Projekty elektrowni jądrowych są postrzegane jako duże, drogie i powolne — i nie bez powodu. Te megaprojekty to ogromne przedsięwzięcia wymagające ścisłej współpracy setek wykonawców i tysięcy osób.
Wkraczają małe reaktory modułowe (SMR) — klasa reaktorów jądrowych, która obiecuje niższe nakłady kapitałowe, szybsze wdrożenie, wykorzystanie prefabrykacji fabrycznej, kompaktowy rozmiar instalacji, wrodzone cechy bezpieczeństwa oraz lepsze możliwości pracy regulacyjnej (load-following). Rządy, organizacje pozarządowe i firmy wskazują SMR jako kluczowe źródło energii potrzebne do zasilania i dekarbonizacji naszego społeczeństwa. W efekcie SMR są bardzo widoczne w nagłówkach i w szeroko rozumianych mediach. Warto jednak doprecyzować, że mimo iż o SMR często mówi się jak o jednolitym rozwiązaniu, ich projekty znacząco się różnią. Przyjrzyjmy się więc krajobrazowi SMR, który obejmuje ponad 100 unikalnych koncepcji.
SMR generacji III vs. generacji IV: jaka jest różnica?
Gen III:
- Reaktory wodne lekkie (LWR): LWR wykorzystują wodę (H2O) jako chłodziwo i moderator. SMR typu LWR generacji III dążą do łatwiejszego wdrożenia, budowy modułowej, zwiększonego bezpieczeństwa oraz lepszej sterowalności umożliwiającej większe możliwości pracy regulacyjnej. Krótko mówiąc, projekt jest podobny, lecz zmniejszony i uproszczony w porównaniu do obecnych konwencjonalnych dużych elektrowni jądrowych, co ułatwia licencjonowanie, budowę i eksploatację. Paliwem jest powszechnie stosowany uran nisko wzbogacony (LEU), a temperatury w obiegu pierwotnym wahają się od 300°C do 350°C przy typowych ciśnieniach 7–16 MPa. Istnieją jednak reaktory wyłącznie ciepłownicze, pracujące przy znacznie niższych temperaturach i ciśnieniach, takie jak LDR-50, który działa przy ok. 150°C i <10 bar (<1 MPa).
Zalety: sprawdzona i dojrzała technologia, niższe ryzyko regulacyjne, operatorzy znają tę technologię, łańcuchy dostaw są dobrze ugruntowane, a paliwo jest dostępne od wielu różnych dostawców.
Wady: zastosowania ograniczone przez temperaturę (energia elektryczna, para i gorąca woda), wysokie ciśnienia powodują naprężenia mechaniczne i wymagają cięższych struktur obudowy bezpieczeństwa, reaktory wyłącznie ciepłownicze nie mogą wytwarzać energii elektrycznej z uwagi na niską sprawność.
Gen IV:
2. Wysokotemperaturowe reaktory chłodzone gazem (HTGR)
HTGR zazwyczaj wykorzystują uran jako paliwo, grafit jako moderator oraz hel jako chłodziwo — stąd określenie „chłodzone gazem”. Reaktory te mogą osiągać znacznie wyższe temperatury pracy rzędu 700°C–900°C, co jest idealne dla ciepła przemysłowego.
Zalety: wysokie temperatury pracy umożliwiają lepszą sprawność wytwarzania energii elektrycznej oraz zastosowania w wysokotemperaturowym cieple przemysłowym.
Wady: projekt reaktora wymaga zaawansowanych materiałów odpornych na wysokie temperatury, stosunkowo niewielkie globalne doświadczenie eksploatacyjne prowadzi do długich procesów licencjonowania, ograniczona dostępność paliw (TRISO), gabarytowo są większe niż inne SMR (grafit jest gorszym moderatorem w porównaniu np. do wody lekkiej), a także wymagane są duże wymienniki ciepła, ponieważ gaz jest mniej efektywnym medium przenoszenia ciepła niż ciecze.
3. Reaktory na stopionych solach (MSR)
MSR wykorzystują stopione sole jako chłodziwo. Reaktor może być zarówno reaktorem „spalającym” (burning), jak i powielającym (breeding), co umożliwia wykorzystanie toru jako źródła paliwa obok uranu. Temperatura pracy jest poniżej 700°C, choć niektóre koncepcje celują w wyższe temperatury.
Zalety: szereg cech konstrukcyjnych reaktora, takich jak niskie ciśnienie robocze, zapewnia wrodzone pasywne właściwości bezpieczeństwa. Oprócz uranu, MSR mogą wykorzystywać tor jako paliwo, co zmniejsza ryzyko proliferacji i pozwala użyć dotąd niewystarczająco wykorzystywanych zasobów toru.
Wady: stopione sole są silnie korozyjne, a korozyjność rośnie wraz z temperaturą, chemia reaktora jest bardzo złożona, a ograniczone doświadczenie eksploatacyjne wydłuża proces licencjonowania. Cykl paliwowy dla toru jest słabiej rozwinięty w porównaniu do uranu, co powoduje zauważalny brak zdolności produkcyjnych dla paliw torowych.
4. Reaktory chłodzone ciekłym metalem (LMR)
LMR wykorzystują ciekłe metale, takie jak ołów lub sód, jako chłodziwo. LMR można dostosować do pracy jako reaktory powielające. Reaktor pracuje w wysokich temperaturach: dla sodu 500°C–550°C, a dla ołowiu 480°C–800°C.
Zalety: wysoka przewodność cieplna umożliwia kompaktowe konstrukcje z dobrymi marginesami termicznymi, ciśnienie bliskie atmosferycznemu zmniejsza ryzyko awarii związanych z ciśnieniem, szybkie widmo neutronów umożliwia powielanie paliwa, a wysokie temperatury pracy pozwalają na lepszą sprawność wytwarzania energii elektrycznej i zastosowania w wysokotemperaturowym cieple przemysłowym.
Wady: reaktywność chemiczna i złożoność (sód), wyzwania materiałowe (ołów i sód są korozyjne w wysokich temperaturach), ograniczona dostępność paliw (HALEU), ograniczone długoterminowe doświadczenie eksploatacyjne i wydłużone procesy licencjonowania, a także długie harmonogramy rozwoju.
Międzynarodowe Forum Generacji IV (GIF) obejmuje również reaktor chłodzony wodą nadkrytyczną (SCWR) jako projekt Gen IV. W SCWR woda jest podgrzewana i sprężana powyżej punktu krytycznego (374°C, 22,1 MPa), co umożliwia wyższą sprawność wytwarzania energii elektrycznej, jednak wyższe ciśnienia oznaczają również większe obciążenia oraz wymagania materiałowe i komponentowe.
SMR poza energią elektryczną – witaj, ciepło jądrowe
Reaktory Gen IV mają wyższe temperatury pracy → produkcja wodoru poprzez wysokotemperaturową elektrolizę lub cykle termochemiczne oraz ciepło procesowe i para dla przemysłu stalowego, cementowego, chemicznego i naftowego.
Reaktory Gen III natomiast, ze względu na niższe temperatury, mogą być wykorzystywane do ciepłownictwa systemowego, odsalania wody morskiej poprzez odparowanie oraz pary procesowej dla zastosowań niskotemperaturowych, takich jak przemysł spożywczy, celulozowo-papierniczy i farmaceutyczny.
Jednak przesył ciepła na duże odległości jest ekonomicznie trudny, dlatego budowa elektrowni jądrowej w pobliżu odbiorców ciepła staje się koniecznością. Zmniejszony ślad instalacji SMR, lepsze cechy bezpieczeństwa oraz zmieniające się otoczenie regulacyjne sprawiają, że lokalizowanie elektrowni jądrowej bliżej popytu jest bardziej realne niż wcześniej. W efekcie SMR znacząco zwiększają potencjał wykorzystania energii zawartej w paliwie jądrowym, np. w postaci ciepła, które obecne konwencjonalne duże elektrownie jądrowe marnują, koncentrując się wyłącznie na produkcji energii elektrycznej.
Realistyczne harmonogramy
Ogólnie rzecz biorąc, projekty Gen III są bardziej dojrzałe dzięki istniejącemu, szerokiemu zastosowaniu i doświadczeniu, a zatem prawdopodobnie jako pierwsze zostaną wdrożone komercyjnie. Jednocześnie projekty Gen IV są rozwijane i demonstrowane, co nieuchronnie doprowadzi do ich komercyjnego zastosowania w obszarach trudnych do zdekarbonizowania. Choć reaktory chłodzone wodą są zdecydowanie najpowszechniejsze, warto pamiętać, że chłodziwa Gen IV (gaz, stopione sole i ciekłe metale) były badane od wczesnych dni energetyki jądrowej — od połowy lat 40. aż po lata 50. i 60. Faktem jest jednak, że branża energetyki jądrowej jest bardzo konserwatywna i niechętna ryzyku ze względu na potencjalne konsekwencje błędów. Z tego powodu regulacje są jednym z największych czynników zwiększających wymagania w zakresie bezpieczeństwa i nierozprzestrzeniania. Ponieważ projekty Gen IV nie mają obecnie podobnej skali wdrożeń jak reaktory chłodzone wodą, jest bardzo prawdopodobne, że regulatorzy położą dodatkowy nacisk na certyfikację i weryfikację projektów, dostawców, budowy oraz eksploatacji takich instalacji jądrowych, które łączą wiele różnych technologii typu First-of-a-Kind.
Dodatkowo problemem może być dostępność paliwa dla niektórych projektów, ponieważ obecna podaż rynkowa paliw HALEU i TRISO jest dość ograniczona. Inwestycje w zwiększenie produkcji tych paliw wymagają pewności i jasności warunków rynkowych oraz współpracy między dostawcami paliwa a jego użytkownikami. Jednak wiele projektów SMR, takich jak LDR-50, nadal wykorzystuje to samo znormalizowane paliwo LEU, co obecne reaktory wodne ciśnieniowe (PWR), a więc nie są ograniczone dostępnością paliwa.
FOAK i projekty pilotażowe
Ważne doprecyzowanie: kilka SMR już istnieje — Gen III PWR KLT-40S w Rosji oraz Gen IV reaktor chłodzony gazem HTR-PM w Chinach. Dodatkowo w budowie są projekty SMR, takie jak Gen III iPWR CAREM-25 w Argentynie, ACP100 (PWR) w Chinach, BWRX-300 (BWR) w Kanadzie, a także reaktory demonstracyjne Gen IV, takie jak BREST-OD-300 (LMR chłodzony ołowiem) w Rosji oraz Hermes (MSR chłodzony solą fluorkową) w USA. Ponadto wiele reaktorów badawczych na uczelniach i w instytutach badawczych spełnia definicję SMR, podobnie jak reaktory na okrętach o napędzie jądrowym, takich jak okręty podwodne i lotniskowce.
Niektóre startupy technologii jądrowych, takie jak Steady Energy i Blykalla, zdecydowały się zbudować nienuklearną instalację pilotażową, aby zweryfikować symulacje oraz przetestować krytyczne komponenty i systemy bezpieczeństwa w skali rzeczywistej. Dane uzyskane z testów pilotażowych zostaną wykorzystane do walidacji kodów obliczeniowych systemu, takich jak APROS, które modelują instalację referencyjną, tak aby analizy wypadkowe i inne analizy zachowania prowadzone przez modele były wiarygodne i właściwie odwzorowane. Dodatkowo już sama budowa pilotażu wymaga znaczących kompetencji w zakresie zarządzania projektem i dostawcami, a tym samym może zapewnić cenne doświadczenia przed projektem FOAK.
W przypadku Steady Energy projekt pilotażowy LDR-e zostanie zbudowany w wyłączonej z eksploatacji hali turbin B Salmisaari w Helsinkach w Finlandii. LDR-e to pełnoskalowe naczynie reaktora, w którym rdzeń jądrowy zostaje zastąpiony silną grzałką elektryczną, podgrzewającą wodę wewnątrz zbiornika reaktora niezbędną do przeprowadzenia planowanych testów.
Wnioski:
SMR i przyszłość czystej energiiSMR definiuje mniejszy rozmiar, jednak w ramach tej kategorii istnieje duża różnorodność projektów; różnią się one mocą, temperaturą wyjściową, technologią oraz cyklem paliwowym.
Niestety nie istnieje jeden SMR, który rozwiąże wszystkie problemy — dlatego sensowne jest wybieranie najlepiej dopasowanego rozwiązania spośród ponad 100 projektów SMR do konkretnego wyzwania, niezależnie od tego, czy chodzi o dekarbonizację wysokotemperaturowego ciepła przemysłowego, dekarbonizację niskotemperaturowego ciepłownictwa systemowego, czy wytwarzanie energii elektrycznej oraz usługi elastyczności sieci. Dlatego jest więcej niż prawdopodobne, że w nadchodzących dekadach zobaczymy w użyciu wiele różnych SMR.
Obecne trendy wskazują, że wybrane SMR będą budowane, eksploatowane i komercyjnie wdrażane w formie flot. Osiągnięcie tej przyszłości będzie wymagało współpracy wszystkich interesariuszy.