Razvoj jedrskih elektrarn z malimi modularnimi reaktorji (Small and Modular Reactors – SMR) je zelo dinamično področje, ki zaradi svoje inovativnosti, razvojnega in izobraževalnega potenciala ter podjetništva vzbuja veliko zanimanja. Strokovnjaki opozarjajo, da so zaradi hitrosti razvoja verodostojne informacije skope, nepregledne, včasih tudi komercialno zakrite ali populistično prikazane.
Osnove različnih velikosti jedrskih reaktorjev
Ko je govora o jedrskih reaktorjih, katerih glavni namen je proizvajati električno in tudi toplotno energijo, lahko govorimo o izjemno širokem spektru moči jedrskih reaktorjev, od moči nekaj megavatov do moči 1.660 MW.
Skozi zgodovino razvoja jedrskih reaktorjev se je njihova inštalirana moč povečevala. Od prvih prototipnih reaktorjev, ki so dosegali moči do nekaj 10 MW, so se razvili mogočni jedrski reaktorji, ki dosegajo tudi do 1.660 MW električne moči.
Jedrski reaktorji so si različni glede na njihov namen. Klasične jedrske elektrarne, ki so zasnovane za proizvodnjo velikih količin električne energije za potrebe gospodarstva in gospodinjstev, so izredno velike in optimizirane za dolgotrajno delovanje z nekajmesečnimi remonti, med katerimi se v reaktor vstavi sveže gorivo.
Takšne elektrarne lahko na zelo ekonomičen način proizvajajo energijo po 60, 80, morda tudi več let, a jih je potrebno primerno vzdrževati in izvajati redne menjave goriva.
Tovrstni reaktorji se po velikosti razlikujejo glede na potrebe različnih držav in pokrajin. Njihova proizvodna kapaciteta se giblje med nekaj 100, pa tudi do 1660 MW električne energije. V osnovi gre za izjemno težke in kompleksne objekte, ki jih je treba postopoma graditi več let in ko so vse komponente na mestu, jih je podobno težko tudi razstaviti.
Investicija v velike jedrske reaktorje je visoka, čas gradnje pa dolg. Gre za velike infrastrukturne, večgeneracijske projekte, ki so predvsem za manjše države zelo zahtevni.
Potreba po nizkoogljični energiji se iz leta v leto povečuje. Fosilne tehnologije se opuščajo, iščejo se alternativne rešitve. Tako se je pojavila potreba po manjših proizvodnih enotah nizkoogljične energije, katere bi bilo možno umestiti na obstoječe energetske lokacije in pa tudi na nove lokacije.
Težnja po krajšem času gradnje in preprostejši izvedbi projektov je tudi na področju jedrske energetike odigrala pomembno vlogo. Tako se je začel razvoj tehnologije malih modularnih reaktorjev.
Majhni jedrski reaktorji
Danes sicer že obstajajo majhni jedrski reaktorji, z močjo le nekaj 10 MW, ki so v uporabi v vojaških mornaricah. Po svetovnih morjih trenutno pluje več kot 160 ladij in podmornic, ki za pogon uporabljajo jedrske reaktorje. Ti reaktorji so veliko manjši od svojih sorodnikov na kopnem. To še posebej velja za tiste reaktorje, ki delujejo v jedrskih podmornicah in so v primerjavi s klasičnimi elektrarnami skoraj miniaturni.
Pomorski reaktorji so zasnovani tako, da imajo odlično razmerje med težo in nazivno močjo, hkrati pa je zaželeno, da jedrskega goriva ni treba menjati, saj je takšno plovilo s strateškega vidika veliko bolj uporabno. Podmorničarski reaktorji morajo biti tudi izredno tihi, saj glasnost podmornice vpliva na to, kako težko jo je odkriti s pasivnim sonarjem.
Ekonomika takšnih reaktorjev ni bistveno vprašanje. Mornarice velikih velesil se s ceno izdelave in obratovanja takšnih reaktorjev ne obremenjujejo. Strateški pomen jedrskih plovil je preprosto prevelik.
Če bi tak reaktor namesto v ladjedelnico poslali v izrabo za energetske namene, bi bila cena takšne energije verjetno tako visoka, da je nihče ne bi bil pripravljen kupiti.
Tovrstni reaktorji, ki so v uporabi v vojaških mornaricah, veljajo za prednike malih modularnih reaktorjev.
Kaj so mali modularni reaktorji?
Kot že ime pove, gre za 2 bistveni lastnosti:
- »mali« pomeni, da gre za proizvodne enote manjših moči,
- »modularni« pomeni, da gre za modularno gradnjo, torej da je čim več komponent izdelanih v tovarnah in se na lokaciji sestavijo v celoto.
V strokovni literaturi se pojavlja več definicij malih modularnih reaktorjev, nekako pa se je uveljavila meja moči 300 MW električne moči na posamezni modul in pa modularna gradnja. Se pa že pojavljajo ponudniki malih modularnih reaktorjev, katerih moč presega 300 MW električne moči, a se še vedno promovirajo kot mali modularni reaktorji.
Poleg malih modularnih reaktorjev postajajo aktualni tudi mikro reaktorji, ki dosegajo moči do 10 MW. Takšni reaktorji so zelo priročni za postavitev na oddaljenih območjih in na območjih, ki so omejena s prostorom. Komponente teh reaktorjev so praviloma velikosti ladijskih kontejnerjev in se zlahka pripeljejo na lokacijo. Tudi ta vrsta reaktorjev je še v razvoju.
(Vir slike: IAEA – Mednarodna agencija za jedrsko energijo)
Kakšne vrste malih modularnih reaktorjev poznamo?
Male modularne reaktorje v osnovi delimo na:
- lahkovodne male modularne reaktorje, ki so nekako pomanjšana verzija klasičnih velikih lahkovodnih jedrskih elektrarn in na
- napredne male modularne reaktorje 4. generacije.
Med lahkovodne male modularne reaktorje se uvrščajo tlačnovodni in vrelovodni modularni reaktorji in ravno ti vrsti malih modularnih reaktorjev sta najbolj zanimivi za implementacijo v bližnji prihodnosti. Razlog je v tem, da imamo ogromno izkušenj z obratovanjem tlačnovodnih in vrelovodnih reaktorjev 2. in 3. generacije, torej gre za preizkušeno tehnologijo.
Tehnologije malih modularnih reaktorji 4. generacije so še v razvojnih fazah. Za razliko od lahkovodnih reaktorjev, z reaktorji 4. generacije še nimamo obratovalnih izkušenj.
Najbolj obetajoče tehnologije so:
- Izredno-visokotemperaturni reaktor (VHTR)
- Reaktor na staljeno sol (MSR)
- Superkritični reaktor (SCWR)
- Oplodni reaktor s plinskim hladilom (GFR)
- Oplodni natrijev reaktor (SFR)
- Oplodni svinčeni reaktor (LFR)
Paradoks majhnosti: manjši kot je reaktor, višja mora biti obogatitev jedrskega goriva
Jedrski reaktorji poznajo fenomen, ki se mu reče nevtronska izguba. Del nevtronov se namesto, da bi zadel katero izmed cepljivih atomskih jeder in nadaljeval reakcijo, izgubi v stenah reaktorja. Kolikšna je nevtronska izguba, je odvisno od razmerja med površino reaktorske posode in njenim volumnom.
Manjši kot je reaktor, večja je nevtronska izguba. To pomeni, da sta za vzdrževanje stabilne verižne reakcije potrebno gorivo z višjo obogatitvijo (vsebuje večji delež cepljivih izotopov). To pa povzroči višjo ceno goriva.
Je torej možno izdelati jedrski reaktor, ki bi bil:
- dovolj majhen za serijsko proizvodnjo,
- dovolj ekonomičen za komercialno obratovanje.
Odgovor na to vprašanje je za zdaj še precejšnja neznanka.
Težave se začnejo že s financami
Mali modularni reaktorji so zaradi svoje majhnosti načeloma veliko manjše investicije od velikih jedrskih elektrarn, kar jih naredi ekonomsko bolj privlačne za manjše investitorje.
Natančnega odgovora na vprašanje, kakšna bo proizvodna cena električne energije iz malih modularnih reaktorjev, v tem trenutku ne pozna nihče. Cena goriva in ekonomičnost proizvodnje sta pri modularnih reaktorjih zagotovo slabša od klasičnih reaktorjev, edina morebitna prednost bi bila nižja cena skozi morebitno množično proizvodnjo, do te faze pa je še daleč.
Gre za reaktorske zasnove, ki za zdaj niso prešle pilotne faze. Resnih, sploh pa institucionalnih, investitorjev v te tehnologije (še) ni. Vsaj v zahodnih državah še ne. Vsa podjetja so še vedno bolj ali manj v konceptni fazi ali v fazi zbiranja sredstev. Jedrska industrija je visoko regulirana in kot taka tudi ni ravno najbolj enostavno okolje za start-upe.
Večina velikih proizvajalcev jedrske tehnologije sicer poskuša tržiti tudi pomanjšane verzije svojih velikih reaktorjev, a njihovemu razvoju ne posvečajo prave pozornosti in financ, kar nakazuje, da nekateri modularne reaktorje vidijo predvsem kot orodje marketinga za svoje primarne tehnologije, ne pa kot resno naložbo v prihodnost.
Pregled dosedanjega razvoja malih modularnih reaktorjev
Po svetu je v tem trenutku identificiranih več kot 90 zasnov malih modularnih reaktorjev. Večina jih je še vedno v konceptualnih fazi, razvoj nekaterih zasnov pa se je že zaustavil.
Trenutno komercialno obratuje ena mala modularna elektrarna. To je ruski Akademik Lomonosov, ki je plavajoča jedrska elektrarna z dvema enotama moči 32 MW.
Plavajoča jedrska elektrarna Akademik Lomonosov (Vir: fnpp.info)
V raziskovalne namene obratujejo tudi 3 prototipni visokotemperaturni plinsko hlajeni mali modularni reaktorji v Aziji (Japonska in Kitajska).
V gradnji so trenutno 3 male modularne elektrarne:
- dve tlačnovodni mali modularni elektrarni (argentinski CAREM-25 in kitajski ACP100) ter
- en oplodni svinčev reaktor (ruski BREST-OD-300).
V fazi licenciranja so:
- tri zasnove tlačnovodnih SMR reaktorjev (ameriški NuScale, korejski SMART in ruski VBER-300 – plavajoča elektrarna),
- ena vrelovodna zasnova (ameriški BWRX-300) in
- ena zasnova reaktorja na staljeno sol (kitajski Integral MSR)
Vsi ostali reaktorji so še v fazi konceptualne zasnove.
Društvo jedrskih strokovnjakov Slovenije spremlja razvoj malih modularnih reaktorjev. Za podrobnejše informacije obiščite njihovo spletno mesto, mi pa navajamo le nekaj razvijajočih se dizajnov, ki bodo morda zanimivi za Slovenijo ali pa se o njih veliko govori.
Westinghouse dela na razvoju mikroreaktorja e-Vinci in pomanjšane verzije svojega AP1000 reaktorja, AP300.
Francoski EDF načrtuje modularni reaktor NUWARD. Šlo bi za 2 modularna reaktorja skupne moči 340 MW. Predlagana reaktorska tehnologija je enaka klasičnim tlačnovodnim reaktorjem. Šlo bi za pomanjšan konvencionalni jedrski reaktor, ki bi deloval na gorivo z višjo obogatitvijo.
NuScale Power Module je trenutno edini modularni reaktor, ki je prejel odobritev ameriške uprave za jedrsko varnost. Gre za pomanjšano verzijo tlačnovodnega reaktorja, ki bi ga v primeru pregrevanja takoj zalila voda.
Japonsko-ameriški Hitachi Nuclear Energy dela na razvoju BWRX-300. Gre za zmanjšano verzijo vrelovodnega reaktorja (BWR), ki ga Hitachi trži kot rešitev za pretvorbo starih termoelektrarn v jedrske elektrarne.
BWRX-300 (Vir: GE Hitachi Nuclear Energy)
V Indiji operirajo tudi derivati težkovodne reaktorske zasnove CANDU. Kitajska država vlaga v razvoj širokega spektra različnih naprednih reaktorjev. Pri razvoju malih in naprednih reaktorjev je najdlje prišla Ruska federacija, kjer že danes obratuje ali pa ima že pridobljeno licenco kar nekaj takšnih reaktorjev in reaktorskih zasnov. Z malimi reaktorji v Ruski federaciji poskušajo zagotoviti energijo oddaljenim krajem v Sibiriji in Arktiki.
Pozitivne in negativne lastnosti malih modularnih reaktorjev
| Prednosti | Slabosti |
|---|---|
| Preprost/poenostavljen dizajn | V teku so »first of a kind« projekti, prototipi |
| Izdelava modulov v tovarnah | Tehnologija še ni preizkušena |
| Inherentna varnost in pasivni varnostni sistemi | Tehnične zahteve v Evropi še niso standardizirane (noben dizajn še ni prejel EUR certifikata o ustreznosti dizajna) |
| Manjše vplivno območje | Postopki licenciranja bodo na začetku dolgi |
| Večja fleksibilnost povezovanja v elektroenergetski sistem ter večja možnost povezovanja z OVE v različne hibridne sisteme | Pri začetnih projektih so pričakovani daljši časi gradnje |
| Pri serijski proizvodnji: Krajši čas gradnje na lokaciji |
Dobavne verige še niso vzpostavljene |
| Manjša ekonomska tveganja | Pomanjkanje znanja in izkušenj s področja tehnologije malih modularnih reaktorjev |
| Ekonomija serijske izdelave | Ekonomski učinki serijske proizvodnje v naslednjih 10 letih še ne bodo prepoznani |
| Manjši stroški kapitala | Pomanjkanje ekonomije obsega |
| Večja specifična zasedba površine (m2/kW) |
Kako je to znanje uporabno za prihodnje odločitve v energetiki?
Modularna “revolucija” v tem trenutku zagotovo še ni za vogalom. Za kaj takega bo potrebno še ogromno investicij, raziskav in testiranja.
Razvoj novih malih modularnih reaktorjev poteka dinamično, ponudnikov tehnologij je precej, precej je tudi opuščenih razvojnih projektov. Uporabljene tehnologije so izpeljanke tehnologij, ki so bile preizkušene že v preteklosti.
Nekatere prednosti malih modularnih reaktorjev izvirajo iz njihovih tehničnih lastnosti in možnosti maloserijske proizvodnje reaktorskih modulov v tovarnah, vključno z večino potrebnimi testiranji, kar pomeni, da je pri večini zasnov na lokacijo dostavljen delujoč reaktor, ki se na lokaciji poveže s turbinskim otokom. Te prednosti so pomembne za investitorje, saj zmanjšujejo tveganje zamud, neuspeha projekta, licenciranja, velikih stroškov financiranja itd.
Po drugi strani so obljube ponudnikov visoke, napredek v zadnjih desetih letih pa za potencialne investitorje še ni prepričljiv. Med sodobnimi tlačnovodnimi malimi modularnimi reaktorji še ni obratujočega reaktorja, ki bi potrdil ali ovrgel zelo dobre tehnične in ekonomske predpostavke, večinoma podane s strani ponudnikov
Obstaja tudi možnost, da novi modularni reaktorji preprosto ne bodo vsesplošno uporabni, ampak bodo prišli v poštev le v mejnih primerih (območja z nerazvitim omrežjem, oddaljene pokrajine, otoki, velike ladje …).
Zato je omenjanje modularnih reaktorjev kot resne alternative klasičnim velikim elektrarnam, mnogo preuranjeno, saj smo daleč od vedenja, ali bodo modularni reaktorji res bolj tehnološko učinkovita in ekonomična jedrska tehnologija.
“Zadnji dve leti je tehnologija malih jedrskih reaktorjev (SMR) zelo hitro napredovala. Če bo ohranila tako dinamiko, lahko v dveh letih nadomesti zrelo tehnologijo, torej klasične jedrske reaktorje.”
Ta izjava ne drži, kar smo v članku poskušali tudi pojasniti.
Modularni reaktorji so predvsem izredno zanimivi, saj odražajo briljantnost jedrskega inženiringa. Nove inovativne reaktorske zasnove so priložnost za raziskovanje in morda bodo nekoč tudi uporabne za komercialne namene.
A preden se to dejansko zgodi, utegne preteči še kar nekaj let, morda celo desetletje, to pa je čas, ki ga kot človeška vrsta ne moremo zapraviti v čakanju, ali nas bo nova reaktorska tehnologija rešila pred podnebnimi spremembami ali ne.
Leta 2018 je Medvladni forum za podnebne spremembe (IPCC) predlagal 90 scenarijev, s katerimi bi omejili globalno segrevanje na 1,5 °C. V vseh teh scenarijih se bo za dosego tega cilja morala v povprečju inštalirana moč jedrskih elektrarn do leta 2050 več kot potrojiti in znašati 1.160 GW (v letu 2020 je bila inštalirana moč jedrskih elektrarn 384 GW).
Cilj tako velikega povečanja inštalirane moči jedrskih elektrarn do leta 2050 lahko dosežemo le s sinergijo treh različnih ukrepov:
- s podaljševanjem obratovanja obstoječih jedrskih elektrarn (podaljšanje življenjske dobe do 80 let),
- z izgradnjo novih velikih jedrskih elektrarn,
- z razvojem SMR elektrarn.
Če želimo doseči ambiciozne podnebne cilje, je treba hkrati izvajati vse tri omenjene ukrepe. SMR elektrarne niso nadomestilo velikih jedrskih elektrarn, ampak pomenijo dodatno razvojno možnost oziroma potencial za hitrejše doseganje podnebnih ciljev.
Vemo, da so klasične velike jedrske elektrarne izredno učinkovite za zniževanje emisij v energetiki. Njihovega pomena in potrebe po čim hitrejši in čim bolj množični gradnji se ne sme minimizirati na račun modularnih reaktorjev.
ZAHVALA:
Za veliko pomoč pri nastanku članka se uredništvo JerdskaSI iskreno zahvaljuje dr. Tomažu Žagarju in mag. Janu Lokarju iz Društva jedrskih strokovnjakov Slovenije in podjetja Gen Energija.
