Malé modulární reaktory[pozn. 1] jsou definovány Mezinárodní agenturou pro atomovou energii (MAAE) jako pokročilé reaktory o elektrickém výkonu až 300 MWe na jeden výkonový modul.[1] SMR jsou jaderné reaktory, které jsou rozměrově menší než konvenční jaderné reaktory. Díky jejich velikosti mohou být jejich komponenty továrně vyráběny v jedné lokalitě a následně dopravovány na místo výstavby jaderného zařízení, kde jsou následně sestaveny do elektrárenského celku. Název SMR plyne z procesů jejich výroby, velikosti, modulární konstrukce a neodkazuje na typ reaktoru a využívaný jaderný proces.[2]
SMR jsou zástupci pokročilé generace reaktorů III+ a více. Tyto reaktory přináší oproti předchozím generacím vylepšení v oblasti jaderné bezpečnosti a tak obsahují v současné době nejlepší dostupné jaderné technologie. Zvýšení úrovně jaderné bezpečnosti dosahují SMR především implementací pasivních bezpečnostních systémů, které ke svému fungování využívají fyzikální principy a jsou nezávislé na lidském faktoru.[3] Mezi reaktory III+ generace spadají převážně lehkovodní reaktory jako je UK SMR, SMR-160 a BWRX-300. Do generace IV spadají vysokoteplotní plynem chlazené reaktory, rychlé reaktory chlazené tekutými kovy a reaktory založené na roztavených solích.[4]
V roce 2023 je ve vývoji přes 80 SMR celkově v 19 zemích světa. První komerční plovoucí SMR byl uveden do provozu v Rusku 22. května 2020 v elektrárně Akademik Lomonosov[5] a první komerční SMR na pevnině byl uveden do provozu v prosinci 2021 v čínské elektrárně Shidao Bay.[6]
Typy malých modulárních reaktorů
Tlakovodní SMR na lehkou vodu
Tlakovodní typ reaktorů (PWR) je světově nejrozšířenějším typem jaderných reaktorů – tvoří 60 % z celkového počtu reaktorů ve světě.[7] Palivem těchto reaktorů je oxid uraničitý (UO2), který je pro evropské jaderné reaktory, pracující na tepelných neutronech, zpravidla obohacován izotopem uranu 235U do 5 %[8] a to kvůli přepravním možnostem při výrobě obohaceného paliva. Tato hladina obohacení je stanovena normami ISO 7195, ANSI N14.1 a ASTM C-996-15.
Štěpná řetězová reakce probíhající v primárním okruhu je moderována demineralizovanou lehkou vodou. Demineralizovaná lehká voda zároveň působí jako teplonosné médium (chladicí médium) a odvádí teplo vzniklé v aktivní zóně reaktoru do parogenerátoru, kde se tepelná energie přenáší do sekundárního okruhu (okruhu páry). Tlak vody v primárním okruhu se u tlakovodních SMR pohybuje v rozmezí od 12 do 17 MPa a teplota v rozmezí 250–330 °C[9][pozn. 2]. Velký tlak je využíván pro zvýšení bodu varu a tím zlepšení odvodu tepla z reaktoru.
Varné reaktory (BWR) také používají demineralizovanou lehkou vodu jako moderátor i chladivo. Na rozdíl od tlakovodních reaktorů je voda v primárním okruhu uváděná do varu a ve formě páry předává svoji energii turbíně. Varné reaktory tedy nemají okruh páry jako tlakovodní reaktory a nemají tedy parogenerátor.
V závislosti na designu se teplota vody v primárním okruhu u varných SMR pohybuje okolo 290 °C a tlak vody se pohybuje okolo 7 MPa.[9]
Vysokoteplotní plynem chlazené SMR
Vysokoteplotní plynem chlazené (HTGR) SMR jsou reaktory, které využívají štěpení pomocí tepelných neutronů. Pro snížení energie neutronů se používá grafitový moderátor. Chladivem těchto reaktorů je helium.[11]
Maximální teplota chladiva se pohybuje v rozmezí 750–950 °C, a proto jsou tyto reaktory vhodné pro vysokoteplotní aplikace jako je například vysokoteplotní elektrolýza, která vyžaduje teploty v rozmezí 700–1000 °C.[12] Palivo je u těchto SMR obohacené izotopem uranu 235U až do 20 %[pozn. 3] a u některých SMR designů dosahuje úrovně vyhoření až 165 GWd/t.[9]
Rychlé reaktory chlazené tekutými kovy (LMFR) jsou reaktory využívající fyzikálních a chemických vlastností tekutých kovů, které zde slouží jako chladivo primárního okruhu. Díky své tepelné vodivosti, která je 10-100 krát větší než u vody, tyto reaktory dosahují lepšího odvodu tepla a důsledkem je zvýšení výkonové hustoty.[13] LMFR pracují na rychlých neutronech, takže nemají moderátor.[14]
SMR designy používají jako chladivo převážně olovo, sodík a euktetickou slitinu olova a bismutu (Pb 44,5 hm. %, Bi 55,5 hm. %[15]). Minimální teploty se proto u těchto SMR designů pohybují v rozsahu 340–420 °C v závislosti na použitém chladivu.
Reaktory založené na roztavených solích
Reaktory založené na roztavených solích (MSR) jsou reaktory pracující s energií neutronů v rozsahu tepelných, rezonančních a rychlých neutronů. Štěpitelný materiál je buďto oddělený od tekutých solí v primárním okruhu (pevné palivo), nebo smíchán přímo s tekutými solemi (tekuté palivo) například na fluorid uraničitý (UF4), fluorid plutonitý (PuF3) nebo paliva na bázi chloridových solí. Moderátorem může být grafit, těžká voda, soli a v případě rychlých reaktorů se moderátor neuplatňuje.[16]
MSR reaktory pracují s tlakem v primárním okruhu v rozsahu atmosférického tlaku až do 1 MPa. Většina designů je navržena na práci při atmosférickém tlaku a to je jednou z hlavních výhod MSR.[9]
Až deset SMR má v Česku vyrůst do roku 2050. Energetická společnost ČEZ v září 2024 vybrala pro spolupráci britský Rolls-Royce, jehož SMR je ve fázi licencování. První SMR je naplánován k výstavbě v lokalitě JE Temelín a další v lokalitách Tušimice a Dětmarovice. [20]
Ekonomika
Hlavním důvodem zájmu o SMR jsou deklarované úspory z rozsahu výroby díky velkoobjemové výrobě v továrně mimo areál elektrárny. Některé studie naopak uvádějí, že kapitálové náklady na SMR jsou stejné jako u větších reaktorů.[21] K výstavbě továrny je zapotřebí značný kapitál – zmírnění těchto nákladů vyžaduje značný objem, který se odhaduje na 40–70 jednotek.[22][23]
Podle studie výroby elektřiny v decentralizovaných mikrosítích z roku 2014 by celkové náklady na využití SMR pro výrobu elektřiny byly výrazně nižší ve srovnání s celkovými náklady na větrné elektrárny na moři, solární tepelné elektrárny, elektrárny na biomasu a solární fotovoltaické elektrárny.[24]
V roce 2016 se uvádělo, že náklady na výstavbu jednoho reaktoru SMR jsou nižší než u konvenční jaderné elektrárny, zatímco náklady na provoz mohou být u SMR vyšší kvůli nízké ekonomice rozsahu a vyššímu počtu reaktorů. Provozní náklady personálu SMR na jednotku výkonu mohou být až o 190 % vyšší než fixní provozní náklady menšího počtu velkých reaktorů.[25] Modulární stavba je velmi složitý proces a podle zprávy z roku 2019 jsou „informace o přepravě modulů SMR velmi omezené“.[26]
Výpočet výrobních nákladů provedený německým Spolkovým úřadem pro bezpečnost nakládání s jaderným odpadem (BASE), který zohledňuje úspory z rozsahu a efekty učení z jaderného průmyslu, naznačuje, že by muselo být vyrobeno v průměru 3 000 SMR, než by se výroba SMR vyplatila. Je to proto, že náklady na výstavbu SMR jsou vzhledem k nízkému elektrickému výkonu relativně vyšší než náklady na výstavbu velkých jaderných elektráren.[27]
V roce 2017 se studie Energy Innovation Reform Project osmi společností zabývala návrhy reaktorů s výkonem od 47,5 MWe do 1 648 MWe. Studie uvádí průměrné investiční náklady 3 782 USD/kW, průměrné provozní náklady celkem 21 USD/MWh a vyrovnané náklady na elektřinu 60 USD/MWh.[28]
V roce 2020 zakladatel Energy Impact Center Bret Kugelmass prohlásil, že tisíce SMR by mohly být postaveny paralelně, „čímž by se snížily náklady spojené s dlouhými výpůjčními lhůtami pro prodloužené harmonogramy výstavby a snížily rizikové prémie, které jsou v současnosti spojeny s velkými projekty“.[29] Výkonný viceprezident GE Hitachi Nuclear Energy Jon Ball souhlasil s tím, že modulární prvky SMR by také pomohly snížit náklady spojené s prodlouženými lhůtami výstavby.[30]
Odhadovaná cílová cena výroby elektřiny je 89 USD/MWh v roce 2023, zvýšená z 58 USD/MWh v roce 2021, pro první plánované komerční nasazení SMR v USA v Idaho National Laboratory šesti reaktorů NuScale 77 MWe. Projekt má podporu vlády USA ve výši 1,355 miliardy dolarů plus odhadovanou dotaci na výrobu 30 USD/MWh ze zákona o snížení inflace v roce 2020.[30][31][32]
Akademická práce,[33] publikovaná v říjnu 2023, porovnává 19 hlavních světových projektů malých modulárních reaktorů. Autoři využili veřejně dostupná data o těchto projektech pro modelování dvěma používanými modely pro odhad skutečných výrobních nákladů.[34] Závěry studie jsou následující:
Odhady nákladů výrobců jsou většinou příliš optimistické ve srovnání s teorií výroby.
Simulace Monte Carlo ukazuje, že žádný koncept není ziskový ani konkurenceschopný.
Medián NPV je záporný a pohybuje se od 3 (HTR) do 293 (SFR) milionů USD/MWe.
Medián LCOE začíná na 116 USD/MWh pro HTR a na 218 USD/MWh pro PWR.[33]
Odkazy
Poznámky
↑V České republice známé též pod názvem MMR. V anglické verzi zkratky SMR představuje Small Modular Reactor.
↑V případě tlakovodních SMR, které jsou určeny pouze k produkci tepelné energie, se teplota v primárním okruhu může pohybovat i pod hranicí 200 °C. Například projekt ZČU nazvaný Teplátor dosahuje teplot vody 150 °C.
↑Obohacení nad 5 % se používá pouze v zemích, které nejsou omezené výše zmíněnými normami
↑International Atomic Energy Agency. Passive Safety Systems and Natural Circulation in Water Cooled Nuclear Power Plants. [s.l.]: [s.n.] Dostupné online. S. 1–160. (anglicky)
↑FG Forrest, a s. Základní typy jaderných reaktorů. Skupina ČEZ [online]. [cit. 2023-07-10]. Dostupné online.
↑Shidao Bay Nuclear Power Plant. [s.l.]: [s.n.] Dostupné online. (anglicky) Page Version ID: 1143502026.
↑FG Forrest, a s. Základní typy jaderných reaktorů. Skupina ČEZ [online]. [cit. 2023-07-11]. Dostupné online.
↑International Atomic Energy Agency. Light Water Reactor Fuel Enrichment beyond the Five Per Cent Limit: Perspectives and Challenges. [s.l.]: [s.n.] Dostupné online. S. 1–56. (anglicky)
↑ abcdAdvances in Small Modular Reactor Technology Developments (2022) [online]. IAEA [cit. 2023-07-11]. Dostupné online.
↑ZELIANG, Chireuding; MI, Yi; TOKUHIRO, Akira. Integral PWR-Type Small Modular Reactor Developmental Status, Design Characteristics and Passive Features: A Review. Energies. 2020-06-05, roč. 13, čís. 11, s. 2898. Dostupné online [cit. 2023-07-11]. ISSN1996-1073. DOI10.3390/en13112898. (anglicky)
↑International Atomic Energy Agency. Liquid Metal Coolants for Fast Reactors Cooled by Sodium, Lead and Lead-Bismuth Eutectic. [s.l.]: [s.n.] Dostupné online. S. 1–82. (anglicky)
↑ TEPLATOR | Jaderné řešení pro levné a bezpečné centrální vytápění. Teplator.cz [online]. [cit. 2023-07-17]. Dostupné online.
↑Tisková zpráva MPO z 18.9.2024 Vývoj v oblasti malých reaktorů. ČEZ naváže strategickou spolupráci s Rolls-Royce SMR Dostupné online
↑MD Carelli, B Petrovic, CW Mycoff et al. Economic comparison of different size nuclear reactors. legacy-assets.eenews.net [online]. 2007 [cit. 2023-10-29]. Dostupné online.
↑ The nuclear industry: a small revolution. BBC News. 2016-03-23. Dostupné online [cit. 2023-10-29]. (anglicky)
↑MIGNACCA, Benito; LOCATELLI, Giorgio; SAINATI, Tristano. Deeds not words: Barriers and remedies for Small Modular nuclear Reactors. Energy. 2020-09-01, roč. 206, s. 118137. Dostupné online [cit. 2023-10-29]. ISSN0360-5442. DOI10.1016/j.energy.2020.118137.
↑ISLAM, Md. Razibul; GABBAR, Hossam A. Study of small modular reactors in modern microgrids: SMALL MODULAR REACTORS IN MODERN MICROGRIDS. International Transactions on Electrical Energy Systems. 2015-09, roč. 25, čís. 9, s. 1943–1951. Dostupné online [cit. 2023-10-29]. DOI10.1002/etep.1945. (anglicky)
↑Small modular reactors Can building nuclear power become more cost-effective? [online]. 2016-03 [cit. 2023-10-29]. Dostupné online.
↑MIGNACCA, Benito; ALAWNEH, Ahmad Hasan; LOCATELLI, Dr Giorgio. Transportation of Small Modular Reactor Modules: What Do the Experts Say?. The Proceedings of the International Conference on Nuclear Engineering (ICONE). 2019, roč. 2019.27, s. 1235. Dostupné online [cit. 2023-10-29]. DOI10.1299/jsmeicone.2019.27.1235.
↑ Small Modular Reactors - Was ist von den neuen Reaktorkonzepten zu erwarten?. BASE [online]. [cit. 2023-10-29]. Dostupné online. (německy)
↑EIRP. What Will Advanced Nuclear Power Plants Cost? [online]. 2017-07-01 [cit. 2023-10-29]. Dostupné v archivu pořízeném dne 2022-04-16. (anglicky)
↑ Industry heads warn nuclear costs must be slashed | Reuters Events | Nuclear. www.reutersevents.com [online]. [cit. 2023-10-29]. Dostupné online.
↑ Further cost refinements announced for first US SMR plant : New Nuclear - World Nuclear News. www.world-nuclear-news.org [online]. [cit. 2023-10-29]. Dostupné online.
↑ Eye-popping new cost estimates released for NuScale small modular reactor. ieefa.org [online]. [cit. 2023-10-29]. Dostupné online. (anglicky)
↑ abSTEIGERWALD, Björn; WEIBEZAHN, Jens; SLOWIK, Martin. Uncertainties in estimating production costs of future nuclear technologies: A model-based analysis of small modular reactors. Energy. 2023-10-15, roč. 281, s. 128204. Dostupné online [cit. 2023-10-29]. ISSN0360-5442. DOI10.1016/j.energy.2023.128204.
↑BLAŽEK, Petr. Studená sprcha pro malé modulární reaktory: ekonomicky nevycházejí. iDNES.cz [online]. 2023-10-29 [cit. 2023-10-29]. Dostupné online.
Související články
Je zde použita šablona {{Col-begin}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.