Malý modulární reaktor

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]

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.

Tlakovodní SMR vznikají také v integrální verzi tohoto typu reaktoru (iPWR). Tyto reaktory dosahují zvýšené bezpečnosti integrací parogenerátoru, kompenzátoru objemu a mechanizmů řídicích tyčí do tlakové nádoby reaktoru.^[10]

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 (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 (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]

     vývoj      ve výstavbě      v provozu      licencování

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.^[20] K výstavbě továrny je zapotřebí značný kapitál – zmírnění těchto nákladů vyžaduje značný objem, který se odhaduje na 40–70 jednotek.^[21][22]

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.^[23]

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.^[24] Modulární stavba je velmi složitý proces a podle zprávy z roku 2019 jsou „informace o přepravě modulů SMR velmi omezené“.^[25]

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.^[26]

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.^[27]

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“.^[28] 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.^[29]

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.^[29][30][31]

Akademická práce,^[32] 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.^[33] 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.^[32]

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Small modular reactor na anglické Wikipedii.

• Obrázky, zvuky či videa k tématu malý modulární reaktor na Wikimedia Commons
• NucNet | The Independent Nuclear News Agency
• World Nuclear Association – World Nuclear Association