Vesmír: Jaderné energetické technologie: zmenšování a modularita

V současnosti se nacházíme zhruba šedesát až sedmdesát let od doby, kdy jaderná energie začala být systematicky využívána pro mírové účely. Byla to pionýrská doba – vznikaly první výzkumné reaktory, první reaktory pro výrobu elektrické energie, reaktory měly pohánět letadla a lodě. Je těžké být prognostikem v technologiích, je proto obdivuhodné, že se velká část z těchto prognóz vyplnila.

Dlouhá a užitečná cesta civilní jaderné energetiky

Na světě pracuje 440 reaktorů s celkovým výkonem 390 GWe, 60 je ve výstavbě a doposud mají reaktory za sebou kumulativních více jak 16 000 let provozu a kolem 66 000 TWh vyrobené elektrické energie. Znamená to kromě jiného také to, že se vyrobila energie bez vypuštění kolem 40 GT (miliard tun) CO₂ do ovzduší. Jde sice o kumulativní čísla za dlouhou dobu, ze kterých nelze přímo vyvozovat dnešní koncentrace CO₂, nicméně jedna GT zvyšuje koncentraci CO₂ v atmosféře o 0,13 ppm.

V souladu s výhodami z ekonomiky z rozsahu rostl průměrný výkon bloků. V sedmdesátých a osmdesátých letech byl ve stovkách MWe, postupně se dostal přes 1000 MWe, což je dnes považováno za standard pro nové bloky. Velké reaktory plní velmi dobře řadu funkcí ve společnosti závislé na energii: bez produkce CO₂ vyrábí stabilní zatížení (base load), vyrábí jej bezpečně a s nejmenším počtem úmrtí na vyrobenou jednotku energie (viz tab.1).

Tab.1: Celosvětové porovnání počtu úmrtí spojených s jednotlivými druhy produkce energie[1]

Zdroj: Conca, J.: How Deadly Is Your Kilowatt?, Forbes, June 10, 2012.

Výstavba nových bloků s vysokými výkony se dostala v posledních letech do situace, kdy se potkávají významné ekonomické a společenské vlivy globalizovaného světa. Změny klimatu se staly katalyzátorem zavádění nových bezuhlíkových technologií, které ale vesměs jsou v produkci energie časově proměnlivé, prostorově distribuované a jako všechny nové technologie vyžadují významné investice k překonání úvodních rizik známých jako „údolí smrti“ mezi vývojem (těžko slibovat návratnost investice) a implementací (těžko garantovat dlouhodobou udržitelnost vůči konkurenčním technologiím).

Politická agenda postavená na reálné celosvětové hrozbě změny klimatu tuto bariéru významně snižuje. Za toto snížení však platíme vysokou cenu: zastavuje se proud investic do stávajících technologií, které se kvůli dotacím do obnovitelných zdrojů stávají nekonkurenceschopnými.

Tím ale vzniká začarovaný kruh[2], spíš smrtící spirála, kde zvýšení výkonu obnovitelných zdrojů energie (OZE) vyžaduje stejný záložní výkon standartních zdrojů (pro noc pro fotovoltaiku a pro případ bezvětří pro větrné elektrárny) při snižování jejich rentability až na úroveň, kdy trh dostává zaplaceno od producentů energie za distribuci vyrobené energie. Druhou možností je ukládání energie, zde jsme ovšem daleko od požadovaných kapacit a nákladů, zejména co se týče zálohování v řádu stovek GWh. Jedinou bezuhlíkovou alternativou OZE pro zajištění základní spotřeby sítě je přitom jaderná energie. Její nevýhodou ve stávající velikosti bloků je obtížná manévrovatelnost s výkonem.

Zároveň se zvyšujícími se požadavky na prokazování růstu bezpečnosti roste investiční náročnost, zejména ve vztahu k délce výstavby a tím také k nákladům na finanční zajištění investice.  Investiční rozhodnutí je ovšem závislé na predikci budoucích výnosů, které jsou při extrapolaci dnešní situace na dobu několika desítek let zcela nepředvídatelné. Pokles ceny ropy kolem let 2008 – 2010 významně ovlivnil cenu elektrické energie a pokles ceny povolenek CO₂ zase zvýhodnil staré uhelné zdroje vůči jaderným. Tím se stala investice do velkých jaderných technologií v podmínkách tržní ekonomiky obtížnou.

Výsledkem je nesymetrie výstavby ve prospěch zemí rozvojového světa zejména tam, kde existuje přímá návaznost vlády a průmyslu a kde existuje jenom částečná závislost investičních rozhodnutí na ekonomických predikcích projektu. Často se tak děje z důvodu absolutní potřeby nových zdrojů, ideálně neprodukujících emise, včetně CO₂ – což je případ například Číny nebo Indie.

Koncem devadesátých let se začaly formovat představy a plány na zlepšení důležitých parametrů štěpných jaderných technologií, zejména ve vztahu k radioaktivnímu odpadu, účinnosti a dalšímu zvýšení bezpečnosti. Výsledkem byly programy rozvoje reaktorů tzv. čtvrté generace (Gen IV). Tyto programy rozvíjí tlakové (tlakovodní nebo plynem chlazené) i beztlakové (roztavené těžké kovy, sodík nebo tekuté soli) technologie pracující s vysokými teplotami nad 450 °C až po 900 °C pro plynem chlazené reaktory.

Zároveň je většina konceptů postavena na technologii využití rychlých neutronů umožňujících dosažení menšího objemu odpadu a řádové zmenšení množství nuklidů s dlouhými poločasy rozpadu. To vše způsobilo rozvoj celých vědeckých oblastí vztahujících se k vývoji a provozování reaktorů čtvrté generace. Nastal mohutný rozvoj technologií výroby paliva se zvláštním důrazem na rozvoj materiálů paliva a jeho pokrytí.

Jsou vyvíjeny nekovové kompozitní materiály pro pokrytí paliva (například SiC), které umožňují využití vyšších teplot a mají významně lepší teplotechnické vlastnosti. Konstrukční materiály jsou vyvíjeny pro tlaková a beztlaková prostředí do teplot blízkých 1000 °C, zároveň musí odolat dlouhodobému provozu v chemickém prostředí chladiv.

V České republice byl vyvinut materiál MONICR jako konstrukční materiál pro technologie založené na roztavené soli buďto jako chladivu nebo soli ve které je rozpuštěné palivo[3]. Česká republika je významným aktérem v rozvoji plynem chlazeného rychlého reaktoru ALLEGRO, pro který v současné době Centrum výzkumu Řež finalizuje termohydraulickou smyčku pro bezpečnostní experimenty a připravuje celou řadu experimentálních zařízení pro zkoušky in situ ve výzkumném reaktoru.

Odpověď na nové paradigma

Zemětřesení, cunami a následná havárie v jaderné elektrárně ve Fukušimě přinesla do jaderné energetiky několik významných důsledků. Ačkoli zátěžové zkoušky provedené na většině jaderných elektráren na světě prokázaly vysokou odolnost vůči externím vlivům, identifikovaly zároveň další příležitosti ke zvýšení bezpečnosti. To vedlo k novým požadavkům na zajištění jaderných zdrojů ve výstavbě a přispělo tak k prodloužení jejich výstavby.

Některé země odstoupily od rozvoje jaderné energetiky a zájem dalších o výstavbu jejich prvního reaktoru se snížil nebo se dostal ze seznamu priorit.  V této situaci dochází k významnému urychlení diskusí kolem tzv. malých reaktorů. Byly navrhovány již v prvních letech tohoto století na úrovni výkonu pod 300 MWe, nicméně až do fukušimské havárie byly jenom okrajovou a jednou z mnoha možných variant rozvoje jaderné energetiky. V posledních přibližně pěti letech dochází k razantnímu rozvoji technologií malých modulárních reaktorů. Zároveň se naplňuje i druhá, důležitá část rovnice – k nabídce se vytváří také poptávka.

Čím je míněn pojem „malé modulární reaktory“ (v angličtině Small modular reactors, SMRs)? Jde o jaderné systémy na bázi štěpení produkující tepelnou energii do 300 MWe, které jsou sestaveny v továrně v modulech, převezeny a sestaveny na místě budoucího umístění reaktoru. V projektech, které jsou dnes rozvíjeny je pokrytá škála výkonů od jednotek MWe (tzv. mikroreaktory) až po oněch 300 MWe.

Technologicky jde buď o tlakovodní technologie, které se v principu neliší od stávajících technologií, nebo nevodní technologie – zejména chlazení aktivní zóny tekutými těžkými kovy (např. olovo nebo olovo – bismut), plynem (hélium) nebo roztavenou solí (například sůl FlIBe, fluorid lithný a berylnatý, ⁷LiF-BeF₂). Dalším konceptem jsou reaktory na bázi rychlých neutronů, například tzv. Molten salt reactor (MSR), ve kterém je palivo rozpuštěno v roztavené soli. Tento technologický princip je znám už od šedesátých let, kdy byl vyvíjen pro pohon letadel a měl “odpracováno” 6 000 hodin.

Malé modulární reaktory slibují řadu vlastností, které je předurčují do doby nového energetického paradigmatu popsaného v předchozí kapitole:

• Rychlá výstavba daná výrobou modulů u výrobce a jejich doprava a montáž na místě významně zkracují dobu do uvedení do provozu a zlevňují tak náklady na financování projektu
• I při očekávaných jednotkových cenách (cena / instalovaný výkon) vyšších než u velkých zdrojů, absolutní řádově nižší cena umožní zapojení širšího portfolia investorů a omezí nutnost institucionálního financování nebo záruk, které známe například z Velké Británie (Contract for Difference).
• Malý jednotkový výkon umožňuje využít jaderné reaktory také pro regulaci sítě s významným podílem obnovitelných zdrojů. Větší množství malých reaktorů v síti umožní vypínáním jednotlivých malých jaderných zdrojů regulovat síť – toto je ekonomicky podstatně víc průchozí než je tomu u velkých zdrojů.
• Všechny nevodní technologie kladou důraz na vyšší teplotu systémů a tím i na vyšší účinnost.
• Systémy pracující na velmi vysokých teplotách – jako například reaktor chlazený héliem poskytující výstupní teploty kolem 900 °C nebo solí chlazený reaktor (až 700 °C) – jsou ideálními kandidáty na zdroj vysoko potenciálového tepla použitelného v chemickém průmyslu nebo pro ukládání energie do vodíku vysokoteplotním rozkladem vody.
• Beztlakové systémy (olovo, soli) přidávají další prvky pasivní bezpečnosti k již dnes extrémně bezpečným systémům
• Některé systémy, například roztavenou solí chlazený reaktor (FHR) vykazuje negativní závislost reaktivity na teplotě, což v praxi znamená, že při růstu teploty se štěpná reakce utlumuje a představuje tak významný pasivní bezpečnostní prvek.

Autorem článku je Martin Ruščák, ředitel Centra výzkumu Řež, a článek původně vyšel v časopise Vesmír, č. 96, květen 2017)

[1] Conca, J.: How Deadly Is Your Kilowatt?, Forbes, June 10, 2012

[2] viz např. A world turned upside down, The Economist, February 25th – March 3rd 2017

[3] Uhlíř J., Juříček V.: Current Czech R&D in Thorium Molten Salt Reactor Technology and Future Direction. In: J.-P. Revolt et al: Thorium Energy for the World, Springer International Publishing Switzerland, 2016