Plan Morawieckiego podnosi temperaturę wokół HTR

Zarys programu, zwanego potocznie planem Morawieckiego wspomina o przygotowaniach do budowy – równolegle z elektrownią jądrową – reaktora wysokotemperaturowego (HTR), który miałby być źródłem ciepła procesowego dla instalacji przemysłowej. Plan wicepremiera dopiero co przekazano do konsultacji społecznych, ale ministerstwo energii powołało już specjalny zespół, który ma ocenić krajowy potencjał dla zastosowania tej technologii. Przypadek HTR jest o tyle interesujący, że przystąpienie do poważnych pracy włączyłoby Polskę do technologicznego wyścigu Chin z resztą świata.

HTR czyli wysokotemperaturowy reaktor chłodzony gazem to koncepcja niemal tak stara jak sama energetyka jądrowa. Każdy reaktor jądrowy w pierwszej kolejności wytwarza olbrzymie ilości ciepła, z którego część, w dodatku niewielka, dopiero później zamieniana jest w energię elektryczną. Dzisiejsze typowe wodne reaktory energetyczne (PWR, BWR) mają sprawność rzędu 30 proc. To oznacza, że ponad dwóch trzecich wyzwolonej w postaci ciepła energii trzeba się pozbyć. Warunkiem bezpieczeństwa jest skuteczne odprowadzenie tego ciepła, a jego nośnikiem jest woda. Kiedy zaczyna jej brakować, robi się nieciekawie. Wszystko zależy więc od zapewnienia odpowiedniej ilości wody. Woda pełni też funkcję moderatora czyli spowalniacza neutronów.

W HTR wody nie ma w ogóle. Moderatorem jest grafit, a chłodziwem gaz, zazwyczaj obojętny hel, który jest znacznie mniej kłopotliwy w bardzo wysokich temperaturach niż woda pod ciśnieniem. Choćby dlatego, że niezależnie od warunków, zawsze będzie gazem. Sam reaktor jest tak skonfigurowany, że w razie wzrostu temperatury, reakcja łańcuchowa zerwie się sama. Nic się nie stopi, bo wszystkie elementy i tak są odpowiednio odporne na temperaturę. A urządzenie ostygnie samo, chłodzone chociażby dzięki konwekcji. Bezpieczeństwo zapewniają prawa fizyki, których nie da się „zepsuć”. Oczywiście skonstruowanie takiego reaktora nie jest proste, chociażby ze względu na materiały. Na przykład mocno rozgrzany grafit w kontakcie z powietrzem zapala się, w końcu to czysty węgiel. Ale wyniki badań z USA sugerują rozwiązanie tego problemu poprzez osiągnięcie odpowiedniej czystości grafitu.

Po co w ogóle to wszystko?

Dla uzyskania źródła temperatury od 500 do ponad 1000 stopni Celsjusza, koniecznej do wielu procesów chemicznych. Na czele z reformingiem parowym metanu – czyli produkcją wodoru oraz syntezą amoniaku, czyli fundamentalnymi procesami tzw. wielkiej chemii. Taki zakres temperatur otwiera też drogę do zgazowania wegla czy wytwarzania wodoru w wydajnym cyklu siarkowo-jodowym. Dziś na ekonomice tych procesów mocno waży konieczność spalania dużych ilości gazu ziemnego w celu uzyskania odpowiednio wysokiej temperatury. Oczywiście HTR będzie produkował też energię elektryczną za pomocą turbiny gazowej. Ale w stosunku do rektorów w elektrowniach jądrowych będzie kilkukrotnie mniejszy.

Niemcy, w czasach gdy atom jeszcze cieszył się ich poważaniem, skonstruowali pomysłowy reaktor z tzw. złożem kulowym (pebble bed). W uproszczeniu był to zbiornik z kulami zawierającymi paliwo jądrowe i moderator. Gaz chłodzący przepływał pomiędzy nimi, świeże paliwo „dosypywano” z góry, zużyte kule „wylatywały” dołem. Konstrukcja sprawiała jednak różne problemy, w końcu Niemcy sprzedali licencję RPA i Chinom. Afryka Południowa zaczęła budowę, ale jej nie skończyła. Chińczycy 16 lat temu uruchomili niewielki reaktor eksperymentalny, doszlifowali technologię i teraz kończą budowę dwóch, znacznie większych jednostek, o mocy cieplnej po 250 MW. Na świecie uruchomiono cały szereg eksperymentalnych HTRów, ale jeśli chodzi o budowę kilkuset-megawatowych bloków Chiny są pierwsze. A właśnie tej wielkości HTRy mają rację bytu, również jako potencjalny produkt na eksport. Ponieważ jednak technologia pebble bed wymagała od Chińczyków rozwiązania wielu specyficznych problemów, alternatywną drogą jest tzw. układ pryzmatyczny, bardziej przypominający „klasyczny” reaktor i pozbawiony zaskakujących czasem własności konkurenta..

Ale skąd HTR w planie Morawieckiego?

Otóż polskie instytucje od kilku lat aktywnie uczestniczą w różnych międzynarodowych programach, badających możliwości kogeneracji jądrowej, jak choćby NC2I (Nuclear Cogeneration Industrial Initiative), utworzonemu w ramach europejskiej platformy technologicznej zrównoważonego rozwoju energii nuklearnej SNETP. I gdy kilka miesięcy temu Narodowe Centrum Badań Jądrowych ogłosiło, że zamierza w Świerku zbudować niewielki HTR, było to po prostu konsekwencją kilkuletnich prac badawczych. Od tego czasu NCBJ podpisało list intencyjny z brytyjskim konsorcjum U-Battery, pracującym nad tego typu reaktorem, a ministerstwo energii – nie czekając na finał pracy nad planem Morawieckiego, powołało zespół doradczy do przeanalizowania i przygotowania warunków dla wdrożenia reaktorów wysokotemperaturowych.

Docelowo ma on przedstawić rekomendację najbardziej efektywnej ścieżki wykorzystania możliwości rodzimej nauki i biznesu oraz analizę potencjału rynkowego wdrożenia, produkcji i sprzedaży.
Jak tłumaczył przy okazji powołania zespołu szef Departamentu Energii Jądrowej ME Józef Sobolewski, ministerstwo zdecydowało się na ocenę potencjału HTR przede wszystkim ze względu na jej ogromną wartość dla zastosowań przemysłowych. „Reaktor taki pozwala na wykorzystanie go jako źródła ciepła przemysłowego, co w przyszłości pozwoli na znaczną redukcję importu gazu ziemnego, używane dziś jako źródło ciepła w przemyśle chemicznym. HTR może być swoistą ucieczką do przodu na rynku paliw i energii” – stwierdził Sobolewski. W skład zespołu weszli specjaliści z NCBJ i m.in. firm inżynierskich, jak Energoprojekt-Warszawa czy Prochem. Zespołem kieruje b. dyrektor NCBJ prof. Grzegorz Wrochna, od lat obecny w różnych inicjatywach kogeneracji jądrowej..

„Projekt budowy w Świerku reaktora demonstracyjnego, który byłby „poligonem” dla technologii HTR jest nadal aktualny. Jeśli wszystko poszłoby pomyślnie, jego uruchomienie byłoby możliwe już w 2025 r.” – mówi nam prof. Wrochna.

Wstępnie zdecydowano też ma na układ pryzmatyczny a nie pebble bed. „W reaktorze typu pebble bed trudniej jest przewidzieć pewne parametry jak np. rozkład temperatury, co mogłyby stanowić poważny problem w procesie licencjonowania. Natomiast układ pryzmatyczny jest łatwiejszy do obliczeń, co z pewnością ułatwi uzyskanie zgody na jego budowę i uruchomienie” – tłumaczy prof. Wrochna. I podkreśla, że cała inicjatywa jest rozwijana we współpracy z innymi krajami europejskimi i USA, a ci partnerzy również skłaniają się do układu pryzmatycznego – w odróżnieniu od Chin.

Powołany przez ME zespół spotkał się już też z konsorcjum U-battery, które ma uczestniczyć w projekcie w Świerku i dyskutował różne warianty. Natomiast eksperci NCBJ, Energoprojektu i Prochemu omawiali techniczne założenia projektu reaktora. „W najbliższych tygodniach będziemy rozmawiać z potencjalnymi krajowymi odbiorcami ciepła przemysłowego i zaczniemy rozpoznawać możliwości krajowego łańcucha dostaw. Czas ma duże znaczenie, bo pracujące nad HTR ośrodki amerykańskie oceniają, że poważne decyzje powinny zapaść jeszcze w tym roku, by w przyszłości skutecznie konkurować z Chinami na rynku eksportowym” – podkreśla prof. Wrochna.

Projekt planu Morawieckiego wspomina jednak o budowie reaktorów o mocy cieplnej rzędu 300 MW a kraju. Oczywistym jest, że jednostka taka musi powstać w bezpośrednim sąsiedztwie odbiorcy ciepła. Dużych zakładów chemicznych mamy w kraju całkiem sporo, w dodatku inwestują one całkiem sporo w nowe instalacje. Obecny rząd za jeden z priorytetów uważa dalszą rozbudowę potencjału wielkiej chemii i petrochemii, co w zestawieniu z coraz ostrzejszą polityką ograniczania emisji klimatyczną daje pole przynajmniej do rozważań .

Z dzisiejszych dość ogólnikowych szacunków kosztów, zrobionych także przez U-Battery, wynika, że co prawda jednostkowe nakłady są wyższe, niż w przypadku dzisiejszych reaktorów wodnych, to jednak całe urządzenie jest kilka razy mniejsze, więc i całkowity koszt jest znacznie niższy. Jeżeli jednak odliczymy koszt gazu, którego nie trzeba palić i koszt emisji CO2, to w przyszłości rachunek ten może wyglądać całkiem interesująco dla odpowiednio dużego kompleksu chemicznego czy rafineryjnego.