Rząd nie powinien porzucać idei budowy małych reaktorów

Ministerstwo Klimatu przedstawiło do publicznej dyskusji zaktualizowana wersję Programu Polskiej Energetyki Jądrowej (PPEJ) zgodnie w wymogiem ustawowym.  Co prawda powinno to nastąpić po 4 latach od opublikowania pierwszej wersji w 2014 roku, ale to nie jest istotne.

Czytaj także: Będziemy budować elektrownie atomowe najszybciej na świecie. Co dwa lata nowy blok

Program pozostaje wierny tezie, że tylko reaktory dużej mocy (powyżej 1000 MWe), tzw. wielko­skalowe są korzystne dla naszego kraju i arbitralnie, bez dyskusji alternatywę małych reaktorów modułowych (SMR) odsuwa do 2040 roku.  Wydaje się, że jest to teza co najmniej dyskusyjna i warto wskazać kontrargumenty.

• Nie można wszystkich małych reaktorów modułowych traktować jednakowo, a według raportu MAEA jest ich ponad 50 koncepcji. Są to tzw. minireaktory o mocy mniejszej niż 15 MWt, które mogą znaleźć zastosowanie w obszarach pozbawionych sieci energetycznej w odległych skupiskach ludzkich i te nas nie interesują, mimo że są w tej chwili np. przedmiotem oceny kanadyjskiego dozoru jądrowego (CNSC).

Mogą one być ciekawe, jeśli w przyszłości zdecyduje­my się na wprowadzenie ciepłownictwa jądrowego.  Są to reaktory o mocy    200-300 MWe, które oparte są na znanych konstrukcjach reaktorów chłodzonych wodą, ale o zmniejszonej mocy i te wydają się najbardziej przydatne w naszych warunkach, gdyż opierają się na doświadczeniach z eksploatacji reaktorów wielkoskalowych.  W tym zakresie są jeszcze inne reaktory innowacyjne (chłodzone ciekłym metalem, z paliwem w postaci płynnej itp.) ale wprowadzenie ich do eksploatacji wymaga jeszcze wielu lat badań.

• Stwierdzono, że komercyjnego wdrożenia małych reaktorów można oczekiwać ok. 2040 r., a tymczasem Departament Energii USA ogłosił w maju br. konkurs na budowę dwóch reaktorów tego typu z terminem realizacji w ciągu pięciu do siedmiu lat, czyli do 2027 r., a jakie to będą reaktory dowiemy się po rozstrzygnięciu konkursu, ale można przypuszczać, że jednym z nich może być reaktor BWRX-300.

• Argumentem przeciw małym reaktorom jest to, że ich sprawność termodynamiczna i większa ilość odpadów promieniotwórczych na każdą megawatogodzinę wyprodukowanej energii (i w niektórych innych, nie wymienionych obszarach) znacząco ustępują reaktorom wielkoskalowym, ale nie dotyczy interesujących nas małych reaktorów wodno-ciśnieniowych.
• Napisano w PPEJ, że modułowość konstrukcji stanowi ograniczenie uczestnictwa wielu przedsiębiorstw w budowie tych reaktorów (produkowanie i składanie mają być w zakładach projektanta) ale właśnie modułowość i liczba budowanych reaktorów wskazuje, że mogą (lub muszą) być budowane w wielu przedsiębiorstwach, a mniejsze wymiary oznaczają, że wiele zakładów będzie mogło podjąć się ich produkcji (przeciwnie niż jest to np. w odniesieniu do turbin i generatorów do zachodnich i rosyjskich reaktorów dużej mocy, które zostały zaprojektowane przez jednego producenta na świecie jakim jest koncern GE).
• Kolejny argumentem przeciw małym reaktorom jest stwierdzenie, że nie możemy czekać 20 lat na uzyskanie doświadczeń eksploatacyjnych reaktorów SMR, ale to nie jest prawdą gdyż można oprzeć się na doświadczeniach eksploatacyjnych reaktorów lekkowodnych o większej mocy, które wynoszą ponad 18 tys. reaktoro-lat i małe reaktory korzystają z wielu rozwiązań technicznych znanych w reaktorach wielkoskalowych, a przede wszystkim z elementów paliwowych które będą uwzględniać nowocześniejsze, bardziej bezpieczne ich wykonanie, a różnica będzie tylko w ich długości.

• Ostatnim argumentem jest to, że oczekiwanie na małe reaktory uniemożliwi Polsce odbudowę likwidowanych mocy i osiągnięcie celów polityki klimatyczno-energetycznej UE, a właśnie jest odwrotnie, gdyż reaktory te uruchomione przed 2033 rokiem pozwolą zastąpić wyeksploatowa­ne bloki w elektrowniach konwencjonalnych i przyspieszyć osiągnięcie celów tej polityki.

MAŁY REAKTOR MODUŁOWY

Terminem mały reaktor modułowy (ang. Small Modular Reactor – SMR) określamy reaktory jądrowe o mocy od 20 do 300 MWe (megawatów elektrycznych) przeznaczone do produkcji energii elektrycznej i/lub ciepła technologicznego.  Zbudowany może być w technologii dobrze znanych  reaktorów chłodzonych lekką wodą (LWR) o mocy zredukowanej do podanego zakresu z wprowadzeniem szeregu ulepszeń konstrukcyjnych zwiększających bezpieczeństwo.  Wśród tych reaktorów rozróżniamy reaktory wodne ciśnieniowe oparte o zintegrowany obieg pierwotny (iPWR) i reaktory wodne wrzące z naturalnym obiegiem chłodzenia.

Do tej kategorii należą też wysokotemperaturowe reaktory chłodzone gazem (HTGR), które dostarczają ciepło technologiczne o temperaturze ok. 600ºC.  Wśród zalet małych reaktorów można wymienić bezpieczeństwo i prostotę konstrukcji, skrócony czas budowy, niewielki koszt inwestycyjny jednego bloku oraz możliwość instalowania blisko odbiorców. Jako poważną wadę podnoszona jest kwestia sfinansowania fabryki takich reaktorów, która produkowała by je seryjnie i w postaci gotowych modułów dostarczała na plac budowy.  Również problemem może być wypracowanie nowych procedur licencjonowania tych reaktorów.  Do tych reaktorów można zaliczyć pływającą elektrownię jądrowa (EJ Akademik Łomonosow) uruchomioną w Rosji w ubiegłym roku.

W tej chwili największą aktywność licencyjną przejawia urząd dozoru jądrowego w Kanadzie (CNSC) rozpatrujący aż 10 różnych konstrukcji (w tym reaktory o mocy poniżej 20 MWe przeznaczone do pracy lokalnej w odległych rejonach dalekiej północy oraz reaktory typowo ciepłownicze). W USA aktualnie podlega licencjonowaniu jeden reaktor ale Departament Energii rozpisał konkurs na częściowe sfinansowanie budowy dwóch reaktorów w ciągu 5-7 lat.

Małymi reaktorami zajmują się znane firmy produkujące duże reaktory jak Westinghouse (eVinci) i GEH Nuclear Energy (BWRX-300), ale w większości są to firmy powstałe dla budowy jednego typu reaktora jak: Holtec Int. (SMR-160), Ultra Safe Nuclear Corporation (MMR), Moltex Energy (SSR), NuScale, U-Battery, X Energy (Xe-100) i inne.

Z jednym stwierdzeniem w PPEJ można się zgodzić, że reaktory wysokotemperaturowe (nie HTR, a HTGR czyli wysokotemperaturowe reaktory chłodzone gazem) nie stanowiąc alternatywy dla wielkoskalowych lekkowodnych bloków jądrowych i mogłyby być wykorzystywane głównie jako źródło ciepła technologicznego o ile okaże się, że spełniają wymagania eksploatacyjne, a projekt badawczy realizowany w Narodowym Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) zakończy się budową reaktora doświadczalnego w ciągu 5-6 lat.

Czytaj także: Dlaczego Polska potrzebuje energii atomowej

Jakie małe reaktory mogą być interesujące dla Polski?

Reaktor LWR (light-water-reactor) oparty na najbardziej rozpowszechnionych na świecie konstrukcjach reaktorów dużej mocy, ale w tym przypadku zredukowanej do 200-300 MWe budowany w dwóch wariantach. Pierwszy to zintegrowany reaktor wodny-ciśnieniowy (iPWR) w którym obieg pierwotny wraz z wytwornicą pary umieszczony jest wewnątrz dużego zbiornika, co znacznie podwyższa bezpieczeństwo eksploatacji eliminując możliwość rozerwania rurociągu pierwszego obiegu i zwiększając ilość wody potrzebą do ewentualnego chodzenia awaryjnego.

Jako realizację projektu można wymienić reaktor SMR-160 firmy Holtec Inn. o mocy 160 MWe, którym zainteresowane są takie kraje jak: Indie, Ukraina i Czechy.

Drugi wariant to reaktor wodny-wrzący (BWR) z naturalnym obiegiem chłodzenia z wyeliminowaniem pomp cyrkulacyjnych jak w reaktorze ESBWR o mocy 1300 MWe, który uzyskał kilka lat temu licencję na budowę wydaną przez amerykański urząd dozoru Jądrowego (NRC).  Chodzi tu o reaktor BWRX-300 firmy GE Hitachi Nuclear o mocy 300 MWe, którym zainteresowana jest Estonia i prywatny koncern chemiczny Synthos w Polsce.

Koncepcja tego reaktora została sprawdzona doświadczalnie w blokach o mniejszej mocy w elektrowniach: Dodewaard w Holandii (55 MWe) i Humboldt Bay w USA (65 MWe).  Prace projektowe dla powyższych dwóch reaktorów są w pełnym toku i rozpoczęta została procedura uzyskania stosownych zezwoleń z urzędów dozoru jądrowego, zatem można oczekiwać, że pierwsze bloki zostaną uruchomione w latach 2027-2028.

Reaktor HTGR (high temperatur gas cooled reactor), który na nowo odzyskuje zainteresowanie przemysłu. Dotychczas zbudowanych zostało pięć reaktorów badawczych i dwa reaktory energetyczne w latach 70-tych ubiegłego wieku i zostały już dawno wyłączone (bloki energetyczne z powodu wystąpienia trudności eksploatacyjnych).

Zalety tej technologii, wynikające z możliwości dostarczania ciepła wysokotemperaturowego do przemysłu chemicznego i produkcji energii elektrycznej oraz zastosowanie bardzo bezpiecznego paliwa spowodowały jej renesans.  Reaktor HTGR dla Polski był już rozważany w ramach strategicznego projektu badawczego NCBR w latach 2011-2014, a następnie przez specjalny Zespół ds. oceny reaktora wysokotemperaturowego powołany przez Ministerstwo Energii w latach 2016-2018.

Czytaj także: Dlaczego duże reaktory atomowe przechodzą do historii?

Obecnie dalej prowadzone są nad nim prace w ramach projektu Gospostrateg-HTR (2020-2022) oraz zawartej umowy o współpracy z Japonią. Realizacja projektu, czyli budowa reaktora przemysłowego będzie zapewne możliwa dopiero w połowie lat 30-tych, jeśli doświadczenia z eksploatacji reaktora badawczego (być może w Świerku) będą pozytywne.

W ostatnim dwudziestoleciu zostały zbudowane jeszcze dwa reaktory badawcze HTGR: w Japonii i w Chinach, które nie dostarczyły wielu doświadczeń eksploatacyjnych, w Japonii reaktor nie pracuje od 2011 roku, a o pracy chińskiego reaktora jest mało doniesień w literaturze.  Wiadomo, że w Chinach trwa budowa dwóch reaktorów energetycznych HTR-PM, które mają pracować na jedną turbinę o mocy 200 MWe z obecnie przewidywanym uruchomieniem w 2021 roku.

Dlaczego mały jest lepszy?

Na podstawie dostępnych obserwacji z ostatnich 10 lat i mimo znanych opinii przeciwników energetyki jądrowej trudno sobie wyobrazić przyszłą energetykę na świecie bez elektrowni jądrowych, które stanowią bezemisyjne źródła energii elektrycznej.

Wizja energetyki nie może być jednakowa dla wszystkich krajów i jest silnie uzależniona od warunków lokalnych.  Na podstawie ogólnie znanych przesłanek dla Polski dominacja energetyki węglowej musi się skończyć, a na jej miejsce wkracza już energetyka rozproszona oparta o źródła OZE w postaci lokalnych lub większych farm wiatrowych i fotowoltaicznych.  Nie można sobie wyobrazić by system energetyczny kraju nie był uzupełniony niezawodnymi źródłami systemowymi.  W najbliż­szym okresie będą to zapewne elektrownie gazowe, a w dalszej perspektywie powinny być to elektrownie jądrowe.  Natomiast by przyspieszyć moment uruchomienia pierwszego reaktora energetycznego w Polsce opowiadam się zdecydowanie za modułowym reaktorem małej mocy, co postaram się dalej uzasadnić.

• Postulowane reaktory SMR mogą być uruchomione w Polsce z niewielkim opóźnieniem w stosunku planowanych terminów uruchomiania za granicą (głównie w USA) i nie wymagają okresu eksploatacyjne weryfikacji konstrukcji, zatem na pewno wcześniej niż w 2033 roku i z wykorzystaniem prowadzonych badań środowiskowych i lokalizacyjnych dla wytypowanych lokalizacji na Pomorzu.
• Budowa mniejszych bloków w rozwiązaniu modułowym jest bardziej opłacalna finansowo, gdyż trwa krócej, kredyt zaciągany jest na znacznie niższą sumę i na krótszy czas, a poza tym kredyt na drugi (następny) reaktor może już być spłacany, gdy poprzedni już pracuje (dostarcza energię elektryczną).
• Posiadanie reaktorów o mniejszej mocy pozwoli na znacznie łatwiejsze dostosowanie się do przerw w dostawach energii elektrycznej ze źródeł OZE, a przy tym reaktory te będą pracować na pełnej mocy z maksymalną sprawnością termodynamiczną.
• Budowa wielu reaktorów o mniejszej mocy znacznie efektywniej zaangażuje polski przemysł wykonawczy niż budowa kilku (obecnie sześciu) reaktorów dużej mocy,
• Jeśli budowa pierwszego reaktora na Pomorzu zakończy się sukcesem (w co nie wątpię) to w tej lokalizacji mogą powstać jeszcze dwa – cztery bloki, a wiadomo, że budowa większej liczby bloków w jednej lokalizacji obniża koszty inwestycyjne.
• Pomyślna realizacja pierwszego reaktora otworzy drogę do budowy następnych dla zastąpienia wycofywanych z eksploatacji bloków konwencjonalnych o mocy 200 MW (zakładam, że będzie kilka takich lokalizacji).

Podjęcie już teraz decyzji o zaangażowaniu się Polski energetykę jądrową, a w tym dokonanie wyboru typu reaktora i jego dostawcy pozwoli na:

• nawiązanie kontaktów z dostawcą technologii na etapie projektowania reaktora i włączenie się w fazę projektowania (gdziekolwiek byłby budowany ten reaktor),
• podjęcie przygotowań do udzielenia licencji na budowę przez krajowy urząd dozoru jądrowego (PAA),
• rozpoczęcie przygotowań polskiego przemysłu do produkcji części konwencjonalnej elektrowni (itp. w oparciu o zdobyte doświadczenia w produkcji generatorów dla EJ Loviisa w Finlandii, dostawy drobnego oprzyrządowania dla wielu różnych elektrowni itp.),
• rozpoczęcie konkretnych przygotowań do budowy pierwszego reaktora, w jednej z wytypowanych lokalizacji na Pomorzu i upewnienie lokalnej społeczności o gotowości do realizacji projektu budowy elektrowni jądrowej.

Kończąc chciałbym wyrazić nadzieję, że przedstawione argumenty dotyczące reaktorów SMR zostaną rozpatrzone przez autorów Programu i poddane rzetelnej ocenie porównawczej w zakresie techniki i ekonomii dla wszystkich dostępnych źródeł energii na przestrzeni wielu lat ich użytkowania (np. 60 lat eksploatacji elektrowni jądrowej).  Poza tym szczegółowe wyniki przeprowadzonych ocen powinny być dostępne wraz z Programem, by każda zainteresowana osoba, a szczególnie pozarządo­wi specjaliści mogli mieć do nich pełny wgląd.

Czytaj także:Czy potrzebujemy elektrowni jądrowej?

Dr inż. Andrzej Mikulski, wieloletni pracownik IBJ i IEA w Świerku, były inspektor dozoru jądrowego w PAA