Popularnonaukowe

Tycie reaktory przyklepane. Rzut oka na technologię SMR

Wiele wskazuje na to, że czeka nas renesans energetyki nuklearnej, choć w odświeżonym, miniaturowym wydaniu. A wszystko za sprawą projektu kryjącego się za trzema niepozornymi literkami: SMR.

byAdam Adamczyk

29/01/2023

6 minute read

12 komentarzy

Technologia SMR nie jest już pojęciem abstrakcyjnym. Jest prawdziwa i gotowa do wdrożenia.
dr Kathryn Huff

Amerykańska firma NuScale Power otrzymała certyfikat, oznaczający formalne przyklepanie projektu małego modułowego reaktora jądrowego. Tym sposobem, po ośmiu latach starań i przerzuceniu 12 tysięcy stron dokumentów, NRC (amerykańska Komisja Regulacji Jądrowych) zezwoliła wreszcie na komercyjne wdrożenie technologii, która może stanowić interesującą opcję w czekającej nas transformacji energetycznej. A to oznacza, że hasło SMR (ang. Small Modular Reactors), znane dotąd głównie osobom zainteresowanym energetyką lub fizyką jądrową, już wkrótce wypłynie na szerokie wody debaty publicznej. Chcąc dowiedzieć się czegoś więcej, spróbujmy rozbić ten akronim na części pierwsze i prześwietlić każdą literę z osobna.

Mały

Chodzi tu nie tyle o dosłowne gabaryty urządzenia (choć pośrednio też), co o jego możliwości. Zgodnie z wytycznymi międzyrządowej Agencji Energii Jądrowej (NEA), wyróżniamy trzy kategorie reaktorów zależnie od mocy wyrażonej w megawatach: duże (ponad 700 MW), średnie (300-700 MW) oraz małe (poniżej 300 MW). Czasem mówi się jeszcze o mikroreaktorach, nieprzekraczających 20 MW – stosowanych dziś niemal wyłącznie w charakterze napędów okrętów wojennych lub na potrzeby instytucji badawczych^[1]Jak nasz reaktor MARIA działający pod Świerkiem, choć akurat jego moc wykracza nieco poza kategorię “mikro”..

Ze współczesną energetyką kojarzone są głównie reaktory średnie i duże, przy czym te pierwsze to zwykle wysłużone jednostki, nierzadko pamiętające czasy Reagana i Breżniewa. Nowe, XXI-wieczne elektrownie wznoszone lub planowane w Japonii, Indiach, Chinach, Francji, Wielkiej Brytanii czy Stanach Zjednoczonych, polegają już niemal wyłącznie na potężnych reaktorach wodno-ciśnieniowych o osiągach dociągających do 1700 MW. Za przykład niech posłuży oddany kilka lat temu do użytku chiński kompleks Taishan, składający się z dwóch bloków po 1660 MW każdy. Już teraz pozwala to na produkcję porównywalną z trzecią co do wielkości polską elektrownią węglową w Opolu; a w przyszłości Chińczycy planują postawienie jeszcze dwóch bliźniaczych bloków i tym samym podwojenie tego potencjału.

Modułowy

Pod względem samej wielkości technologia SMR może więc wydawać się powrotem do przeszłości. Reaktory generujące mniej niż 300 MW, wielokrotnie słabsze od tych opisanych powyżej, znajdowały zastosowanie w energetyce nuklearnej właściwie tylko na wczesnym etapie jej rozwoju – w latach 50. i 60. ubiegłego stulecia. Wykonanie takiego kroku wstecz na tej ścieżce ewolucji nie byłoby pewnie zbyt opłacalne, gdyby nie druga cecha SMR-ów, czyli ich modularność.

Jeżeli słowo to przywodzi wam na myśl skojarzenia z popularnymi w Skandynawii domami modułowymi, to pewnie przeczuwacie, w czym rzecz. Budownictwo modułowe zakłada, że zamiast stawiania wszystkiego od zera, cegła po cegle, konstrukcja zostaje zmontowana z kilku gotowych, przywiezionych z fabryki i trzaskanych hurtowo prefabrykatów.

Idea SMR prezentuje się całkiem podobnie. Reaktory mają być stosunkowo małe i oparte o jeden schemat, dzięki czemu ich produkcja zostanie zoptymalizowana, a komponenty mogą schodzić z taśmy centralnej fabryki. Zamiast mozolnego wznoszenia klasycznych, wielgachnych bloków energetycznych, będziemy stawiać kilka bądź kilkanaście reaktorów o mniejszej mocy^[2]NuScale przewiduje na razie możliwość łączenia 4, 6 lub 12 modułów, generujących razem do 600 MW., ale (teoretycznie) tańszych i znacznie szybszych w produkcji.

Elektrownia SMR NuScale — W założeniu elektrownie NuScale mają pozwolić na łączenie do 12 małych reaktorów.

Daje to ciekawą opcję decentralizacji, bo zamiast kumulowania wielu reaktorów jądrowych w jednym miejscu, możemy też uruchamiać je punktowo, dokładnie tam, gdzie są najbardziej potrzebne. To znacząca różnica w stosunku do konwencjonalnych elektrowni, w przypadku których wybór lokalizacji, z uwagi na szereg wymagań (np. dostęp do dużej ilości wody, rygory bezpieczeństwa) oraz rozmiary, zawsze przysparza wielu kłopotów. SMR-y zapewniają pod tym względem większą elastyczność, do tej pory zarezerwowaną dla źródeł OZE.

Reaktor

Fundament działania SMR-ów nie odbiega od ich starszego rodzeństwa. W rdzeniu reaktora nadal mieści się paliwo jądrowe, a kontrolowana reakcja rozszczepiania uranu podgrzewa wodę, która pod ciśnieniem napędza turbinę generującą prąd. Szczegóły konstrukcji wyglądają natomiast różnie w projektach poszczególnych producentów. W przypadku NuScale Power pojedynczy moduł o mocy 50 MW^[3]NuScale mówi też o możliwości podkręcenia mocy projektowanych reaktorów do ponad 70 MW. wygląda z zewnątrz jak pionowa rura o wysokości 23 metrów, średnicy 4,5 metra i masie 640 ton (chyba nie spodziewaliście się czegoś bardziej… kieszonkowego?). Zgodnie z zaleceniami urządzenie powinno zostać zanurzone w basenie poniżej poziomu gruntu, dla zapewnienia dodatkowego bezpieczeństwa przed katastrofami mniej lub bardziej naturalnymi.

A jak to właściwie działa i dlaczego taki reaktor nie musi zajmować olbrzymiego gmachu? Wszystko zaczyna się w rdzeniu, umieszczonym w dolnej części naszej “rury”. To tam znajdują się pręty paliwowe i to tam w razie potrzeby wpadają pręty kontrolne, zdolne do wyhamowania reakcji rozszczepienia. W czasie pracy rdzeń rozgrzewa wodę, która zmienia się w parę i wznosi ku spiralnemu generatorowi. Generator odbiera energię płynu i przekazuje do zewnętrznego obiegu wody (obracającego turbiną), natomiast woda w samym reaktorze kondensuje i pod wpływem grawitacji opada znów do rdzenia, rozpoczynając kolejny cykl.

Działanie małego modułowego reaktora — Do chłodzenia i odbierania ciepła reaktory SMR mają wykorzystywać naturalny obieg nieustannie parującej i opadającej wody.

Konstrukcja została tak zaplanowana, aby była maksymalnie prosta, samowystarczalna i co ważne, nie wymagała zewnętrznych systemów bezpieczeństwa. Mamy tu rzecz jasna standardowe pręty kontrolne, przytrzymywane przez elektromagnesy zasilane z samego reaktora, które w razie jakiejkolwiek awarii spadają do rdzenia – ale właściwie to wszystko. Żadnych dużych pomp, dodatkowych chłodziw, rezerwowych zbiorników, czy zastępczych źródeł energii. Jeżeli uważacie, że brak tych wszystkich zabezpieczeń jest proszeniem się o kłopoty, co do zasady mielibyście rację. Jednak sekret małego reaktora tkwi właśnie w niewielkich gabarytach. Znacznie łatwiej obniżyć jego temperaturę, a umieszczenie w basenie wypełnionym 50 milionami litrów wody gwarantuje, że nawet bez żadnej ingerencji człowieka, rdzeń nie ulegnie roztopieniu.

Nuklearna gruszka na wierzbie?

Zaraz po pojawieniu się newsa o certyfikacie dla NuScale Power kanały społecznościowe przykryła lawina artykułów mocno sceptycznych, żeby nie powiedzieć wrogich, idei SMR. Czytamy w nich, że radykalne innowacje w dziedzinie atomu to nieakceptowalne ryzyko, że próby standaryzacji i skalowania produkcji dotąd zwykle kończyły się porażką^[4]Przywoływany jest przykład projektu Westinghouse AP1000., no i że mały reaktor jądrowy to nadal reaktor, więc jego postawienie zawsze będzie rodzić kontrowersje oraz niepokoje społeczne.

Każdy musi sam rozstrzygnąć, czy taka argumentacja jest dla niego przekonująca, ale nie mogę nie zwrócić uwagi, że na najbardziej zajadłe komentarze natrafiłem na… blogach poświęconych OZE oraz stronach jawnie antyatomistycznych. (Na szczególne wyróżnienie zasługuje portal nuclearconsult.com, który w Nekrologu dla małych reaktorów modułowych połączył SMR-y z bronią jądrową, oskarżył NuScale o kreatywną księgowość i zapewnił, że tak w ogóle to nikt tym wynalazkiem nie będzie zainteresowany. Może brzmiałoby to bardziej wiarygodnie, gdyby cała strona nie była utrzymywana w swojskim klimacie TVP Info, gdzie rolę opozycji odgrywa atom, obwiniany w co drugim nagłówku o całe zło tego świata).

Nie zmienia to faktu, że rozwiązania idealne nie istnieją i przynajmniej dwa argumenty sceptyków należy potraktować poważnie. Po pierwsze, reaktory generujące po kilkadziesiąt megawatów mogą stanowić cenne uzupełnienie naszych potrzeb, ale trudno oczekiwać, aby stały się jednym z podstawowych źródeł energii. Po drugie, wbrew broszurom producentów, ostateczna cena prądu produkowanego w SMR-ach budzi wątpliwości. Niemal wszyscy eksperci twierdzą, że nawet jeżeli sam koszt reaktorów okaże się relatywnie niski, to ich eksploatacja wciąż będzie wymagać ponoszenia wielu kosztów stałych, niezależnych od rozmiarów urządzenia^[5]Na dodatek cena paliwa jądrowego dla SMR jest wyższa niż dla standardowych reaktorów. Wystarczy sobie wyobrazić, że gdybyśmy kiedyś wpadli na pomysł, załatania luki po zamknięciu Bełchatowa SMR-ami, musielibyśmy zamówić aż 90 modułów NuScale. Zakładając, że grupowalibyśmy je po 10 reaktorów, potrzebowalibyśmy dziewięciu osobnych kompleksów, z własnymi budynkami, basenami, inżynierami, fizykami, ochroną i resztą personelu. Przy tej skali potrzeb, opcja wzniesienia jednej konwencjonalnej elektrowni wyposażonej w 3-4 duże bloki wydaje się bardziej rozsądna i ekonomiczna. Według różnych szacunków, koszt kilowatogodziny z SMR może okazać się od 15 do 25% wyższy niż w przypadku pełnowymiarowego odpowiednika.

Oczywiście wiele z przywołanych przestróg oraz obietnic może nie wytrzymać konfrontacji z rzeczywistością. Najważniejsze, aby zrozumieć, że rolą SMR-ów nie jest zrewolucjonizowanie globalnej energetyki, lecz wypełnienie pewnej niszy i dołożenie jeszcze jednej cegiełki do procesu dekarbonizacji. O tym, jak duża to będzie cegła przekonamy się już nie długo, ponieważ pierwszy z sześciu planowanych modułów komercyjnej elektrowni NuScale VOYGR zostanie uruchomiony w Idaho pod koniec obecnej dekady^[6]Już teraz działa na świecie kilka SMR-ów, ale mają one charakter prototypowy. Głośny przykład stanowi chiński reaktor HTR-PM, uruchomiony pod koniec 2021 roku. A w kolejce czekają już następni gracze: brytyjski Rolls-Royce, chiński Huaneng, japońska Toshiba, rosyjski OKBM Afrikantow, TerraPower Billa Gatesa i nie tylko.