Spis treści
SMR to określenie, które za sprawą kilku polskich firm trafiło ostatnio na czołówki dyskusji o przyszłości naszej energetyki. Nie rozważając na razie realności tych idei, spróbujmy się przyjrzeć bliżej małym reaktorom modułowym, bo to one kryją się za skrótem SMR. Kiedy i gdzie mogą pojawić się przynajmniej demonstratory tych konstrukcji?
Small Modular Reactor to koncepcja, która na dobre pojawiła się kilkanaście lat temu w odpowiedzi na coraz bardziej widoczne oznaki kryzysu zachodniej branży jądrowej. W USA i Europie nie budowało się wtedy wcale, albo z wielkimi problemami. Problemem było to, że klasyczne duże reaktory jądrowej okazało się za drogie i za skomplikowane, by wybudować je na czas. W takich warunkach kilka amerykańskich firm postanowiło sięgnąć do koncepcji, znanych chociażby z napędu jądrowego w marynarce wojennej.
Niby droższy, ale jednak tańszy
Zgodnie z ogólnie przyjętą nomenklaturą, za reaktor mały uznaje się taki o mocy elektrycznej do 300 MW. Dla przypomnienia, standardowe „duże” konstrukcje mają moc rząd 1 GW, aż po 1650 MW w przypadku francuskiego EPRa.
Moc jednak nie przesądza o zaliczeniu w poczet SMR-ów. Konstrukcja powinna bowiem spełniać przesłanki „modułowości”. W klasycznym bloku jądrowym wszystkie elementy tzw. wyspy jądrowej znajdują się pod obudową bezpieczeństwa. To przede wszystkim sam reaktor w zbiorniku, olbrzymie wytwornice pary i regulator ciśnienia w przypadku reaktora wodnego ciśnieniowego PWR (reaktor wrzący BWR wytwarza parę wewnątrz zbiornika), pompy zapewniające obieg wody, systemy bezpieczeństwa, oraz mnóstwo rur, którymi krążą woda i para.
W przypadku SMR postanowiono wszystkie te elementy: rdzeń, system wytwarzania pary, obiegi wodne, systemy bezpieczeństwa itp. upchnąć wewnątrz zbiornika. Odpadają np. kilometry rur, które potencjalnie mogą zacząć przeciekać, mnóstwo spawów itd. Obudowa bezpieczeństwa może być znacznie mniejsza.
Idea była taka, że ów zbiornik SMR-a można będzie zmontować w fabryce i przywieźć na miejsce budowy w całości. Odpadają niesłychanie skomplikowane, długotrwałe i potencjalnie powodujące opóźnienia prace montażowe. Sama budowa miała być zatem szybsza, prostsza i tańsza.
Oczywiście koszt SMR-a na jednostkę mocy jest wyższy, niż dużego reaktora, gdzie działa efekt skali. Ale z drugiej strony jednostkowy koszt SMR-a jest dużo niższy, a dodatkowo działa efekt seryjnej produkcji Grono firm, gotowych zaryzykować miliard dolarów jest znacznie, znacznie większe, niż tych, które mogą wyłożyć pięć miliardów – tłumaczył nam kiedyś jeden z przedstawicieli amerykańskiego przemysłu jądrowego.
NuScale ma państwowego sponsora
W przeglądzie planów i konstrukcji skupimy się na tym, co się dzieje w USA. Nie tylko z powodu polskiego wątku, prowadzącego za ocean, ale przede wszystkim dlatego, że konstrukcje te to podręcznikowe przykłady SMR, a projekty są najbardziej zaawansowane.
Pierwszym w pełni komercyjnym pomysłem na SMR był NuScale. I to on jest najbardziej zaawansowany, do tego stopnia, że jest miejsce budowy pierwszej jednostki. NuScale skorzystało z niemal 1,4 mld $ dofinansowania Departamentu Energii (DoE) na projektowanie i prace certyfikacyjne.
To zwykły PWR – reaktor wodny ciśnieniowy, tyle że mały, o mocy netto rzędu 60 MW. Jest zamknięty w RPV o wysokości 23 m i maksymalnej średnicy 4,5 metra. Kapsuła ta ma masę 700 ton i na plac budowy ma docierać w trzech częściach do montażu na miejscu. NuScale z założenia ma pracować w zespołach, liczących 6-12 sztuk.
Pod koniec 2020 r. konstrukcja dostała od amerykańskiego dozoru NRC Standard Design Approval, ogólną zgodę na zastosowanie technologii. To otwiera drogę, aby operator – Utah Associated Municipal Power Systems – złożył wniosek o licencję dla projektu w Idaho Falls. Na razie trwają jeszcze badani i analizy terenu. Ostatnio okazało się, że pierwsza „bateria” będzie liczyć nie 12, ale 6 sztuk, przy czym moc netto spadnie z 600 do 462 MW, a to dzięki wyższej niż zakładano dyspozycyjności poszczególnych reaktorów.
Pierwszy z nich ma zacząć działać w 2029 r., cała zespół – w 2030. I to na razie jedyna w miarę pewna data dla amerykańskich SMR. Koszty na razie są mgliste, choć zgodnie ze studium z 2019 r., 12 modułów miało kosztować 2,8 mld $.
Natrium z Billem Gatesem
O wiele bardziej zaawansowanym technologicznie jest projekt Natrium firmy Terrapower i GE Hitachi Nuclear Energy (GEH), w który finansowo zaangażował się sam Bill Gates oraz znany giełdowy inwestor Warren Buffet. Natrium to reaktor IV generacji na szybkich neutronach, a więc z technicznego punktu widzenia zupełnie nowa jakość i nowe wyzwania technologiczne. Ma mieć moc 345 MWe, będzie chłodzony ciekłym sodem i zintegrowany z magazynem energii o mocy 500 MW i pojemności ok. 2,5 GWh.
Terrapower i NRC prowadzą już dialog poprzedzający formalne złożenie wniosków o zatwierdzenie technologii. Firma liczy, że w 2023 dostanie pozwolenie na budowę, a w 2026 licencję na użytkowanie pełnowymiarowego demonstratora. W lipcu Gates i Buffet ogłosili, że elektrownia powstanie w Wyoming – jednym z najbardziej „górniczych” stanów USA. Dokładna lokalizacja ma być znana do końca roku.
Natrium jest obecnie jednym z dwóch projektów, które DoE wspiera na drodze do komercjalizacji. Celem tego rządowego wsparcia jest licencjonowanie, zbudowanie i uruchomienie dwóch różnych modeli SMR w ciągu 5-7 lat. W roku fiskalnym 21-22 dwa projekty, w tym Terrapower dostały po 80 mln $. Tym drugim jest Xe-100.
Xe-100 czyli magiczne kule
To również reaktor IV generacji, wysokotemperaturowy, chłodzony gazem – helem. W dodatku w technologii pebble-bed, która niegdyś już była eksperymentalnie zastosowana w Niemczech i w RPA, ale sprawiała sporo kłopotów. Paliwo ma kształt kul wielkości piłki tenisowej. W uproszczeniu świeże dosypuje się z góry, zużyte wylatują dołem. Kule samoistnie zajmują odpowiednią konfigurację przestrzenną, a gaz chłodzący przepływa pustymi przestrzeniami. Taki reaktor może dostarczać na wyjściu temperatur rzędu 750 stopni Celsjusza. Jest potencjalnie przydatny jako źródło ciepła procesowego, np. dla licznych procesów syntezy chemicznej, wymagających wysokich temperatur.
Tu warto przypomnieć, że budowę eksperymentalnego HTR planuje się w NCBJ w Świerku, a ostatnio wiceprzewodniczącym rady ds. rozwoju reaktorów wysokotemperaturowych został minister edukacji i nauki Przemysław Czarnek. Spowodowało to falę komentarzy, że zajmie się budową „elektrowni atomowych”. Tyleż złośliwych, co fałszywych, bo NCBJ-owy HTR jest projektem stricte naukowym. Dla porządku wspomnijmy, że z Xe-100 konstrukcyjnie będzie miał niewiele wspólnego, bo nie będzie reaktorem pebble-bed, czyli ze złożem ruchomym, tylko z tzw. złożem pryzmatycznym, znacznie bardziej przypominającym klasyczny reaktor.
Xe-100 jest w kręgu zainteresowań kanadyjskiej firm Ontario Power Generation, która ma zamiar zbudować w Darlington w Kanadzie SMR-a. OPG eksploatuje w Darlington elektrownię z 4 reaktorami CANDU. Darlington jest obecnie jedynym w Kanadzie miejscem z zezwoleniem tamtejszego dozoru na budowę nowego reaktora, ważnym do sierpnia 2022. OPG zaś skłania się do SMR-a, a nie kolejnego dużego reaktora. W szranki z Xe-100 staje tam znany już w Polsce BWRX.
Duży się nie sprzedał, może mały pójdzie
BWRX-300 to najnowszy projekt GEH, wywodzący się z długiej linii reaktorów wodno-wrzących BWR, budowanej od lat 50. przez amerykański koncern GE. Przedstawicielami tej linii były kolejne modele BWR, potem opracowany wspólnie z Japończykami ABWR. Reaktory te pracowały w Japonii, ale po awarii w Fukushimie żaden z nich nie został ponownie włączony. Kolejną generacją po ABWR z lat 90. miał być w latach 2000. ESBWR – reaktor o większej mocy, rzędu 1600 MW, ale jednocześnie znacznie uproszczony i z pasywnymi systemami bezpieczeństwa. Mimo zatwierdzenia jego rozwiązań technicznych przez NRC nie znalazł żadnego klienta.
GEH dokonało więc swego rodzaju miniaturyzacji i korzystając z zatwierdzonych rozwiązań stworzyła projekt BWRX-300, czyli małego reaktora wrzącego o mocy 300 MW, pod względem konstrukcji spełniającego definicję SMR.
GEH jest w trakcie certyfikacji rozwiązań technicznych w USA. Dotychczas NRC zatwierdziła trzy z pięciu LTR (Licensing Topical Report), czyli długaśnych dokumentów, szczegółowo omawiających zagadnienia techniczne.
Dla uzmysłowienia sobie o co chodzi przytoczymy niektóre ich tytuły. Np. „Izolacja RPV i ochrona przed nadmiernym ciśnieniem”, przy czym chodzi o izolację hydrauliczną, czyli zabezpieczenie przed ucieczką wody z rdzenia w przypadku LOCA – wypadku z utratą chłodziwa.
Kolejny zatwierdzony LTR to „Kontrola reaktywności”: charakterystyki systemów zabezpieczenia reaktora, mechanizmu kontroli prętów sterujących czy rezerwowego mechanizmu wsunięcia prętów.
NRC ciągle pracuje nad zatwierdzeniem np. metody do badań zachowania obudowy bezpieczeństwa, czy też proponowanego podejścia do projektowania i konstrukcji w części budowlanej. GEH nie chce spekulować, ile czasu zabierze zdobycie zgody NRC.
W USA wysyp małych reaktorów
Omówiliśmy z grubsza zaledwie cztery projekty SMR. Te które mają jakąś teoretyczną szansę na komercjalizację w tej dekadzie. Jeszcze kilka lat temu w tym wyścigu obecny był np. projekt mPower firmy Babcock&Wilcox, ale jakiś czas temu został po cichu skasowany. DoE patrzy jednak dalej i wspiera całą gamę innych projektów.
Z rządową pomocą i z perspektywą budowy demonstratora w okresie 10-14 lat prowadzone są prace nad nad:
- KP-FHR, czyli wysokotemperaturowym reaktorem chłodzonym stopionymi fluorkami firmy Kairos Power;
- eVinci, czyli miniaturowym reaktorem Westinghouse;
- BANR, czyli mikro-HTGR firmy BWX Technologies;
- SMR-160 czyli klasycznym SMR-PWR Holtec Int.;
- MCFR, czyli reaktorem szybkim z chłodzeniem na stopionych chlorkach firmy Southern Company.
W jeszcze dalszej perspektywie, po 2035, DoE wspiera prace rozwojowe i koncepcyjne nad trzema jeszcze bardziej zaawansowanymi pomysłami.
Chińczycy i Brytyjczycy też chcą
Oczywiście nie tylko USA pracują nad SMR-ami. W Chinach latem ruszyła budowa pierwszego reaktora ACP-100, nazywanego też Linglong One. Ten PWR o mocy 125 MWe. Docelowo ma on służyć zarówno do wytwarzania energii elektrycznej, jak i ciepła, pary procesowej oraz jako źródło energii w stacjach odsalania wody.
Rosatom jest na etapie planowania budowy w Jakucji reaktora RITM-200. To model sprawdzony już na atomowych lodołamaczach rosyjskiego koncernu. W Jakucji ma powstać pierwszy stacjonarny, naziemny blok z tym urządzeniem. Na razie jako rok uruchomienia wymienia się 2027.
Do budowy własnego SMR-a przymierza się też brytyjskie konsorcjum pod wodzą Rolls-Royce. Na razie szuka inwestorów, którzy wyłożyli by 300 mln funtów. Zachęcić ma ich obietnica premiera Borisa Johnsona, że projekt dostanie 215 mln funtów publicznego wsparcia. Jednak bliższe szczegóły brytyjskiego projektu nie są jeszcze znane. Rolls-Royce twierdzi, że na Wyspach docelowo potrzebnych będzie ok. 16 SMR-ów.
Mały reaktor a sprawa polska
Przypomnijmy, że w Polsce o SMR myślą firmy prywatne oraz państwowy Orlen. Pierwszy list intencyjny podpisał z GEH należący do Michała Sołowowa koncern chemiczny Synthos. Porozumienie dotyczyło ewentualnej współpracy przy pracach nad reaktorem BWRX..
Kolejny list intencyjny podpisał z GEH Orlen+, a kontrolowany przez Zygmunta Solorza PAK zawarł sojusz z Sołowowem, niedawno przyłączył się do nich także należący do Kulczyk Holding Ciech. PAK zawarł też umowę z amerykańską firmą doradczą IP3, w której aż roi się od nazwisk byłych admirałów US Navy, pracuje dla niej także była ambasador USA w Polsce Georgette Mosbacher.
Niecały rok temu Synthos, wówczas jedynie w towarzystwie GEH wystąpił do polskiego dozoru jądrowego – Państwowej Agencji Atomistyki o pomoc w ustaleniu, co należałoby zawrzeć we wniosku do dozoru o wydanie tzw. ogólnej opinii, co do planowanych rozwiązań organizacyjno-technicznych w przyszłej działalności. Działalnością tą była by budowa i eksploatacja reaktora BWRX-300.
Agencja uznała to za wstępny etap dialogu regulacyjnego. Taki „rozeznanie przedpola” jest powszechną praktyką na świecie, dopuszczaną również przez polskie prawo. Co z tego wyniknie, na razie nie wiadomo. Ale jednocześnie trzeba przyznać, że to jakiś krok do przodu. Którego w dodatku nie wykonali jeszcze potencjalni partnerzy państwa w budowie wielkiego, państwowego atomu.
