Jaderné energetické technologie: zmenšování a modularita

Dlouhá a užitečná cesta civilní jaderné energetiky

Dnes pracuje na světě 440 reaktorů s celkovým výkonem 390 GW_e, 60 je ve výstavbě a doposud mají za sebou kumulativních více jak 16 000 let provozu a kolem 66 000 TWh vyrobené elektrické energie. To kromě jiného znamená, že se vyrobila energie bez vypuštění zhruba 40 GT (miliard tun) CO₂ do ovzduší. Jde sice o kumulativní čísla, ze kterých nelze přímo vyvozovat dnešní koncentrace CO₂, nicméně se ví, že jedna GT CO₂ zvyšuje koncentraci v atmosféře o 0,13 ppm.

Z ekonomických důvodů rostl výkon bloků. V sedmdesátých a osmdesátých letech byl ve stovkách MW_e, postupně se dostal přes tisíc MW_e, což je dnes považováno za standard pro nové bloky. Velké reaktory plní ve společnosti závislé na energii velmi dobře řadu funkcí: bez produkce CO₂ vyrábějí stabilní zatížení (base load), a to bezpečně a s nejmenším počtem úmrtí na vyrobenou jednotku energie (viz tabulku).

Při výstavbě nových bloků s vysokými výkony se v posledních letech potkávají významné ekonomické a společenské vlivy globalizovaného světa. Změny klimatu se staly katalyzátorem zavádění nových bezuhlíkových technologií, které jsou však vesměs v produkci energie časově proměnlivé, prostorově distribuované a jako všechny nové technologie vyžadují významné investice k překonání úvodních rizik známých jako „údolí smrti“ mezi vývojem (těžko slibovat návratnost investice) a implementací (těžko garantovat dlouhodobou udržitelnost vůči konkurenčním technologiím).

Politická agenda postavená na reálné celosvětové hrozbě změny klimatu tuto bariéru významně snižuje. Za to však platíme vysokou cenu: zastavuje se proud investic do stávajících technologií, které kvůli dotacím do obnovitelných zdrojů přestávají být konkurenceschopnými.

Tím ale vzniká začarovaný kruh, ba smrtící spirála, kde zvýšení výkonu obnovitelných zdrojů energie vyžaduje stejný záložní výkon standardních zdrojů (pro fotovoltaiku pro noc a pro větrné elektrárny pro případ bezvětří) při snižování jejich rentability až na úroveň, kdy trh dostává zaplaceno od producentů energie za distribuci vyrobené energie.¹⁾ Druhou možností je ukládání energie; zde ovšem zdaleka nedosahujeme požadovaných kapacit a nákladů, zejména co se týče zálohování v řádu stovek GWh. Jedinou bezuhlíkovou alternativou obnovitelných zdrojů energie pro zajištění základní spotřeby sítě je přitom energie jaderná. Její nevýhodou při stávající velikosti bloků je obtížná manévrovatelnost s výkonem.

Se zvyšujícími se požadavky na bezpečnost se nejen prodlužuje délka výstavby, ale rostou finanční náklady na zajištění investice. Nepředvídatelnost budoucích výnosů na dobu několika desítek let zásadně ovlivňuje investiční rozhodnutí. Pokles ceny ropy kolem let 2008–2010 významně ovlivnil cenu elektrické energie a pokles ceny povolenek CO₂ zase zvýhodnil staré uhelné zdroje vůči jaderným. Tím se staly investice do velkých jaderných technologií v podmínkách tržní ekonomiky obtížnými.

Výsledkem je, že většina nových reaktorů se staví v zemích rozvojového světa, zejména tam, kde existuje přímá provázanost vlády a průmyslu a kde existuje jenom částečná závislost investičního rozhodnutí na ekonomických predikcích projektu. Často se tak děje z důvodu absolutní potřeby nových zdrojů, ideálně neprodukujících emise včetně CO₂ – což je například případ Číny nebo Indie.

Koncem devadesátých let se začaly formovat představy a plány na zlepšení důležitých parametrů štěpných jaderných technologií, zejména ve vztahu k radioaktivnímu odpadu, účinnosti a dalšímu zvýšení bezpečnosti. Výsledkem byly programy rozvoje reaktorů čtvrté generace (Gen IV). Tyto programy rozvíjejí tlakové (tlakovodní nebo plynem chlazené) i beztlakové (roztavené těžké kovy, sodík nebo tekuté soli) technologie pracující s teplotami od 450 °C až po 900 °C pro plynem chlazené reaktory.

Zároveň je většina konceptů postavena na využití rychlých neutronů a dosahujících menšího objemu odpadu a řádového zmenšení množství nuklidů s dlouhými poločasy rozpadu. To vše způsobilo rozkvět vědeckých oblastí vztahujících se k vývoji a provozování reaktorů čtvrté generace. Nastal mohutný rozvoj technologií výroby paliva se zvláštním důrazem na rozvoj materiálů paliva a jeho pokrytí.

Pro pokrytí paliva jsou vyvíjeny nekovové kompozitní materiály (například SiC), které umožňují využití vyšších teplot a mají významně lepší teplotechnické vlastnosti. Pro tlaková a beztlaková prostředí se vyvíjejí konstrukční materiály do teplot blízkých 1000 °C, které zároveň musí odolat dlouhodobému provozu v chemickém prostředí chladiv.

V České republice byl vyvinut MONICR jako konstrukční materiál pro technologie založené na roztavené soli buďto jako chladivu, nebo soli, ve které je rozpuštěné palivo.²⁾ Naše země je také významným aktérem ve vývoji plynem chlazeného rychlého reaktoru ALLEGRO, pro který v současné době Centrum výzkumu Řež finalizuje termohydraulickou smyčku pro bezpečnostní experimenty a připravuje řadu experimentálních zařízení pro zkoušky in situ ve výzkumném reaktoru.

Odpověď na nové paradigma

Zemětřesení, tsunami a následná havárie v jaderné elektrárně ve Fukušimě měly pro jadernou energetiku několik významných důsledků. Ačkoli zátěžové zkoušky provedené ve většině jaderných elektráren na světě prokázaly vysokou odolnost vůči externím vlivům, identifikovaly zároveň další možnosti zvýšení bezpečnosti. To vedlo k novým požadavkům na zajištění jaderných zdrojů ve výstavbě a přispělo k prodloužení jejich výstavby.

Některé země od rozvoje jaderné energetiky odstoupily. Zájem dalších o výstavbu reaktorů se snížil nebo stavba opustila seznam priorit. Za této situace se silně zintenzivňují diskuse kolem malých reaktorů. Byly navrhovány již v prvních letech tohoto století na úrovni výkonu pod 300 MW_e, nicméně až do fukušimské havárie byly jenom okrajovou variantou rozvoje jaderné energetiky a jednou z mnoha možných. V posledních přibližně pěti letech se technologie malých modulárních reaktorů razantně rozvíjejí. Zároveň se naplňuje i druhá důležitá část rovnice – k nabídce se vytváří také poptávka.

Malé modulární reaktory jsou jaderné systémy založené na bázi štěpení, které jsou připraveny v továrně v modulech a poté převezeny a sestaveny na místě budoucího reaktoru. V projektech, jež je dnes rozvíjejí, je pokrytá škála výkonů od jednotek MW_e (tzv. mikroreaktory) až po 300 MW_e.

Jedná se buď o tlakovodní technologie, které se v principu neliší od technologií stávajících, nebo nevodní technologie – zejména chlazení aktivní zóny tekutými těžkými kovy (např. olovo nebo olovo–vizmut), plynem (helium) nebo roztavenou solí (například sůl FlIBe, fluorid lithný a berylnatý, ⁷LiF-BeF₂). Dalším konceptem jsou reaktory na bázi rychlých neutronů, například molten salt reactor (MSR), ve kterém je palivo rozpuštěno v roztavené soli. Tento technologický princip je znám už od šedesátých let, kdy byl vyvíjen pro pohon letadel a měl „odpracováno“ 6000 hodin.

Malé modulární reaktory slibují řadu vlastností, které je předurčují pro nové energetické paradigma:

• Rychlá výroba modulů u výrobce a jejich doprava a montáž na místě významně zkracují dobu pro uvedení do provozu, a tak zlevňují náklady na projekt.
• I při očekávaných jednotkových cenách (cena/instalovaný výkon) vyšších než u velkých zdrojů umožní řádově absolutní nižší cena zapojení širšího portfolia investorů a omezí nutnost institucionálního financování nebo záruk, které známe například z Velké Británie.
• Malý jednotkový výkon umožňuje využít jaderné reaktory také pro regulaci sítě s významným podílem obnovitelných zdrojů. Větší množství malých reaktorů v síti umožní jejich vypínáním regulovat síť – což je ekonomicky podstatně průchodnější, než je tomu u velkých zdrojů.
• Všechny nevodní technologie kladou důraz na vyšší teplotu systémů a tím i na vyšší účinnost.
• Systémy pracující na velmi vysokých teplotách – jako například reaktor chlazený heéliem poskytující výstupní teploty kolem 900 °C nebo solí chlazený reaktor (až 700 °C) – jsou ideálními kandidáty pro zdroj vysokopotenciálového tepla, použitelného v chemickém průmyslu nebo pro ukládání energie do vodíku vysokoteplotním rozkladem vody.
• Beztlakové systémy (olovo, soli) zvyšují pasivní bezpečnost již dnes extrémně bezpečných systémů.
• Některé systémy, například roztavenou solí chlazený reaktor (FHR), vykazují negativní závislost reaktivity na teplotě (při růstu teploty se štěpná reakce utlumuje), což představuje významný pasivní bezpečnostní prvek.

Technické výzvy

Široké spektrum technologií určených pro malé modulární reaktory je pro jejich návrhování technickou a vývojovou výzvou.

Zmíněné vysoké teploty a v některých případech chemicky agresivní prostředí chladicích médií vedou výzkum vhodných materiálů do oblastí niklových slitin. Zde je nutné potvrdit dlouhodobou stabilitu jejich mechanických a korozních vlastností. Materiály jsou zkoušeny v experimentálních smyčkách obsahujících příslušná prostředí, ideálně také v prostředí výzkumného reaktoru pro posouzení vlivu toku neutronového záření.

Důležitým aspektem využitelnosti malých modulárních reaktorů je dlouhá perioda mezi výměnou paliva. Ta snižuje provozní náklady, ale umožňuje provozovat zařízení také v oblastech bez vybudované infrastruktury. Proto je potřeba dosáhnout optimálního vyhoření paliva při jeho nezměněných bezpečnostních charakteristikách.

Významné požadavky budou kladeny rovněž na samotný proces licencování technologií malých modulárních reaktorů. Nesmí dojít k snížení bezpečnostních standardů v oblasti jaderné bezpečnosti, fyzické bezpečnosti a v oblasti ochrany jaderného materiálu (safety, security and non-proliferation). V současné době se na rozvoj malých modulárních reaktorů aktivně připravují v USA, kde úřad Nuclear Regulatory Commission již přijal zásady licencování tlakovodních malých modulárních reaktorů a připravuje tyto zásady pro nevodní technologie. Pro vývoj těchto standardů se provádí řada výzkumů.

Modularita reaktorů znamená jejich výrobu po modulech ve výrobních závodech a relativně rychlou montáž a instalaci na místě. Takto vytvořená ekonomická výhoda (snížení ceny investičních prostředků) musí být ale podložena použitím sofistikovaných strojírenských technologií. Příkladem je využití obráběcích strojů schopných s vysokou přesností a ve více osách vyrábět komplexní velké moduly, dokonale zvládnout svařování elektronovým svazkem, práškové metalurgie kombinované s vysokotlakým izostatickým lisováním nebo využití virtuální reality. To jsou současně příležitosti, jak významně posunout produkovanou přidanou hodnotu ve strojírenství.

Obchodní, bezpečnostní a sociální příležitosti

Koncepty malých modulárních reaktorů v současnosti aktivně rozvíjejí zejména USA, Rusko a Čína. Spojené státy investovaly prostřednictvím ministerstva energetiky téměř půl miliardy dolarů do rozvoje konceptu NuScale a mPower (tlakovodní systémy). Program NuScale požádal koncem roku 2016 o licenci k výstavbě technologie. Paralelně se rozvíjí systém reaktoru s palivem rozpuštěným v roztavené soli (MSR) firmou Terrestrial Energy. Ta oznámila plán požádat o licenci v roce 2019. Rusko staví na sibiřské Čukotce malý plovoucí reaktor KLT-40S, vycházející z technologie již ověřené z ledoborců. Do provozu má být uveden v roce 2019. Čína vyvíjí řadu technologií malých modulárních reaktorů, zejména plynem chlazených (HTR), chlazených roztavenými solemi (FHR) a solných (MSR).

Velká Británie vypsala v roce 2016 veřejnou soutěž na návrh technologií malých modulárních reaktorů pro britský trh. Britská vláda podporuje rozvoj těchto reaktorů jako technologie schopné pružně vyrovnávat fluktuace na trhu energií, ale také jako municipální a průmyslový zdroj energie. Zároveň tím sleduje obchodní příležitost pro britský průmysl, který má dlouhodobé tradice v jaderné oblasti. Britové vytvořili pro tento účel velmi strukturovaný systém plánování a podpory rozvoje technologií malých modulárních reaktorů, včetně zakládání národních laboratoří (National Nuclear Laboratories) a specializovaných laboratoří a institucí pro rozvoj a sdílení znalostí (např. Nuclear Skills Academy).

Analýza, kterou na objednávku britské vlády provedla poradenská společnost EY, ukazuje, že proti velkým zdrojům lze u malých modulárních reaktorů dosáhnout významného snížení nákladů na stavbu dalších reaktorů (NOAK – Next of a Kind) ve srovnání s prvním (FOAK – First of a Kind)³⁾ a že řada firem je připravena spustit provoz tlakovodního malého modulárního reaktoru ve Velké Británii do roku 2028. Nevodní systémy jsou plánovány po roce 2030. O strategické předvídavosti a malé závislosti politického rozhodování na politických cyklech ve Velké Británii svědčí konsenzus směřující k NOAK jako technologii, která dlouhodobě podpoří schopnost britského průmyslu dodávat tyto systémy do celého světa, a to zejména u nevodních technologií po roce 2030.

Tyto technologie, a především ty beztlakové (olovo, soli), mají významný potenciál pro naplnění dalšího smyslu malých modulárních reaktorů: přivedení zdroje energie do oblastí bez existující infrastruktury. Může jít o lokality v řídce osídlených oblastech Aljašky, Sibiře nebo Kanady. Na druhé straně trpí významná část rozvojového světa problémy, jejichž společným jmenovatelem je nedostatek použitelné energie ve formě elektřiny, tepla nebo chladu.

Zdroj energie pak znamená přístup k pitné vodě získané z mořské nebo čištěním nečistých vod, vyšší bezpečnost (světlo!), udržení nebo vytvoření místního průmyslu a tím i zajištění práce pro obyvatele lokality. Pro ně může znamenat vytvoření alespoň minimálních podmínek pro důstojný život.

Česko a malé modulární reaktory

Již koncem devadesátých let začal v Ústavu jaderného výzkumu (ÚJV) v Řeži výzkum solných technologií. Postupně pokryl program problematiku chemie fluoridových roztavených solí a experimentální stanovování jejich neutronických vlastností, zejména v souvislosti s unikátním řežským reaktorem LR-0. Centrum výzkumu Řež (CVŘ), které tento výzkum garantuje, spolupracuje velmi intenzivně s kolegy v amerických národních laboratořích, zejména s Oak Ridge National Laboratories.

Mezivládní dohoda mezi ČR a USA umožnila, že v reaktoru LR-0 je zkoušena originální sůl FLIBE s izotopem Li⁷, který je v přírodě zastoupen pouhými 7,5 procenta, ale má pro reaktor chlazený tekutými solemi (FHR) rozhodující vlastnost: na rozdíl od přírodního izotopu Li⁶ neutrony nepohlcuje, ale moderuje, a tím umožňuje kontrolovanou řetězovou štěpnou reakci.

V České republice byl v rámci stávajícího výzkumu společností COMTES vyvinut materiál MONICR, který je předmětem kvalifikace pro uplatnění v reaktorech typu FHR nebo MSR. V současné době probíhají v CVŘ a v ÚJV vývojové práce v oblasti modelování aktivní zóny reaktoru FHR a rozvíjejí se návrhy v oblasti generování elektrické energie v systému malého modulárního reaktoru a v oblasti zajištění jeho bezpečnosti.

Příležitost pro český průmysl

Malé modulární reaktory představují nový směr rozvoje jaderných technologií pro produkci energie – elektrické i tepelné – pro municipální a průmyslové využití. Jejich vývoj se zintenzivňuje a nabízí příležitosti k uplatnění v Česku tradičních znalostí a oborů spojených s jadernými technologiemi s přesahem do dalších oblastí strojírenství, které tak může navázat na nejlepší tradice svého působení pro jadernou energetiku.

Malý modulární reaktor může být produktem strojírenství, který najde uplatnění v různých částech světa v oblastech bez infrastruktury. Současně představují tyto reaktory příležitost pro novou generaci inženýrů a techniků a tím také příležitost udržet a rozvíjet jaderné know how v České republice.