První z amerických projektů malých modulárních reaktorů se blíží k dokončení. Podle zprávy z 30. dubna 2018 prošel projekt NuScale první fází schvalovacího procesu americké jaderné komise (NRC). Společnost NuScale Power a její první zákazník, Utah Associated Municipal Power Systems, předpokládají spuštění první dvanáctimodulové elektrárny kolem roku 2025.
Historie
Projekt NuScale se dostal nejdále z amerických projektů SMR. Vývoj začíná roku 2000 kdy americké ministerstvo energetiky (DOE) inicializovalo program na vývoj malých reaktorů. Po skončení programu v roce 2003 se skupina vědců z Oregonské státní university rozhodla pokračovat dále ve vývoji malého reakoru využívajícího přirozenou konvekci. Projekt NuScale vyhrál druhé kolo o dotace z federálního fondu od amerického ministerstva energetiky. V roce 2013 obdržel investici ve výši 217 milionů dolarů a další podporu ve formě grantů, například grant na spolupráci o provedení prací výběru lokality a přípravu dokumentace pro licence v hodnotě 16,7 milionu dolarů.
V roce 2014 prošly testy unikátní spirálovité parogenerátory a o rok později byla dokončena maketa modulu ve skutečné velikosti. Koncem roku 2015 uzavřela NuScale kontrakt na výrobu paliva s francouzskou společností Areva. Na přelomu roku 2016 a 2017 předložila společnost žádost o certifikaci designu komisí NRC. V souvislosti s touto žádostí jsou technická data reaktoru veřejně přístupná na stránkách NRC. V květnu 2017 byl zprovozněn druhý simulátor dozorny jaderné elektrárny.
Velký krok byl ohlášen 9. ledna 2018 – komise uznala klíčový aspekt pasivní bezpečnosti projektu a to nepotřebnost elektricky napájených bezpečnostních systémů.
Konstrukce
Jadernou část elektrárny tvoří moduly NuScale Power Module. Každý modul obsahuje vlastní primární okruh a parogenerátor. Na výstupu modulu je pára pro sekundární okruh. Tepelný výkon jednoho modulu je 160 MW, elektrický výkon se udává 50 MW (ale záleží na provedení a účinnosti sekundárního okruhu). Modul má přibližně tvar válce o výšce 25,3 m a průměru 5,0 m. Hmotnost prázdného modulu (během přepravy) se udává 700 tun.
Modul obsahuje reaktor tlakovodní koncepce. Na rozdíl od stávajících reaktorů využívá přirozené konvekce – ohřátá voda proudí směrem nahoru kanálem (riser), protéká spirálovitým parogenerátorem, kde odevzdá teplo a vrací se zespodu zpět do aktivní zóny. Toto řešení nepotřebuje cirkulační čerpadla, tím odpadá velká část vlastní spotřeby elektrické energie a potřeba mít toto množství energie k dispozici v nouzových bezpečnostních záložních zařízeních. Pro primární okruh tak nemusí být zajištěny velké záložní dieselové generátory.
Palivo reaktoru je ve formě kazety běžných západních tlakovodních reaktorů zkrácené na výšku 2 m. Výhodou je možnost využívat palivo typu MOX. Výrobcem paliva by měla být francouzská firma Areva. Počítá se s dvouletou kampaní. Výměna paliva je prováděna pomocí speciálního zařízení umístěného v reaktorové hale.
Jeden blok elektrárny by měl obsahovat a obsluhovat až 12 samostatných reaktorových modulů, umístěných v bazénu v reaktorové hale. Výkon takové elektrárny vychází na 1200 MWe, což je hodnota srovnatelná s velkými energetickými reaktory.
Bezpečnost
Projekt NuScale klade velký důraz na pasivní a inherentní bezpečnost. Hlavní výhodou je absence cirkulačních čerpadel v primárním okruhu, protože hlavní cirkulační čerpadlo je komponenta s přímým vlivem na jadernou bezpečnost a tedy s vysokými požadavky na licencování i provoz.
Společnost vyzdvihuje princip “The Triple Crown For Nuclear Plant Safety™” kdy tvrdí, že reaktor se sám bezpečně odstaví a dochladí:
- bez zásahu operátora,
- přívodu elektrické energie
- bez doplňování vody.
Návrh primárního systému tak nepočítá ani s bateriemi nebo zásobou technické vody mimo bazén ve kterém jsou již moduly umístěny. V případě havárie dojde k odstavení, reaktor se během prvních tří dní chladí odběrem tepla přes parogenerátor. Do třiceti dní od havárie by k chlazení měla vystačit zásoba vody v bazénu, která se postupně vypaří. Poté už by měl výkon reaktoru být nižší než 0,4 MWt a k jeho chlazení postačí okolní vzduch.
Bezpečnostní bariéry modulu zahrnují palivovou matrici, pokrytí a primární okruh stejně jako u velkých energetických reaktorů. Dále se ukazují výhody modulárního uspořádání – každý modul má svou vlastní bezpečnostní obálku, která je chlazena vodou a chráněna stěnami reaktorové haly. Počítá se s tím, že moduly budou umístěny pod úrovní země. Bezpečnostní bariéry NuScale jsou dále rozšířeny o betonovou obálku kryjící celou reaktorovou halu.
+ Nižší prvotní investice do výstavby, moduly je možné dokupovat postupně
+ Odstávka pro překládku se týká jen jednoho modulu, není zde ztráta celého výkonu elektrárny
+ Inherentní a pasivní bezpečnost zjednodušuje proces licencování a snižuje náklady na bezpečnostní systémy
+ V případě sériové výroby lze náklady na modul dále snížit
+ Jednodušší výběr lokality pro výstavbu
– Velké energetické reaktory mají nižší celkovou investici vztaženou na MW
– Velké energetické reaktory mají vyšší projektové rezervy
– Projekt NuScale neřeší turbínovou část elektrárny
Ekonomie výstavby a provozu
Zda bude projekt komerčně úspěšný, záleží na ekonomii jeho provozu. Projekty modulárních reaktorů slibují nižší počáteční investici, než je tomu u velkých energetických reaktorů. Nadruhou stranu, elektřina vyrobená modulárním reaktorem je dražší. V kontextu amerického trhu je potřeba zahrnout ekonomii těžby břidlicového plynu a rostoucí počty elektráren s plynovými turbínami. Slibovaný elektrický výkon jednoho modulu NuScale, 50 MW, přitom leží ve výkonové hladině běžných plynových turbín. Společnost NuScale slibuje velikost vstupní investice 5100 $/kW a celkovou investici nižší než 3 miliardy dolarů na první elektrárnu o výkonu 570 MWe. Investiční náklady na plynovou turbínu jsou 651 $/kW podle NREL (National Renewable Energy Laboratory). Oproti jaderné elektrárně, kde se palivo podílí na výsledné ceně elektřiny minimálně a hlavní roli hrají investiční náklady, je břidlicový plyn drahé palivo a očekává se, že jeho cena bude v budoucnu růst. Projekt NuScale se zaměřuje také na Velkou Británii, kde může nahradit dosluhující elektrárny. Potenciál pro britský trh je o to větší, že většinovým vlastníkem společnosti NuScale je podnik Fluor, který dlouhodobě spolupracuje s britským jaderným průmyslem.
Tomáš Morochovič
Zdroje:
http://www.nuscalepower.com
http://newsroom.nuscalepower.com/press-release/company/nuscale-powers-small-modular-nuclear-reactor-becomes-first-ever-complete-nucle
https://www.nrc.gov/reactors/new-reactors/design-cert/nuscale.html
Tento článek byl napsán ve spolupráci se studenty oboru Jaderná energetická zařízení Fakulty strojní ČVUT v Praze.
