Małe jest fajne: SMR – Small Modular Reactor

Jeśli spojrzeć na nowsze inwestycje w energetyce jądrowej, to mamy tam do czynienia głównie z bardzo dużymi jednostkami. Budowany obecnie Flamanville 3 ma mieć moc znamionową 1650MWe, kiedy już go uruchomią, czyli jak się uda to w 2023; pierwsza planowana data 2012, tak w temacie tego jak długo buduje się elektrownie jądrowe i z jakie miewają opóźnienia. Też ciągle budowany i mocno opóźniony blok numer trzy w Olkiluoto ma mieć moc 1760MWe. Planowane tureckie Akkuyu to 1200MWe na reaktor.

To są olbrzymy, a olbrzymy mają swoje wady.

Po pierwsze ich budowa trwa długo (plus opóźnienia).

Po drugie są upiornie drogie. Elektrownie jądrowe to zabezpieczenia na zabezpieczeniach do zabezpieczeń, barier i środków zapobiegawczych, wszystkie opatrzone specjalistycznymi certyfikatami dostawców. To szalenie podnosi ich koszt w stosunku do elektrowni konwencjonalnych (gaz, biomasa, węgiel, ulubiony fotel wrednego teścia).

Po trzecie elektrownie jądrowe generalnie lubią pracować ze stałą, wyższą niż niższą mocą piątek, świątek, dzień, noc. Ale ilość prądu produkowanego w danej chwili musi równać się zużyciu, a to w nocy jest o wiele niższe. Co nie jest olbrzymim problemem jak masz dużą sieć, a w niej dużo niejądrowych elektrowni, które mają mniejszy problem z zejściem z mocy; czytaj: nie jesteś Francją, Francuzi musieli tu bardziej pogłówkować, ale to inny temat. Ale robi się problemem, gdy twoja jedna elektrownia jądrowa jest tak duża, że odpowiada za większość lokalnej produkcji i nie ma że boli, musi reagować na zmiany zapotrzebowania.

W takiej sytuacji prawdopodobnie nie potrzebujesz ponad tysiąc megawatowego giganta, a czegoś mniejszego. Sęk w tym, że mały reaktor wcale nie oznacza, że będzie dużo tańszy. Reaktor to kawałek kosztów, a wszystko dookoła niego to ich większość. I nie ważne czy twój reaktor będzie miał 400MW czy 1700MW. Musi mieć te same zabezpieczenia, te same układy pomocnicze i sama mniejsza średnica rurociągów i takie szczegóły jakoś dramatycznie zmaleją. To czyni małe reaktory zdecydowanie mniej opłacalnymi; tzn.: prąd z nich jest droższy, żeby była szansa, że inwestycja zdąży się zwrócić.

I tu na scenę wchodzą SMR-y

Póki co nie jak rycerze w lśniących zbrojach, ale są i robi się o nich coraz głośniej. To, co ma uczynić SMR-y pożądanym rozwiązaniem to:

  • stabilność dostaw energii;
  • relatywnie małe moce;
  • prostsza budowa;
  • pasywne systemy bezpieczeństwa;
  • modułowa konstrukcja.

Moc znamionowa

Zgodnie z definicją IAEA małe reaktory modułowe mają być w stanie produkować do 300MWe. Dla porównania najnowsze bloki w elektrowni Opole – piąty i szósty – mają po 905MWe każdy. Stwarza to możliwość wykorzystania ich w niewielkich sieciach energetycznych, gdzie nie ma zapotrzebowania na moce rzędu tysiąca megawatów, rocznie jest może osiemdziesiąt dni dostatecznie słonecznych, aby mogła pracować elektrownia solarna, więc nie bardzo można uznać ją za podstawę produkcji.

A wiatru to tam nie ma, a jak jest to duje tak mocno, że… No niech załączony powyżej filmik z awarii Vestasa zilustruje co może się stać, gdy wieje za mocno a hamulec nie działa. A elektrowni węglowej nie chcemy, bo CO2 nie jest trendy.

Elektrownia z małym reaktorem modułowym (SMR) oferowałaby optymalne rozwiązanie w tej sytuacji.

Stabilność dostaw

Przyzwyczailiśmy się do tego, że prąd jest w gniazdku, a nie że prąd zdarza się w gniazdku. Oczekujemy, że on tam będzie i jeśli go nie ma, uznajemy to za awarię. O czym trzeba wiedzieć, to że produkcja i zużycie w danej chwili muszą być do siebie zbliżone; inaczej, nie wchodząc w szczegóły, zaczynamy mieć problemy z siecią elektroenergetyczną. Co nas tu interesuje, to że są mądre głowy, które na podstawie zużycia w latach minionych, pogody, świąt itd. szacują ile trzeba będzie tej energii wyprodukować; a zatem ile która elektrownia powinna jej wyprodukować.

O ile nie nastąpi awaria, to dla elektrowni konwencjonalnych i części energetyki odnawialnej nie jest to duży problem. Dla energetyki solarnej i wiatrowej może to jednak stanowić wyzwanie. W wielu miejscach trudno z dużą dozą pewności przewidzieć jakie będzie zachmurzenie za kilka tygodni. Albo czy będzie wiało dostatecznie mocno, ale nie za mocno, aby pracowały elektrownie wiatrowe. W praktyce oznacza to, że na wszelki wypadek, gdyby te OZE (Odnawialne Źródła Energii) nie dały rady dostarczyć założonej ilości energii, inne elektrownie są w gotowości, aby zwiększyć produkcję i uzupełnić brak.

Elektrownia jądrowa jest tu jak elektrownia konwencjonalna – poza sytuacją awaryjną może dostarczyć tyle mocy, ile zdeklarowała że wyprodukuje..

Prostsza konstrukcja

Małe reaktory modułowe projektowane są w różnych rozwiązaniach technologicznych. NuScale, OKB Afrikantov proponują rozwiązania w technologii PWR. GE Hitachi wykorzystuje rozwiązania z reaktorów wodnych wrzących (BWR), ale pewne idee się powtarzają.

Najbardziej charakterystyczną z nich jest naturalny obieg wody chłodzącej w reaktorze. Ilustracja poniżej przedstawia reaktor NuScale i opisano na niej chłodzenie reaktora. Woda w obrębie rdzenia (nuclear core) jest podgrzewana. Zmniejsza się jej gęstość, więc unosi się do góry, następnie oddaje ciepło w generatorach pary (steam generators). Schłodzona opada grawitacyjnie na dno reaktor, gdzie ponownie jest ogrzewana.

(C) NuScale Power, LCC

W przypadku dużych reaktorów PWR wodę przez rdzeń reaktora pompują duże pompy obiegowe. Ich brak w SMR-ach znacząco upraszcza układ i podnosi jego bezpieczeństwo. Jest to zarazem jeden z tych elementów, których nie da się przeskalować na większe jednostki ze względu na to ile wody trzeba przez nie przepuszczać.

Drugie powtarzające się rozwiązanie (w wariantach PWR), to zabudowanie generatorów pary w obrębie tej samej obudowy (contaiment vessel) co reszta reaktora. Oznacza to że skażona woda nie jest transportowana rurociągami przez elektrownię. Nie ma więc ryzyka, że taki rurociąg ze skażoną wodą rozszczelni się i zaleje podłogę (LOCA – Loss Of Coolant Accident). Ponieważ cały przedstawiony na grafice układ reaktora jest zanurzony w wodzie, oznacza to że w przypadku rozszczelnienia całego modułu reaktora skażona woda wymiesza się z wodą czystą ze zbiornika, będącą dobrym absorberem i moderatorem, i unikniemy w ten sposób skażenia większego obszaru (w sporym uproszczeniu, w przyszłości napiszę więcej o LOCA).

Inne często przywoływane cechy projektów samych reaktorów jak i całych elektrowni wykorzystujących je to:

  • możliwość pracy wyspowej;
  • możliwość black startu tylko z pomocą lokalnego generatora awaryjnego (bardzo cenna rzecz w przypadku blackoutu!).

Pasywne systemy bezpieczeństwa

Pasywne, czyli nie wymagające podejmowania działania przez operatora. W praktyce oznacza to zredukowanie prawdopodobieństwa błędu ludzkiego (patrz: wypadek w Three Mile Island). Grafika poniżej pokazuje chłodzenie reaktora w przypadku braku jakiegokolwiek zasilania (AC z zewnątrz, DC z generatorów diesla) i braku doprowadzania wody z zewnątrz. Decay heat to ciepło resztkowe, ponieważ nawet kiedy opuścimy wszystkie pręty kontrolne do reaktora, aby zatrzymać reakcję rozszczepiania uranu, to nadal mamy w rdzeniu dużo pierwiastków ulegających naturalnemu rozpadowi zgodnie ze swoim czasem połowicznego rozpadu. A każdy taki rozpad to określona ilość wyemitowanej energii, która podgrzewa nam układ. Dlatego po wyłączeniu reaktora trzeba zapewnić mu dalsze chłodzenie. Poniższe dane przedstawiło NuScale Power LCC i podane przedziały czasu tyczą się ich konstrukcji.
Przez pierwsze trzy dni ciepło odbierane jest w generatorach pary. Czyli jak w czasie pracy normalnej – i przez DHRS (Decay Heat Removal System). Po trzech dniach główny ciężar odprowadzania ciepła przechodzi na wodę w zbiorniku w którym zanurzony jest cały moduł reaktora. Po około 30 dniach woda ta ulegnie wygotowaniu. Ale na tym etapie ciepło resztkowe produkowane przez reaktor jest już na tyle niewielkie, że cyrkulujące naturalnie powietrze jest w stanie odprowadzać je w nieskończoność.

(C) NuScale Power, LCC

GE Hitachi dla BWRX-300 podaje możliwość pracy przez 7 dni bez zasilania i jakiegokolwiek działania ze strony operatora.

Modułowość SMRów

Modułowa konstrukcja SMRów pozwala na lepszą kontrolę jakości. Sprawia że mniej kluczowych elementów montażu odbywa się na budowie, a więcej w o wiele lepiej kontrolowanych warunkach w fabryce. Skraca ona również czas budowy.

Problemem, który ta modułowość stwarza jest transport, ponieważ pojedyncze moduły mogą mieć znaczne rozmiary i wagę, co ograniczy to jakimi drogami będzie mnożna je przewozić. Problemem mogą być zwłaszcza mosty. W przypadku NuScale cały moduł reaktora ma mieć wymiary około 23 metrów wysokości i ważyć około 700 ton i być transportowany w trzech częściach (ilustracje poniżej za NuScale Power LCC).

Ponadto, ponownie przywołując design NuScale Power, proponują oni elektrownie składające się od jednego do dwunastu reaktorów pracujących równolegle co w połączeniu ze sposobem kontroli mocy i obejściem turbiny ułatwiałoby dostosowywanie produkcji do aktualnego zapotrzebowania (w tym do bycia backupem dla OZE). Ilustracja poniżej przedstawia uproszczony przekrój przez taką elektrownię z pięcioma reaktorami po jednej stronie wspólnego zbiornika.

(c) NuScale Power LCC

Przykłady

Obecnie nad reaktorami z grupy SMR pracują między innymi:

  • GE Hitachi Nuclear Energy. BWRX-300 oparty byłby o technologię reaktorów wodnych wrzących ESBWR i miał moc 300MW (o tym wkrótce napiszę więcej, ponieważ istnieje szansa, że będziemy mieć taki w Polsce);
  • NuScale Power LLC. opracowuje reaktor pod nazwą NuScale w technologii PWR i o mocy 60MW;
  • Babcock & Wilcox opracuje reaktor mPower, który ma mieć moc 195MW i również wykorzystywać założenia PWR-ów;
  • W Korei KAERI pracuje nad stumegawatowym reaktorem SMART w technologii PWR;
  • OKB Afrikantov posiada w portfolio dwa rozwiązania VBER300 o mocy 325MW i RTIM-200 o mocy 50 MW. Oba wykorzystują założenia PWR, a RTIM-200 jest już w budowie;
  • W budowie jest również CAREM, reaktor o mocy 27-30WM w technologii PWR stworzony przez CNEA.

Poza wymienionymi wyżej są jeszcze inne konstrukcje, które póki co nie wyszły jeszcze z fazy projektowej. Swoje plany ma Rolls-Royce, Westinghouse Electric Company, Areva, EDF i wielu innych. Ponadto dwa typy już pracują. Oba w Rosji. Trzy jednostki EPG-6 o mocy 12MWe każda pracują w elektrowni jądrowej Bilibino, czwarty został już wyłączony w 2019, jako że cała elektrownia jest powoli zamykana i zastępowana przez pływającą elektrownię jądrową Akademik Łomonosow, na którym również pracują SMRy. Tym razem są to dwa reaktory KLT-40S o mocy 35MWe każdy. EPG-6 pracuje technologi LWGR a KTL-40S na PWR.

Przyszłość SMR-ów

Sama ilość przedsiębiorstw, które próbują wejść na rynek ze swoimi SMR-ami świadczy o tym, jak duże nadzieje i oczekiwania pokładane są w SMR-ach. Redukcja kosztów, zwiększenie bezpieczeństwa i brak emisji CO2 może być czymś, co sprawi, że staną się one rozwiązaniem branym pod uwagę obok konwencjonalnych elektrowni. Synthos i GE Hitachi prowadzą już dyskusje w sprawie budowy elektrowni z reaktorem BWRX-300 w Polsce. Plany posiadania takiej elektrowni rozważają także Czechy. Estonia również zamierza wybudować elektrownię z reaktorem SMR, ale jeszcze nie został wybrany konkretny partner.


Poczytaj więcej:

NuScale
Co widać po grafikach i danych w dużej mierze opierałam się na materiałach dotyczących reaktora NuScale Power, co wynikało w sumie tylko z tego, że udostępnili oni najwięcej ciekawych informacji, zwłaszcza grafik.
Schemat: https://www.nuscalepower.com/benefits/simplified-design
Prezentacja m.in. na temat kontroli reaktywności w rdzeniu reaktora: https://www.nrc.gov/docs/ML1614/ML16145A502.pdf
Transport: https://www.nuscalepower.com/technology/fabrication-and-assembly
Once upon a time, a Small Modular Reactor… http://hejc.environment.harvard.edu/files/hejc/files/gustafson_small_modular_reactors.pdf
BWRX-300:
Ulotka informacyjna: https://nuclear.gepower.com/content/dam/gepower-nuclear/global/en_US/documents/product-fact-sheets/GE%20Hitachi%20BWRX-300%20Fact%20Sheet.pdf
IAEA:
Small modular reactors: https://www.iaea.org/topics/small-modular-reactors

Pytania, uwagi, komentarze

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Witryna wykorzystuje Akismet, aby ograniczyć spam. Dowiedz się więcej jak przetwarzane są dane komentarzy.