Malé jaderné elektrárny s malými, či malými modulárními reaktory - co od nich může očekávat Česká republika?

• Foto

Řada projekčních institucí z různých obchodních důvodů své úsilí za poslední léta vzdala, jiné projekty přibyly (NUSCALE, a dva čínské projekty, RITM-200 Ruská federace, svůj návrh má Westinghouse, i když jej těžko nazvat modulárním, varný má v návrhu B&W, svůj projekt mají i Španělé, dokonce velmi podobný NUSCALE) a budou přibývat, bude-li zájem trhu. KLT-40 a jeho následovník RITM-200 byly opakovaně realizovány a uvedeny do provozu na ledoborcích a toho času probíhá licenční proces pro pozemní modifikaci.

Hloubka rozpracovanosti projektů i stadia realizace je různá, u některých chybí na dokončení peníze, a tak vhodným marketingem shánějí jednak sponzory pro pokračování, nebo aspoň potenciální kupce, aby sponzorům mohli sdělit, že obchodní zájem bude. Pokud hovoříme o malých modulárních reaktorech, máme na mysli kompaktní uspořádání, v němž reaktor, parogenerátor a příslušné části „primárního okruhu“ jsou konstruovány jako jediný celek vyrobitelný ve výrobním závodě a díky vhodné velikosti dopravitelný vcelku na staveniště. Kompaktní řešení eliminuje potřebu vnějšího spojovacího potrubí primárního okruhu. Původně šlo ale o řešení pro účely umísťování jako pohonných jednotek v dopravě, kde se s místem musí šetřit. Pro pozemní projekty nemusí být taková kompaktnost výhodou – zejména při provozu a údržbě. Existují i projekty malých reaktorů s klasickým blokovým uspořádáním.

Všechny jsou s integrovanou aktivní zónou a parogenerátorem v jediné tlakové nádobě. Projevem národní hrdosti
je projekt argentinského reaktoru CAREM (jediný reaktor s hexagonálními palivovými soubory na západ od nás).
Jde o modulární reaktor s parogenerátorem uvnitř tlakové nádoby reaktoru, podobný uspořádáním PG do modulů
nikoli nepodobných ruskému KLT-40. Podobnost mezi jednotlivými projekty lze samozřejmě očekávat.

Využití malých reaktorů je předpokládáno zejména ve vzdálených izolovaných lokalitách, které nelze propojit s energetickou soustavou, a vyžadují spolehlivé zásobování elektrickou prací a teplem. Zájem je samozřejmě v Ruské federaci (Jakutsko), ale i v Brazílii, Argentině, Ghaně, Súdánu, Jordánsku a několika dalších afrických zemích s nedostatkem elektřiny.

Cílem tohoto článku není poskytnout informace o všech typech SMR (Small Modular Reactor). Jsou popsány v řadě časopisů a webových stránek. Navíc jsou si mnohé podobné. Smyslem není ani opakovat text marketingových informací od původců. Ponechávám čtenáři, aby si našel potřebnou informaci alespoň ve zdrojích uvedených na konci tohoto článku. Zmiňuji jen rysy zvláštního řešení, které je odlišuje od jiných, a které mohou mít (mají) vliv na realizaci, provoz i údržbu, neboť při výběru projektu je třeba brát v úvahu celý životní cyklus elektrárny. Producenti malých reaktorů (nejen modulárních) lákají na nízké pořizovací náklady, na možnost rozložení investic postupně do řady let. To je však jen pohled z krátkodobého hlediska. Na příkladu dvou z nich – RITM-200 a NUSCALE je ale vhodné se zamyslet, jaké výhody či nevýhody od nich můžeme očekávat v případném provozu a údržbě, i v našem národním hospodářství, pokud by se Česká republika rozhodla malé modulární reaktory stavět.

RITM-200

Realizačně nejdále z projektů uvedených v tabulce je projekt RITM-200, který vyšel z předchůdců pro lodní pohony (např. pro 9 ledoborců s reaktory KLT-40). Rozměry sestavy RITM-200 umožňují dopravu po železnici. Na obr. 2 je sestava jaderného zařízení na výrobu páry RITM-200.

V dolní části integrovaného modulu jaderného zařízení na výrobu páry je reaktor s aktivní zónou, nad aktivní zónou je prostor výstupu horké vody, jímž procházejí tyče pohonů řídících mechanických absorbérů. V horní části po okrajích tlakové nádoby jsou umístěny parogenerátorové moduly (obr. 3), které lze opravovat relativně snadnou výměnou (samozřejmě při odstávce), aniž by byl dotčen celý parogenerátor.

To je řešení z provozních hledisek praktické. Parogenerátorovými moduly proudí chladivo shora dolů a přetlak na teplosměnné trubky ze strany primárního chladiva je vnější. Teplosměnné plochy parogenerátoru jsou u RITM-200 ze slitiny titanu a jsou k dnešnímu dni provozovány už 33 let (projektová životnost byla uvažována 20 let). Výškové umístění parogenerátorů umožnuje odvod 30% výkonu přirozenou cirkulací. V tlakové nádobě reaktoru jsou čtyři sekce parogenerátoru. Každá sestává ze tří kazet. Pára vystupuje čtyřmi kolektory vždy pro tři kazety. Pro ilustraci je na obr. 4 i modul argentinského parogenerátoru CAREM, který se velmi podobá myšlenkou stavebnici, ale má spirálovitě uspořádané teplosměnné plochy. 

Modul jaderného zařízení na výrobu páry je při montáži umístěn do nosné konstrukce obsahující vzduchotechnické chlazení pohybových mechanismů absorbérů a další pomocné soubory. V její dolní části je nádrž sloužící pro případ těžkých havárií jako chladič stěny reaktoru (obr. 5) pro udržení coria v tlakové nádobě, ale i pro vyloučení vzniku kritických hmot při případném protavení paliva z tlakové nádoby.

Tab. 1. – Projekty malých reaktorů, které se t.č. ucházejí o přízeň zákazníků
*) zatímco většina SMR využívá standardního jaderného paliva, RITM-200 má palivo speciálně vyvinuté pro rychlou manévrovatelnost.

Projekt počítá s umístěním dvou reaktorových modulů RITM-200 v jediné hermetické obálce (na obr. 7 uprostřed s výstužnými žebry), tj. dvoublokové uspořádání. Na následujícím obrázku 6 je uspořádání reaktorovny.

Jaderné palivo: Na RITM-200, KLT-40 i dalších modifikacích hnacích jednotek je používáno palivo s U0₂ vázané v matrixu siluminu (= slitina hliníku s křemíkem). V porovnání s tradičním palivem s UO₂ má toto palivo větší vodivost tepla, a proto je jeho vnitřní teplota za plného provozu nižší. Díky tomu je palivo schopno výborné manévrovatelnosti bez obavy z jeho porušení. Pokrytí 42CrNiMo je chrom-niklová ocel. Na rozdíl od zirkoniového pokrytí umožňuje z hlediska životnosti dobu mezi překládkami až 10 let. Negativem je samozřejmě vyšší účinný průřez pro záchyt neutronů. Počet palivových souborů v aktivní zóně je 199 ks, výška aktivní zóny 1 655 mm, max. obohacení U235 19,6% (V České republice povoleno do 20%). V aktivní zóně musí být při takovém obohacení používány vyhořívající jedy. Ty jsou z kompozice Gd-Nb-Zr. Jde o speciální palivo využívané pouze v reaktorech tohoto typu. Tento speciální typ paliva - obr. 8 - je jistou komplikací nejen z hlediska opatřování, ale i skladování použitých palivových souborů po jejich vyvezení z reaktoru. Bude vyžadovat zvláštní konstrukci kontejnerů, odlišných od těch, které dnes známe a máme pro palivo VVER 440 a VVER 1000.

Ekonomické údaje projektanta ukazují, že cena za instalovaný kW výkonu je pro RITM-200 trojnásobná v porovnání s velkým blokem VVER 1200. Pro porovnání: pro VVER 600 (= 600 MWe) je uváděna cena za instalovaný kW 1,6x větší, než u VVER 1200. To byl důvod, proč VVER 600 (ani AP 600) nebyl realizován, ač projekčně připraven.

Na obr. 9 je foto transportu modulu na jeřábu před montáží do ledoborce. Rozměry jsou akceptovatelné i pro dopravu po českých železnicích, kdyby se snad někdy v budoucnosti rozhodlo o realizaci takového bloku. Obrázek ilustruje, že již probíhá realizace a nejde jen o marketing.

NUSCALE

NUSCALE má modul zařízení na výrobu páry rovněž integrovaný v jediné nádobě reaktoru s parogenerátorem. Díky o téměř deset metrů vyšší konstrukci (v porovnání s RITM-200) se může pochlubit chlazením reaktoru přirozenou cirkulací i při provozu na nominálním výkonu. Celý modul je navíc umístěn v ocelovém pouzdru, které tvoří kontejnment - Obr. 11.

V tom se NUSCALE odlišuje od svých konkurentů. Prostor mezi tlakovou nádobou modulu reaktoru s parogenerátorem je za provozu udržován v hlubokém vakuu, čímž bude, podle autorů projektu, eliminována potřeba tepelné izolace tlakové nádoby reaktoru. Popisy funkce bezpečnostních systémů se věnují těžkým haváriím, ale k dnešnímu dni není zmínka o tom, jaký je postup v případě, pokud by došlo ke ztrátě vakua za provozu. Následky takové poruchy by pro zařízení nemusely být příjemné.

Parogenerátor NUSCALE - obr. 12. - "Hellical coil steam generator", tj. parogenerátor se spirálovitě uspořádanými teplosměnnými trubkami.

Z hlediska výměny tepla velmi dobré řešení. Médium sekundárního okruhu bude proudit nuceně uvnitř trubek, přičemž trubky budou pod vnějším tlakem vody primárního okruhu klesající kolem teplosměnných ploch spirálového výměníku v režimu přirozené cirkulace. Nad výměníkem parogenerátoru je malý sběrač páry. Bude zajímavé, jak regulace „hladiny“ v parogenerátoru zvládne zejména režimy změn výkonu. Při tomto konstrukčním řešení však bude kontrola zeslabení stěny teplosměnných trubek metodou vířivých proudů velmi obtížná, ne-li nemožná.

Na obr. č. 13 je dispozice 12modulové elektrárny. Každý z modulů je umístěn v bazénu. Reaktorový bazén je projektován pro seizmickou kategorii příslušné lokality. Pára z každého modulu je vedena do jedné turbíny. Elektrárna má tedy 12 samostatných turbogenerátorů. Reaktorová hala musí mít mohutný jeřáb schopný usazovat těžké moduly při montáži (~700t) a zdvihat části modulu s parogenerátorem při překládkách paliva (~500t). To je mj. důvod, proč tak velký počet modulů. Drahá průvodní, zejména transportní technologická část (ale i potřebné pomocné systémy) vychází hospodárněji, je-li rozpočítána na více (v tomto případě 12) modulů. To ale bude pro provozovatele noční můra.

Jaderné palivo: NUSCALE má používat zkrácené jaderné palivo 17x17 PWR, s UO₂.

Ekonomické údaje od autorů projektu a výrobce jsou pouze, že půjde o „Cost Effective“ řešení. Samozřejmě – ekonomické je to, co stát potřebuje. Pokud je ale k dosažení ekonomické efektivnosti zapotřebí vybudovat baterii dvanácti modulových jednotek v jediné lokalitě, je otázkou praktičnost stavby takových elektráren v porovnání se středně velkým blokem dokonce i v odlehlejších lokalitách, což není případ naší republiky.

Pro NUSCALE probíhá v současné době povolovací proces u jaderného dozoru USA. Stavba prototypu ještě nebyla zahájena. Je plánována na rok 2026.

Úvahy o rozložení investic v případě postupné výstavby a uvádění malých jednotek NUSCALE do provozu se rozplynou, uvážímeli, že pro elektrárnu s dvanácti bloky je třeba postavit celou stavební dodávku najednou a pak montáž všech jednotek do společných prostorů stavby před uvedením první jednotky do provozu. Bylo by bezpečnostně i investičně velmi riskantní, pokud by už někdo chtěl mít první jednotky v provozu (aby už vydělávaly) v době, kdy se v reaktorovně montují další moduly.

Pár společných úvah pro porovnání RITM- 2000 a NUSCALE

Jde-li o otázky úplné výroby modulu v továrních podmínkách, transportu modulu a montáže na stavbě, jsou popisované projekty srovnatelné. Cena za instalovaný výkon však nemůže být srovnatelná s velkými bloky. Koneckonců – to je důvod, proč se velké bloky staví. Ekonomicky efektivní mohou být SMR pouze tam, kde je elektrická práce drahá, např. kde je dnes výroba elektřiny dlouhodobě zajišťována např. dieselgenerátorovými jednotkami.

Účinnost u NUSCALE se uvádí 28%, to je rovněž hendikep. RITM-200 je na tom s účinností na úrovni velkých bloků, tj. 31-32%. Je to dáno jeho vyššími parametry – viz tab.2.

Tab. 2. – Porovnání hlavních parametrů RITM-200 a NUSCALE

Celkově – z hlediska výstavby, provozu a údržby je RITM-200 bezpochyby pro provozovatele praktičtější. Navíc už je realizován a tedy jeho dětské nemoci odstraněny. NUSCALE poskytuje řešení elegantnější vzhledem k využívání přirozené cirkulace v celém rozsahu výkonů. Bude ale potřebovat dostatečný čas na osvojení si provozu a dozrání projektu prototypu po předpokládané realizaci prototypu v roce 2026.

Pokud má Česká republika pokrýt jadernými bloky více než 3000 MW z útlumu bloků uhelných, nedává příliš velký smysl postavit jen jeden velký blok a zbytek nahradit malými bloky. Museli bychom postavit minimálně 36 jednotek NUSCALE!!! To postrádá logiku.

Je možné si představit, že by po naší republice byly, u větších měst s centralizovaným rozvodem tepla, postaveny jaderné teplárny místo těch, které dnes využívají uhlí? Kombinovaná výroba elektřiny a tepla by dávala naději na jisté ekonomické řešení. Např. Ostrava a Ostravsko, které se životním prostředím obětovaly pro celou republiku, by mohly mít o pár kouřících komínů méně, pokud by se zbytek republiky solidárně složil (bez státní podpory se malé reaktory známého typu neobejdou) na vyšší náklady. Pro takový účel se však nehodí NUSCALE se svými dvanácti jednotkami.

A ani RITM-200 se dvěma by pro tento účel nebyl o mnoho praktičtější. Lepším řešením by byl blok středního výkonu - 600 MW, pokud bychom chtěli mermomocí blok menší a ne velký. Nabízí se ale i otázka proč malý nebo i střední blok, když byl pro Severní Moravu plánován (po dokončení Temelína) právě z důvodů zlepšení životního prostředí blok velký (původně 1000MW) v lokalitě Blahutovice. Plány na výstavbu jaderné elektrárny u Blahutovic existují již od 70. let 20. století. Území pro výstavbu elektrárny je dlouhodobě blokováno v celorepublikovém územním plánu. A vyvedení tepla z elektrárny do okolních municipalit, (Hranice, Valašské Meziříčí, Nový Jičín, Studénka, …. i Ostravy) by dalo takovému projektu ekologický i ekonomický smysl.

Pro případ stavby SMR je třeba domyslet důsledky zejména na provozovatele (v našem případě by to musel být ČEZ, a.s., neboť nemáme jiného kvalifikovaného provozovatele jaderných zdrojů), ale i státní dozorové orgány. Distribuované jaderné teplárny by zvýšily počet lokalit pod jaderným dozorem, fyzicky chráněných objektů atd. To vše by mělo být kvalifikovaně domyšleno v případné revizi Aktualizované Státní energetické koncepce (ASEK). Ta s malými reaktory nepočítala, a pokud bude pečlivě promyšlena, lze těžko očekávat opak.

Závěr

Existuje Státní energetická koncepce (SEK), která byla řadu let vytvářena vysoce kvalifikovanými pracovníky v oboru energetiky, byla aktualizována (ASEK), přijata vládou a potvrzena ve své platnosti. ASEK je stále platným dokumentem, jehož plnění směřuje mimo jiné k plnění našich mezinárodních závazků.

Od doby zpracování a schválení ASEK nedošlo k žádným převratným vědeckým poznatkům, které by opravňovaly k zásadní revizi tohoto dokumentu. Jde o vyvážený koncept pro českou energetiku, v němž mají své místo obnovitelné zdroje, plynová i zbytková uhelná energetika.

Chytrá technická řešení vždy budí inženýrský zájem a obdiv inženýrů. Týká se to samozřejmě i malých modulárních reaktorů. Je-li však nasměrování k malým modulárním jednotkám v České republice dáno představou potřeby regulace energetické soustavy, je potřebné říci, že dnešní velké reaktory to umějí také a levněji - v režimu primární, sekundární i terciální regulace. Umí to i temelínské bloky. A specialisté ČEPS (člen ENTSO-E: Evropské sítě provozovatelů přenosových soustav elektřiny) malé jaderné bloky nepožadují; nejsou z hlediska stability české přenosové soustavy potřebné.

Zdroje informací pro článek:

1. Status of Advanced Light Water Reactor Designs 2004 IAEA Tecdoc Series No. 1391, IAEA 2004 http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/te_1391_web.pdf 
2. https://www.NUSCALEpower.com/ 
3. https://www.nrc.gov/reactors/new-reactors/design-cert/NUSCALE.html 
4. NUSCALE Plant Design Overview (NP-ER-0000-1198, rev. 0, August 2012)
5. Conceptual Design of Small NPP with RITM-200 Reactor (V. V. Petrunin, Yu. P. Fadeev, N. Pakhomov, K. B. Veshnyakov, V. I. Polunichev, I. E. Shamanin) Atomic Energy April 2019, Volume 125, Issue 6, pp 365–369) 6. 3 x Prezentace Rosatomu,
6. http://www.niiar.ru/sites/default/files/safety20/62_prezentaciya_asmm_niiar-zaharychev_eng.pdf
7. Osobní sdělení 
8. V článku jsou použity obrázky z prezentací firem i otevřených internetových zdrojů.

Autor

• doc. Ing. Hezoučký František Ph.D.