Malé modulární reaktory, část I

Modulární reaktory jsou novým trendem na poli jaderné energetiky. Přesto, že se tento fenomén teprve rozrůstá, může v budoucnu přinést zajímavé informace a provozní zkušenosti. V následujících článcích  shrnu základy SMR reaktorů.

Malé reaktory bývají často zkráceně nazývány SMR, tato zkratka má hned dvě definice. Podle IAEA zkratka znamená „Small and Medium Reactors“ čili reaktory malého a středního výkonu, tj. s výkonem do 700 MW elektrických. Druhou definici poskytuje americké ministerstvo energetiky (US DOE), podle které SMR znamená „malé modulární reaktory“, které jsou vyráběny v továrně a na místo určení jsou dopraveny jako jeden díl.

Vývojem malých modulárních reaktorů se zabývá velké množství států jako je USA (mPower, NuScale, W-SMR, SMR-160, EM2, GT-MHR a další), Kanada (StarCore Nuclear), Francie (Flexblue), Itálie (IRIS), Indie (PFBR-500, PHWR-220, AHWR300-LEU), Čína (HTR-PM, ACP-100), Japonsko (DMS, IMR, GT-HTR300), Korea (SMART), Argentina (CAREM-25), Jižní Afrika (PBMR-400, HTMR-100) a Rusko (VK-300, ELENA, KLT-40S, SVBR-100, BREST300-OD, VBER-300, VVER-300, a další). Umístění reaktoru velmi záleží na jednotlivém typu, může být nadzemní, podzemní, nebo jako plovoucí elektrárna.

Hlavními důvody výstavby modulárních reaktorů jsou jejich snadné zapojení, jednoduchost výstavby a provozu a zejména pořizovací náklady. SMR jsou možností pro investory, kteří nechtějí na několik desetiletí ztratit informace o svých investicích, nehledě na to, že investice do velkých elektráren jsou v dnešní době považovány za velmi riskantní. Pokud bychom však chtěli srovnávat cenu modulárních reaktorů, pak jistě bude poměr cena/výkon u malých reaktorů vyšší, než u velkých stanic, ale výhoda pořizovacích nákladů tento deficit pravděpodobně částečně vykompenzuje.

Další významnou kladnou vlastností malých reaktorů je možnost provozovat je

podle požadavků elektrické sítě v tzv. režimu load-follow. Většina stávajících jaderných reaktorů velkého výkonu není uzpůsobena k tomuto provozu z několika příčin: hlavní cirkulační čerpadla nejsou schopna měnit otáčky v závislosti na požadovaném výkonu a v případě provozu na nenominálním výkonu dochází k nerovnoměrnému využívání paliva. Výjimkou jsou francouzské elektrárny, jelikož zastupují velké procento dodávaného výkonu.

Palivo je v malých reaktorech plánováno na několik let, není výjimkou, že palivová kampaň může trvat i několik desetiletí. Tato vlastnost má své pozitivum ve vyšším procentuálním využití elektrárny, na druhou stranu jsou během plánovaných odstávek na jaderných elektrárnách prováděny revize a opravy komponent, které by se u SMR reaktorů prováděly méně často, či za provozu.

Koncepty vhodné ke stavbě

Některé projekty vychází z konceptů lehkovodních reaktorů, avšak pro zmenšení půdorysné plochy jsou koncepty řešeny integrálně (aktivní zóna, parogenerátor a kompenzátor objemu jsou v jednom celku, většinou umístěny nad sebou). Mezi takové projekty patří například koncept W-SMR od Westinghouse, mPower od Babcock Wilcox, či projekt NuScale).

mPower

mPower, integrální tlakovodní koncept od amerického výrobce Babcock & Wilcox. Prozatím se jedná o návrh SMR systému, ale žádný není ve výstavbě. Plánovaný tlak v systému bude pouze 14,1 MPa při teplotě 320 °C. Malý reaktor o výkonu 500 MW tepelných a 150 MW elektrických bude poháněn uranovým palivem s obohacením 5 %. Palivový cyklus je plánovaný 4letý. Uvnitř celé nádoby se nachází aktivní zóna, nad ní jsou umístěny parogenerátory s přímými trubkami a nad ním kompenzátor objemu. Celkově bude mít nádoba, uvnitř které bude reaktor, parogenerátory a cirkulační čerpadla, průměr 3,6 m a výšku 22 m.

Projekt byl vyvíjen v alianci Babcock & Wilcox a Bechtel od roku 2009. V roce 2012 byla podána žádost o výstavbu a v roce 2013 byla podána žádost o certifikaci, ve stejném roce také společnost Babcock & Wilcox chtěla prodat většinový podíl na systému mPower, ale nenašli kupce. V roce 2014 společnost změnila investiční plán a snížila rozpočet na 15 milionů dolarů ročně. V roce 2017 se Bechtel stáhla z aliance s odvoláním se na neschopnost nalézt kupce a rozvojový projekt byl ukončen.

NuScale

Opět se jedná o koncept integrálního lehkovodního reaktoru s plánovaným tlakem v systému 12,8 MPa a plánovanou životností 60 let. Pokud bychom porovnali výkon NuScale a mPower, NuScale bude dodávat pouze 1/3 výkonu mPower (45 MW elektrických) a palivový cyklus bude pouze 2letý. V průměru má mít nádoba s reaktorem a parogenerátory 4,5 m, na výšku přibližně 23 m. Důvodem proč je tento reaktor v porovnání s mPower tak velký a má tak nízký výkon je, že voda chladící aktivní zónu cirkuluje přirozeně bez použití hlavních cirkulačních čerpadel. Je tedy nemožné, aby se reaktor přestal chladit vlivem ztráty napájení.

31. prosince 2016 společnost NuScale předložila první žádost o certifikaci americkému regulačnímu úřadu (NRC). Celý certifikační proces měl trvat přibližně 42 měsíců. Společnost NuScale předpokládá, že v roce 2019 se objeví první žadatelé o tento typ reaktoru a souběžně s licenčním řízením začne výstavba prototypových jednotek. První elektrárna s tímto reaktorem by pak měla být uvedena do provozu v roce 2026. 

V tomto článku byly shrnuty základní výhody malých elektráren. Zejména snížené riziko při financování výstavby elektráren, dále pak kvalitnější stavba reaktorových systémů, které jsou sestavovány ve fabrikách a nakonec mnohem jednodušší obsluha a delší palivový cyklus. Malé modulární reaktory mohou být velmi lukrativní pro některé země díky odlišnému financování od velkých bloků. Zejména jsou vhodné do oblastí, kde by velká elektrárna o elektrickém výkonu přes 1000MW byla zbytečná. V dalším článku budou uvedeny další koncepty malých reaktorů a nakonec také koncept plovoucí elektrárny Akademik Lomonosov.

Zdroje: www.forbes.com

              http://www.nuscalepower.com

              http://www.westinghousenuclear.com

              https://neutronbytes.com

              http://atominfo.cz

              http://www.okbm.nnov.ru