektrárna se dvěma moduly a celkovým výkonem 500 MWe. První realizace se plánuje pro Indonésii na přelomu desetiletí. Kanadská firma Terrestrial Energy pracuje na projektu IMSR (Integral Molten Salt Reactor) s výkonem 195 MWe. Bill Gates podporuje projekt TerraPower. V tomto případě jde o rychlý reaktor se sodíkovým chlazením. Využívá se idea reaktoru s putující vlnou TWR (Traveling Wave Reactor). Výkon reaktoru by měl být 345 MWe.

Malé modulární reaktory této třetí kategorie patří mezi velmi pokročilé technologie a u většiny z nich se jejich realizace nedá čekat příliš brzy. Spíše až ke konci třicátých nebo ve čtyřicátých letech.

Které malé modulární reaktory jsou v provozu?

Již v současné době jsou MMR konkurenceschopné ve specifických podmínkách. Těmi jsou například severské věčně zmrzlé oblasti. Pro oblasti ruské Sibiře a Dálného východu je určen MMR využívající reaktory určené pro atomové ledoborce. Rusko má v provozu čtyři ledoborce staršího typu se dvěma reaktory KLT-40S a tři nové třídy 22220 se dvěma reaktory typu RITM-200. Na dokončení tři dalších takových se pracuje. Reaktory pro ledoborce se tak vyrábějí ve větších sériích.

Prvním realizovaným případem je plovoucí jaderná elektrárna Akademik Lomonosov. Ta využívá dva reaktory KLT-40S s výkonem 35 MWe využívaných ve zmíněných atomových ledoborcích. Akademik Lomonosov byl dokončen v roce 2019 a do provozu byl uveden ve městě Pevek.  Dodává elektřinu a teplo pro město a další sídla a podniky Bilibinského kraje. V roce 2024 došlo k první výměně paliva i u druhého reaktoru.

V současné době se pracuje na čtyřech dalších plovoucích elektrárnách s modernějšími reaktory RITM-200 s výkonem 50 MWe pro těžební podniky v Bilibinském regionu na Čukotce. Lodě pro ně se staví v Číně. Začaly i práce na pozemní jaderné elektrárně využívající tyto reaktory v Jakutsku, měla by být dokončena v roce 2028.

Klasický MMR ACP100 (Linglong One) s instalovaným výkonem 125 MWe se dokončuje v čínské jaderné elektrárně Čchan-ťiang (Changjiang). Jeho výstavba začala v červenci 2021. V létě 2023 byl instalován hlavní centrální modul, který obsahuje tlakovou nádobu a parogenerátor. V únoru 2024 byla na jeho vrcholu umístěna kopule kontejnmentu, v květnu byl spuštěn velín reaktoru a v září byl instalován stator turbíny. Dokončení reaktoru se očekává v roce 2025. Zkušenosti s jeho výstavbou, provozem a ekonomikou budou velmi zajímavé i pro Evropu. Čína má úplně jiné ekonomické modely, než jsou využívány v Evropské unii. Pokud však bude koncept MMR úspěšný v konkurenci s velkými reaktory v Číně, měl by být úspěšný i v Evropské unii.  

V provozu je už první pokročilý MMR IV. generace. Jedná se o vysokoteplotní plynem chlazený reaktor s kulovým ložem. Jde o čínský reaktor HTR-PM200, který se v roce 2021 dokončil v elektrárně Shidao Bay. Reaktor, který se začal budovat v roce 2012, má dva moduly a společná turbína by měla mít nominální výkon 211 MWe. Chladícím plynem je hélium a jeho výstupní teplota je 750 ˚C, což má velmi vysoký potenciál pro využití v průmyslu. Teplota vody využívaná v parní turbíně je až 500 ˚C. Páru o takové teplotě lze dodávat nejen pro chemické provozy. Do komerčního provozu se reaktor dostal na konci roku 2023. Velmi užitečné budou informace o ekonomice provozu. Připravuje se zvětšená verze HTR-PM600, kde bude mít šest modulů společnou turbínu.

Perspektivy malých modulárních reaktorů

Ostatní projekty MMR jsou zatím jen na papíře. A to ve velmi různorodé fázi rozpracovanosti. Dlouho byl nejdále projekt NuScale, který jako první prošel licenčními řízeními v USA a měl i místo pro první projekt. Ten se měl realizovat nedaleko Idaho Falls a investorem byla společnost Utah Associated Municipal Power Systems. Dokončen měl být v roce 2029. V listopadu 2023 však byl projekt pozastaven. Důvodem byl růst finančních nároků. O projektu uvažují i jiní investoři, například v Polsku a Rumunsku.

V pokročilejším stavu prací na dokončení designu a licenčního procesu je pár dalších. Jde například o varný reaktor BWRX-300 nebo tlakovodní reaktor Rolls-Royce. Na svých reaktorech pracují velké firmy v oblasti jaderných technologií. Jde například o Westinghouse s reaktorem AP300, Holtec s reaktorem SMR-300 a KHNP s reaktorem i-SMR s výkonem 160 MWe.

V současné době je stále jasnější, že bez jaderných zdrojů elektřiny a tepla není možné dospět k nízkoemisní energetice. Proto i v Evropě stále více států o využívání MMR uvažuje. Jde kromě Velké Británie a Francie například i o pobaltské státy, Polsko, Švédsko, Nizozemí, Rumunsko a Belgii. Kromě strategické investice daného státu by mohlo jít i o řešení problémů podnikových energetik a centrálních zdrojů tepla.

Úspěšný model MMR potřebuje dostatečný počet realizací. Je vysoce pravděpodobné, že se na trhu prosadí jen omezený počet těchto zařízení. To je i důvod, proč některé z firem pracujících na MMR zastavily vývoj pokročilejších modelů a vrací se ke klasičtějším typům. Obávají se, že pozdějším nasazením svého projektu by se už nedostaly na již přeplněný trh.

Malé modulární reaktory a Česko

Pro Českou republiku proběhlo klíčové rozhodnutí letos. Firma ČEZ se rozhodla pro spolupráci na rozvoji MMR s firmou Rolls-Royce SMR. Výběr byl založen na několika základních potřebách firmy ČEZ. Ta potřebuje co nejrychleji nahradit své uhelné zdroje, které se mají odstavovat během třicátých let. Potřebuje tak nasadit MMR co nejrychleji. Zároveň má vývojové kapacity, jako je například vývojová a inženýrská organizace ÚJV a.s. v Řeži, i průmyslové podniky v jaderné oblasti, například Škodu JS. Potřebuje tak spolupracovat s firmou, která je již blízko realizaci projektu a zároveň je ochotná ČEZ zapojit do vývoje a následné výroby svého MMR.

Firma ČEZ začala posuzovat možnost využití MMR v roce 2019. Po prvotní analýze dospěla její odborná skupina k závěru, že je třeba se zaměřit na lehkovodní typy, které jsou v pokročilém stádiu vývoje. Prvotně se tak v roce 2022 vybralo sedm kandidátů. S nimi se začalo konzultovat a posuzovaly se upřesněné informace. Postupně se výběr zúžil na čtyři projekty. Šlo o BWRX-300 firmy GE Hitachi Nuclear Energy, AP300 firmy Westinghouse, Rolls-Royce firmy Rolls-Royce SMR a NUWARD^TM firmy EDF. Od zmíněných firem byly vyžádány podrobnější informace o projektech a možnostech zapojení.

Společnost EDF je nezaslala, protože projekt integrálního reaktoru NUWARD^TM pozastavila a rozhodla se vyvíjet jednodušší typ tlakovodního reaktoru. Podle mě je to škoda. Právě tento projekt se mi velice líbí. Jde o velice kompaktní zařízení složené ze dvou reaktorů o výkonu 170 MWe, které by mohlo velice efektivně měnit poměr mezi výrobou elektřiny a tepla. Je mi však jasné, že tak pokročilé technologie nebudou v provozu mezi prvními.

Projekty varného reaktoru BWRX-300 a tlakovodního reaktoru Rolls-Royce jsou v nejpokročilejším stupni přípravy a licencování. Varný reaktor BWRX-300 má v Kanadě vybráno místo pro první prototyp. V roce 2021 si jej vybrala společnost Ontario Power Generation pro svou Jadernou elektrárnu Darlington. V roce 2022 požádala společnost o povolení. Předpokládá se, že licenci obdrží v roce 2025. Zatím se realizuje příprava staveniště. Intenzivně probíhá i licencování samotného reaktoru.

Jednotlivé etapy licenčního procesu probíhají i u reaktoru Rolls-Royce. Místo prvního prototypového bloku zatím určeno není. Velká Británie v současné době vybírá nejvýše čtyři projekty, které pozve k realizaci v této zemi. Rozhodnutí by mělo padnout na jaře 2025.

Hlavními důvody, proč si ze zmíněné dvojice firma ČEZ vybrala Rolls-Royce, bylo, že se jedná o varný reaktor, se kterým je u nás zkušenost, a firma Rolls-Royce SMR byla velmi přístupná zapojení ČEZ do vývoje a realizace.  Firma ČEZ do projektu již vstoupila a plánuje v konečném stavu získat podíl 20 % a spolurozhodovat o chodu společnosti. To však jen v případě, že bude reaktor Rolls-Royce vybrán pro realizaci i ve Velké Británii. Pokud k tomu dojde, předpokládá se, že by se v Česku mohly postavit i dva podniky na výrobu modulů pro tento reaktor.

V České republice se objevilo pět vlastních projektů MMR. Tři jsou klasické reaktory, které využívají palivové soubory pro VVER reaktory. Jde o projekt David firmy Witkowitz. Zde jde o lehkovodní tlakovodní reaktor s výkonem 50 MWe, který by se nasazoval ve dvojicích. Elektrárna sestavená ze čtyř dvojic by tak měla výkon 400 MWe a využívala by se ke kombinované výrobě elektřiny a tepla. Druhým je těžkovodní reaktor Teplátor vyvíjený na universitních pracovištích ČVUT a ZČU, který má pouze dodávat teplo. Jeho tepelný výkon by byl mezi 50 – 150 MWt. Moderace těžkou vodou umožňuje lepší neutroniku. Takový reaktor může využívat i palivové články s nižším obohacením, tedy i ty vyhořelé z klasických lehkovodních reaktorů. Poslední z nich je projekt reaktoru CR-100, na kterém pracuje CVŘ s.r.o. – součást ÚJV v Řeži. Jedná se o reaktor s tepelným výkonem 100 MWt.

Dva další projekty pak patří do kategorie pokročilých reaktorů a na projektech pracují opět v CVŘ s.r.o. Prvním je heliem chlazený rychlý vysokoteplotní reaktor HeFASTo. Celkový tepelný výkon má být 200 MWt a teplota aktivní zóny 900 ˚C. Druhým je reaktor Energy Well chlazený roztavenými solemi. Jeho tepelný výkon by měl být 20 MWt. Je tedy u dolní hranice výkonů malých modulárních reaktorů.

Všechny tyto projekty patří do kategorie menších výkonů a v principu by jim reaktor Rolls-Royce nemusel konkurovat a mohly by jej spíše doplnit v oblasti nižších potřebných výkonů, hlavně v teplárenství. Podle mého názoru však bude obrovský úspěch, pokud se alespoň jeden z nich dostane do fáze realizace prototypu. Pokud se alespoň jeden dostane dokonce do fáze komerčního využití, bude to zázrak. Jejich vývoj však poskytuje obrovský prostor pro získávání zkušeností a výchovu potřebných odborníků.

Závěr

Jak je vidět z předchozího textu, skrývá se v MMR obrovský potenciál. Je však pořád otevřenou otázkou, jestli a kdy se jej podaří využít. První MMR jsou už v provozu, jde však o specifické oblasti využití, jako je Sibiř, nebo první čínské prototypy. Evropa na svůj první realizovaný prototyp stále čeká. Několik jejich modelů by mohlo být připraveno již na počátku třicátých let. Zdá se, že i zájem v různých evropských zemích je dostatečný k tomu, aby se se sériovou produkcí některého z MMR mohlo začít. Česká republika má dlouhodobou tradici ve vývoji, výrobě i využití jaderných technologií. Stále má dostatečný potenciál ve vzdělaných odbornících a potřebné infrastruktuře. Rozvoj MMR by ji mohl pomoci dosáhnout nízkoemisní energetiky a zajistit bezpečnou a relativně levnou dodávku elektřiny a tepla pro domácnosti i průmysl. Je třeba zdůraznit, že MMR nenahradí velké jaderné bloky. V Evropě jde dominantně o strategické investice, které mají umožnit proniknutí jaderné energetiky do teplárenství a decentralizovanější energetiky. I Česká republika tak potřebuje rozvoj v obou oblastech.

Zdroj: časopis CzechIndustry 4/2024