MotejlekSkocdopole.com

Problematika zajištění dostatku energie, ať už ve formě elektřiny či tepla, je v současné době aktuální více než kdy jindy. V současné nestabilní geopolitické situaci, a v kontextu pokračujícího boje proti emisím skleníkových plynů, se stále více zmiňuje také renesance jaderné energetiky, a to nejčastěji ve formě takzvaných malých modulárních reaktorů (MMR, či SMR z anglického „small modular reactor“). Co vlastně jsou SMR, jaký je jejich potenciál, a jedná se opravdu o životaschopnou technologii, nebo pouhou chiméru?

Průlom na poli ukládání energie efektivně přeměnitelné na elektřinu se v nejbližší době nedá realisticky očekávat. Současnou praxi akumulace ve formě lithiových akumulátorů či přečerpávacích vodních elektráren není možné z ekonomických i ekologických důvodů považovat za řešení v masovém měřítku. Znamená to, že lidstvo bude ještě dlouho potřebovat kromě takzvaných obnovitelných zdrojů energie i zdroje stabilní. Jediným stabilním zdrojem s ekologickou zátěží srovnatelnou s obnovitelnými zdroji stále zůstává jaderná energetika. Jedná se také o jediný stabilní zdroj, který není závislý na nepřetržitém přísunu paliva, což se zejména v případě plynu a ropy stále víc ukazuje jako zásadní problém. Díky své extrémní efektivitě (jaderné štěpení je cca 100 000x účinnější reakce než spalování!) je množství paliva spotřebovaného v jaderné elektrárně za rok snadno skladovatelné přímo na místě, a v případě nutnosti je možné tyto zásoby posílit i na několik let provozu dopředu. Energetická budoucnost Evropy se musí opírat o kombinaci nestabilních obnovitelných zdrojů a stabilních jaderných elektráren. Pouze tak je ve střednědobém horizontu možné dosáhnout čisté, spolehlivé a dlouhodobě ekonomicky udržitelné výroby energie.

vizualizace reálné podoby jednoho bloku modulárního varného reaktoru BWRX-300

Synergie mixu malých a velkých

Proč tedy nepostavíme velké množství „klasických“ jaderných elektráren, ale plánujeme výstavbu SMR? Nejlepší odpověď na tuto otázku dává pohled do nedávné minulosti a současné praxe. Ze stavby jaderných elektráren se nejen na Západě stala zdlouhavá záležitost plná průtahů, prodražování stavby a technických obtíží. Některé realizace se v extrémních případech protáhly i na více než dvacet let. V kombinaci s dominancí levného zemního plynu na energetickém trhu západního světa v poslední dekádě došlo k výraznému útlumu rozvoje jaderné energetiky a s ním spojených oborů. V této situaci se rozsáhlá investice do nových velkých bloků jevila jako velmi nejistý podnik. Na druhou stranu, průmysl a strojírenství prodělaly během posledních 20 let překotný vývoj na poli automatizace a robotizace složitých operací, dříve prováděných výlučně lidmi. Tato konstelace vedla okolo 2010 ke vzniku myšlenky malých modulárních reaktorů. Neznamená to však, že klasické velké bloky už nebudou mít své místo, a malé modulární reaktory je ihned zcela nahradí. Právě naopak, mohou spolu velmi dobře a dlouho koexistovat – velké bloky k pokrytí základního zatížení na velkém území, SMR ideálně jako zdroje pro velké aglomerace, místa, kde je koncentrován průmysl, nebo jako náhrada kotlů na uhlí v tepelných elektrárnách.

Konečným cílem je pásová výroba

Malé modulární reaktory jsou v nejobecnějším pojetí nové projekty jaderných reaktorů, které se od stávajících realizací liší výrazně menším elektrickým výkonem, který dosahuje od jednotek megawattů (pak se jedná o tzv. mikroreaktory), až po nižší stovky MW. Menší výkon je nejvíce patrná, avšak pouze malá část toho, co SMR odlišuje od tradičních jaderných elektráren s výkonem v řádech vyšších stovek až takřka dvou tisíc MW elektrických. Ještě důležitějším faktorem, než je nižší výkon jedné jednotky (výkonově by do kategorie SMR spadaly třeba i reaktory VVER 440 v Dukovanech), je přívlastek modulární. Tradičně jsou jaderné elektrárny stavěny na základě typizovaného projektu, který je ovšem podstatným způsobem upraven pro každou realizaci. V podstatě vždy od začátku také probíhá celá fáze realizace projektu — od výroby a doručení komponent, až po licenční řízení na stavbu každého nového bloku. Princip modularizace je přesným opakem tohoto postupu, spoléhá na sériovou výrobu hlavních součástí elektrárny, maximalizaci využití součástek běžně dostupných na trhu a celkové zjednodušení celého designu.
Konečným cílem zavedení technologie SMR je pak výroba celého jaderného reaktoru v továrně a jeho doručení zákazníkovi ve formě celého technologického produktu. Do velké míry tak odpadá náročná část výstavby na místě, která je nezbytná při výstavbě klasických jaderných reaktorů. S drobnou nadsázkou by se tato změna dala přirovnat k rozdílu mezi stavbou rodinného domu na základě projektu od architektonické kanceláře, a nákupem velkého obytného vozu. Licenční řízení se potom zúží na zhodnocení, zda provozu daného SMR vyhovuje daná cílová lokalita a předpokládaný způsob provozování, samotný design se znovu nehodnotí, protože v něm nejsou žádné změny.

Nižší výkon šetří prostor

Stavět modulární reaktory menší (fyzicky i výkonově) může být v konečném důsledku výhodnější i z ekonomického hlediska. Vysoký jednotkový výkon jaderných reaktorů lehkovodního typu má totiž své prapočátky ve vývoji jaderných pohonů ponorek, kde existoval pochopitelný tlak na co nejmenší fyzické rozměry při zachování dostatečného výkonu. V aplikacích „na souši“ tento požadavek nebyl podstatný, přesto byly první lehkovodní reaktory deriváty těch ponorkových, a základní konstrukce zůstala po celou dobu jejich vývoje velmi podobná. Zatímco celá jaderná elektrárna tak je v dnešní době poměrně veliký technologický komplex se stovkami až tisíci zaměstnanci, samotné srdce technologie – jaderný reaktor – má rozměry asi jako jeden cisternový železniční vagon. V tomto relativně malém prostoru je generováno až 5 000 MW tepelné energie. Aby byl takový reaktor bezpečný dle současných standardů, většinu kontejnmentu dnes zaberou bezpečnostní a monitorovací systémy. Tím, že snížíme výkon jedné jednotky zpět do řádů stovek MW, velká část těchto problémů zmizí – bezpečnostních systémů může být méně, menších, a celá stavba elektrárny začne připomínat malý moderní výrobní podnik místo obřího industriálního komplexu. Některé projekty SMR tak slibují, že elektřina jimi produkovaná bude stát i výrazně méně než 50 EUR za MWh, což je i pro současné velké jaderné elektrárny velmi těžko dosažitelná meta. Nižší jednotkový výkon je pak možné „dohnat“ výstavbou několika jednotek na stejném místě, což dále sníží náklady tím, že mohou některé technologické části sdílet mezi sebou. Posledním, ale neméně důležitým faktorem, je i celkově nižší počáteční investice do výstavby jednoho bloku. Nákup a provoz jednoho takového reaktoru by pak měl být dosažitelný i pro soukromé společnosti.

umělecká vizualizace elektrárny s reaktory NuSCALE

Pasivní bezpečnost je základem

Jak už bylo zmíněno, koncepty SMR vynikají také bezpečností. Základním pilířem k dosažení ještě vyšší úrovně bezpečnosti, než jakou disponují moderní velké jaderné elektrárny generace III a III+, zůstává relativně malý výkon jedné jednotky (ať už v podobě vícero velmi malých jednotek ve společné budově jako např. u reaktoru NuScale, nebo jednoho reaktoru vyššího výkonu jako např. BWR-X 300). Mnoho systémů v elektrárně neroste s výkonem lineárně (analogicky s tzv. „square-cube law“, kdy s rostoucími rozměry objektu se mění plocha kvadraticky, zatímco objem s třetí mocninou), proto je možné dosáhnout jejich relativně vyšší účinnosti u malého reaktoru v porovnání s velkým, při současném zmenšení jejich fyzických rozměrů. Tento fakt, v kombinaci s masivním využitím moderních pasivních bezpečnostních prvků, vede k natolik vysoké úrovni bezpečnosti, že je prakticky vyloučeno rozsáhlé poškození paliva a únik radioaktivních látek mimo areál elektrárny i v těch nejhorších hypotetických havarijních scénářích. Právě neexistence tzv. „zóny havarijního plánování“ mimo areál elektrárny teoreticky umožňuje umístění SMR i poblíž obydlených oblastí, nebo např. jako součásti velkého průmyslového areálu.

Ve světě nástup SMR nezaspali

A jak to tedy vypadá s realizací konceptu SMR ve světě? V první řadě je třeba zdůraznit, že se jedná o úplně novou technologii, nikde na světě zatím neexistuje nic jako „výrobní linka SMR“. Existují stovky konceptů, od konzervativních využívajících prověřenou technologii lehkovodních reaktorů, po ty více futuristické využívající k chlazení plyn, tekuté kovy či soli (tzv. AMR – advanced modular Reactors, pokročilé modulární reaktory). Jejich plánované využití je také široké, od výroby elektřiny a tepla k vytápění, až po specializované vysokoteplotní reaktory schopné dodávat teplo pro průmyslové procesy a nahradit tak v nich plyn. Některé z nich jsou od skutečné realizace vzdálené desítky let, avšak u jiných už vznikají první demonstrační prototypové jednotky.

umělecká vizualizace projektu SMR společnosti Rolls-Royce

Asi nejdále jsou v tomto ohledu v USA, kde místní ministerstvo energetiky (DOE) spolufinancuje vývoj a stavbu prvních jednotek ať už přímými dotacemi, či výhodnými půjčkami, v řádech miliard USD. Další miliardy jsou už dnes investovány soukromými investory a celý sektor SMR a AMR tak v USA nabírá vysokou dynamiku. První spuštění demonstračních jednotek se očekává již okolo roku 2025, sériová výroba by mohla začít okolo roku 2035. Ostatní části světa za USA zatím lehce zaostávají, a to jak v objemu financí, které jsou do vývoje a stavby prototypových jednotek investovány, tak i v pokročilosti fáze projektování samotných konceptů a následných výrobních linek.

Svět SMR a AMR je v současné době reprezentován mixem zavedených „jaderných“ gigantů, jako např. Westinghouse, Rolls-Royce nebo Framatome, a nových soukromých firem. Mezi nimi patří k nejvýraznějším TerraPower, kterou spoluzaložil Bill Gates, a investují do ní další slavní miliardáři jako např. Warren Buffett. Celé prostředí SMR a AMR je v současné době extrémně kompetitivní, a bez nadsázky se dá říct, že probíhá nemilosrdný souboj s časem – při astronomických nákladech, které je třeba do vývoje a výroby jaderných reaktorů investovat, není reálné, aby ve světě existovaly a profitovaly desítky velkých dodavatelů současně. Globálními vítězi nakonec budou ti, kterým se podaří:
• Co nejdříve prokázat funkčnost a životaschopnost svého konceptu na prototypové jednotce.
• Vytvořit si efektivní a spolehlivý dodavatelský řetězec a zajistit výrobní kapacity tak, aby byli schopni dodávat kvalitně a včas nové jednotky.
• Zajistit si co nejdříve dostatečné množství zákazníků nebo masivní financování od investorů.

Koncept malých modulárních reaktorů má ve světě tak velkou důvěru, že zavedené společnosti s koncepty SMR v pokročilé fázi vývoje mají už dnes první smluvně vázané zákazníky, aniž by zatím dostavěly a spustily byť jedinou demonstrační jednotku. Pomalu tak vzniká tlak i na druhé straně – kdo bude váhat, může za několik let skončit velmi daleko v pořadníku, a nemusí se na něj vůbec před zavedením sériové výroby s elektrárnou dostat.

V pokračování článku se budeme věnovat perspektivě SMR v podmínkách České republiky — jestli lze v ČR takové reaktory provozovat, vyrábět v obřích továrnách pro zahraniční dodavatele a exportovat do celé Evropy, nebo jestli dokonce budeme schopni vlastní reaktory navrhovat a dodávat.

Petr Vácha, Vedoucí oddělení Těžké havárie a termomechanika ÚJV Řež