Velká část v současnosti vyrobené elektrické energie vzniká díky spalování nenahraditelných fosilních paliv, pro které dokážeme určitě najít lepší využití. Solární a větrné zdroje energie jsou pověstné svojí nepředvídatelností a vodní elektrárny lze využívat jen v některých oblastech. Pak jsou tu ale ještě jaderné elektrárny, které by se mohly stát optimálním řešením. Ovšem v malé, modulární formě.
Malý reaktor do každého města
V současnosti je stavba jaderné elektrárny s přehledem nejdražší a nejsložitější mezi všemi typy elektráren. Především je to kvůli tomu, že co reaktor, to v podstatě originál. Celý reaktor se montuje v místě stavby, potřebuje unikátní výrobní postupy a k tomu potřebnou dokumentaci, což jeho konstrukci výrazně prodražuje.
Vzhledem k velikosti jsou i další prvky elektrárny, jako je turbína, parogenerátory, chladicí systém atd. unikátními kusy, které na zakázku vyrábějí specializované závody.
Jak funguje atomový reaktor
Nejpoužívanější je reaktor s řetězovou štěpnou reakcí. Při rozpadu atomových jader těžkých prvků se uvolňují neutrony, gama záření a neutrina. Neutrony jsou zpomaleny, aby bylo možné jejich zachycení dalšími atomovými jádry, tím způsobí jejich následný rozpad, a tak to pokračuje řetězově dále. Energie, kterou odebereme neutronům spolu se vstřebáním gama záření ohřívají chladící látku tzv. primárního okruhu. Ta předává svoje teplo v parogenerátoru do sekundárního okruhu, kde horká pára roztáčí turbíny vyrábějící elektrickou energii.
Nadějně ovšem působí malé modulární reaktory. Zařízení, která se budou vyrábět sériově v továrně a na místo určení budou dopravena v kontejnerech již hotová. Taková zařízení už běžně fungují, jedná se především o pohonné jednotky ve válečných plavidlech, hlavně v ponorkách. V civilním nasazení se zatím neujala, především z důvodu vyšších pořizovacích nákladů. Jenže ve srovnání s velkou jadernou elektrárnou nakonec vycházejí levněji, především s přihlédnutím na snižující se cenu s rostoucím objemem sériové výroby.
Vedle ceny je další výhodou decentralizace výroby elektřiny. Malý modulární reaktor (MMR) může být umístěn blízko místa spotřeby a kromě elektrické energie z něj můžeme využívat i odpadní teplo pro ohřev vody nebo vytápění. To u centralizovaných velkých zařízení není tak jednoduché a rentabilní.
Modulární reaktor od Rolls-Royce
V oboru malých modulárních reaktorů nedávno vzbudil rozruch Rolls-Royce. Britský výrobce motorů a automobilů má i energetickou divizi, která má v plánu již v roce 2029 uvést do provozu první modulární reaktor vlastní výroby.
Takto by mohla vypadat jaderná elektrárna budoucnosti. Malá, kompaktní a s reaktorem, který se v kompletovaném stavu doveze přímo z továrny
Pro něj hodlá použít v Británii osvědčené řešení tlakovodního reaktoru (o tlaku 15,5 MPa) chlazeného lehkou vodou s oxidem uraničitým jako palivem. Reaktor má mít elektrický výkon 400-450 MWe a tepelný výkon 1200 – 1350 MWt.
Samotný reaktor má být kompletně zabudován ve válci s průměrem 4,5 m a délce 11,3 m. Jeho životnost má být 60 let. I když firma inzeruje svůj reaktor jako vhodný pro „brown-fieldy“ velkých měst, neřeší otázku, kde vezme dostatek vody na provoz zařízení. Ta totiž bude potřeba a je nutné na to při hledání vhodných lokací myslet.
Vizualizace malé jaderné elektrárny s kompaktním modulárním reaktorem Rolls-Royce
V Rusku byli nejblíž
Rolls-Royce pochopitelně není s myšlenkou malého reaktoru ojedinělý. Ostatně jaderné reaktory začínaly jako malá, pokusná zařízení. V současnosti se po celém světě provozuje celá řada malých reaktorů a málokdo ví, že u nás máme dokonce tři takové reaktory, které jsou v provozu. Dva jsou v Ústavu jaderného výzkumu v Řeži u Prahy a jeden vlastní Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT. Ale to jsou sice reaktory malé, ovšem nikoliv modulární. Tedy malé, sériově vyráběné, a to nejlépe v továrně.
Malý výzkumný reaktor s výkonem v Řeži u Prahy • Malý jaderný reaktor má i ČVUT, slouží k výzkumu a také k výuce studentů Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské
Zřejmě jediným takovým typem je původně sovětský reaktor EGP-6, uvedený do provozu v roce 1974 po třech letech výstavby v nejseverněji položené atomové elektrárně Bilibino na Čukotce. Jedná se o vodou chlazený a grafitem moderovaný reaktor RBMK o výkonu 11 MWe.
Ano, RBMK reaktor se nechvalně proslavil v Černobylu. V Bilibinu byla v provozu hned čtveřice těchto reaktorů. Jednalo se o nejmenší komerčně využívané reaktory, které byly v roce 2019 nahrazeny plovoucí atomovou elektrárnou Akademik Lomonosov.
Schema reaktoru EGP-6
Později se objevily i moderní projekty. Například v roce 2013 to vypadalo, že nejvíce k reálnému provozu má projekt Toshiba 4S. V té době ale probíhala certifikace u amerického Ministerstva energetiky dokonce hned pro tři projekty MMR:
- mPower od výrobce lodních reaktorů Babcock & Vilcox. Původně se plánovalo rozjet sériovou produkci už v roce 2014, ale dnes je projektu “u ledu”. Za zmínku stojí, že se jednalo o klasickou tlakovodní konstrukci.
- Hyperion, kdy se jednalo o koncept atomové baterie. U zařízení nemělo docházet k výměně jaderného paliva, po ukončení životnosti se měl celý reaktor vrátit zpět do továrny k údržbě a znovu naplnění palivem. Mělo se jednat reaktor chlazený směsí tekutého olova a bismutu, plánovalo se jeho nasazení na obchodních lodích třídy SuezMax, ale potom se nad projektem také zavřela voda.
- Toshiba 4S měl touhle dobou už napájet město Galena na Aljašce. I zde se vše vyšumělo do ztracena, projekt reaktoru chlazeného sodíkem ale inspiroval tvůrce zařízení PRISM.
Plovoucí jaderné elektrárny
Existují ve světě místa, kde je elektřina luxusem. Teď se nebavíme o chudém rozvojovém světě, ale o odlehlých teritoriích daleko na severu v Kanadě, na Aljašce nebo na Sibiři. Tato místa obvykle spoléhají na elektrickou energii vyrobenou spalováním nafty. Nejde jenom o místní komunity, ale také o těžařské platformy. Významná ložiska nerostných surovin se dnes často nachází právě v těchto odlehlých a mrazivých končinách.
Pevek je asi čtyř tisícové město na Čukotce. U něj leží nejsevernější atomová elektrárna, již zmiňovaná Bilibino se čtyřmi reaktory RBMK. Místo ní už však nastoupil do služby Akademik Lomonosov. Jedná se o plovoucí jadernou elektrárnu osazenou dvěma reaktory KLT-40S o celkovém výkonu 70 MWe. Možná vám to přijde hodně na tak malé město, ale v jeho okolí se nachází vydatná ložiska zemního plynu a ropy. Elektrárna je určena primárně pro zásobování těžebního komplexu u města.
Plovoucí jaderná elektrárna Akademik Lomonosov na cestě do Peveku
Samotná platforma elektrárny je prám, tedy loď bez vlastního pohonu o rozměrech 144×30 m s výtlakem přes 21 000 tun. Posádku tvoří 70 pracovníků, kteří mají na palubě k dispozici špičkové vybavení pro práci i zábavu. Plovoucí elektrárnu postavili v loděnicích Sevmaš v Severodvinsku a má být v provozu po dobu 35-40 let. Samotné reaktory KLT-40S jsou zařízení odvozená od pohonných jednotek pro ruské atomové ledoborce třídy Tajmyr. Jedná se o klasický tlakovodní reaktor VVER, podobný těm, které pracují v Dukovanech nebo Temelíně. Za celým projektem stojí firma Rosatom.
Akademik Lomonosov má být první z řady. Rusové mají v plánu stavbu dalších lodí, tentokrát s modernějšími reaktory RITM-200M, odvozenými od pohonných jednotek ledoborců třídy LK-60. Jedná se taktéž o tlakovodní reaktor, který ale bude kompaktnější a s vyšším výkonem 50 MWe a 175 MWt. Lomonosov má být vzorovou elektrárnou, Rosatom doufá, že by své zákazníky mohl najít v regionu Jihovýchodní Asie, ať už jako zdroj energie, nebo pohon pro zařízení na odsolování mořské vody.
Ani Čína nezůstává pozadu a chce si urvat svůj tržní podíl. Má jí ho zajistit dvojice modulárních reaktorů označená jako ACPR50 pro použití na moři a ACPR100 pro použití na souši. Za vývojem stojí firma CNG, která plánuje v letošním roce dokončit první plovoucí elektrárnu s výkonem 60 MWe a 200 MWt. Reaktorová nádoba má být válec o rozměrech 7,4 x 2,5 m, životnost 60 let a palivo bude potřeba měnit jednou za tři roky. Podobně jako ruský reaktor i ten čínský je klasická tlakovodní konstrukce. S tím ruským má společnou ještě jednu věc, nikde se neuvádějí náklady na stavbu.
Malé a bezpečné
Klasická jaderná elektrárna je moloch, jak z hlediska rozměrů, tak nákladů. Od okamžiku, kdy se poprvé kopne do země to trvá roky, někdy i desítky let, než se začne vyrábět energie a tím se začnou splácet i náklady na výstavbu. Může se proto stát, že jenom na splácení úroků z úvěru na stavbu padne více peněz, než na stavbu samotnou.
Nukleární turbo
Zajímavou koncepcí je tzv. hybridní reaktor, což je atomový reaktor, který v podstatě funguje jako turbokompresor pro kotel spalující zemní plyn nebo naftu. Jedná se tak vlastně o křížence atomové a klasické tepelné elektrárny.
Turbína reaktoru stlačuje vzduch na vstupu do kotle a tím radikálně zvyšuje účinnost spalování klasického fosilního paliva. Samotný reaktor je chlazený héliem a pro zpomalování neutronů (moderaci) používá grafit. Horký plyn potom pod vysokým tlakem přímo roztáčí turbínu, což je jedna z výhod této koncepce. Dalšími výhodami jsou nižší spotřeba jaderného paliva i chladící vody a také vysoká účinnost při výrobě elektrické energie oproti jiným typům.
Obzvlášť v Evropě, kde se nyní atomové energii příliš nefandí, se i u těch několika elektráren, které se staví, neustále oddaluje datum spuštění a rostou celkové náklady. A to i násobně. Platí to jako pro finský Olkiluoto 3, který měl být v provozu už v roce 2009 nebo francouzský Flamanvill s aktuálně osmiletým zpožděním. Koneckonců, i slovenské Mochovce mají velmi nejasný termín spuštění dvou dostavovaných bloků.
Určitým řešení by bylo mít elektrárnu jako stavebnici. Postaví se to nejnutnější a doveze se do ní první malý hotový reaktor, vyrobený kompletně v továrně. A postupně se budou přidávat další, až vznikne cluster o podobném výkonu, jaký má velký reaktor. Elektrárna by tak zahájila provoz velmi brzy a postupně by začala vyrábět (a tím se splácet) už v průběhu své výstavby. Zatím ale není k dispozici žádný modulární reaktor, který by se dal takto využít.
I když jsou různé typy modulárních reaktorů dosti odlišené, co se týče designu a funkce, jeden rys mají společný, a tím je pasivní bezpečnost. Jednoduše řečeno, kdyby se stalo cokoliv nečekaného, reaktor vypneme a je to. Nemusíme jako ve Fukušimě řešit chlazení aktivní zóny, která se intenzivně zahřívá díky jadernému rozpadu radioaktivních prvků v palivu. Modulární reaktory mají natolik malou aktivní zónu a tím i množství paliva, že je lze chladit pasivně, tedy stačí je opravdu jen vypnout a je to. Reaktor nevzplane, protože mu dostačuje pasivní odvod tepla.
4. generace reaktorů využije i použité palivo
Doposud jsme se zabývali vesměs zařízeními postavenými na velmi osvědčené lehkovodní vysokotlaké technologii, obecně nazývané i jako tepelné reaktory třetí až tři půlté generace. Jsou charakteristické použitím moderátoru pro zpomalení neutronů, aby se zvýšila pravděpodobnost jejich záchytu, a tak řetězové reakce. A také vysokotlakou aktivní zónou, to proto, aby zde byla kapalná voda při teplotách okolo 300 °C. Čím vyšší tlak, tím vyšší bod varu vody, proto tlak okolo 15 MPa.
Reaktory 4. generace jsou tzv. rychlé, bez moderátoru s rychlými neutrony. Oproti tepelným reaktorům jsou chlazené kapalným olovem nebo s příměsí bismutu či kapalným sodíkem. Další variantou jsou roztavené soli fluoru, lithia a berylia. Tyto reaktory dokáží pracovat při vysokých teplotách a atmosférickém tlaku, mají vyšší termodynamickou účinnost (až 50 % oproti max 35 % u tepelných) a také dokáží až čtyřikrát více využít energii v palivu. Na druhou stranu vyžadují podstatně vyšší úroveň obohacení tohoto paliva.
Zajímavé projekty MMR 4. generace
PRISM je sodíkem chlazený reaktor s rychlými neutrony od firmy GE Hitachi. Svojí koncepcí umožňuje spalovat vyhořelé palivo z tlakovodních elektráren typu LWPR/VVER. Kromě U238 je to hlavně plutonium a transurany, kterým sníží jejich radioaktivitu o několik řádů a ušetří tím místo ve skladu nukleárního odpadu, kde by jinak trvalo tisíce let, než by došlo ke snížení radiace na neškodnou úroveň (dokumentace zde).
SVBR-100 je ruský projekt rychlého reaktoru chlazeného směsí olova a bismutu. I zde je možnost použít vyhořelé palivo, případně přejít na uzavřený cyklus, kdy reaktor dále zpracovává svoje již jednou vyhořelé palivo na znovu aktivní. Nebude tak potřeba měnit palivo dříve jak za 7-8 let (dokumentace zde)
Energy well je český projekt, který představil Ústav jaderného výzkumu v roce 2018 na konferenci v Atlantě. Mělo by se jednat o malý reaktor s výkonem do 20 MWe, chlazený tekutými alkalickými solemi. Právě s fluoridovými technologiemi má ÚJV dlouholeté zkušenosti díky spolupráci s Oak Ridge National Laboratory (dokumentace zde).
Mají i svoje nevýhody, mezi které patří nutnost mít vyhřívanou nádrž na chladivo. Přece jenom, olovo nebo soli při pokojové teplotě nejsou kapalné, a tak nelze riskovat, že by vše ztuhlo v jeden velký nerozborný blok v aktivní zóně. Jak při havárii, tak při údržbě, je potřeba mít kam chladivo vypustit.
Dalším problémem je extrémní koroze, ještě umocněná vysokou teplotou látky. A také nesmíme zapomenout na potřebu více obohaceného palivo, často až na úroveň 20%. Na druhou stranu zase tento typ reaktorů dokáže spalovat plutonium a také i jiné odpadní produkty tlakovodních reaktorů.
Věc politická
Dění kolem malých modulárních reaktorů je velmi turbulentní. Všechny projekty, které měly být podle minulých plánů v současnosti v provozu, jsou zrušeny nebo se vyvinuly v něco jiného. Rusko a Čína, které netrpí fóbií z atomové energie jako Západ, tak přebírají iniciativu, staví a provozují MMR, i když ani zde nejde o lehkou cestu a spíše než ekonomika zde rozhoduje politika.
Proto kdybych si měl vsadit, který z výše uvedených reaktorů bude na Západě postaven jako první, vsadím na Projekt Pelé, který vypsalo americké ministerstvo obrany a v jehož rámci mají tři společnosti předložit svoje plány na stavbu mobilního mikroreaktoru.
MMR v brzké době jistě najdou svoje uplatnění všude tam, kde prostě není na výběr. Zatímco Západ převážně zůstává jenom u smělých plánů, Rusko a Čína exportem jaderných technologií posilují svůj vliv ve světě, a to je velká škoda. Uvidíme, jestli se i u nás najde potřebná politická podpora podobným projektům, protože bez ní to v současném světě bohužel nepůjde.
