SMR - malé modulární jaderné reaktory Lubor Žežula
ÚJV Řež, a. s.
Konference „ENERGETIKA MOST 2016“, Most - 16.6.2016 1
Malé reaktory - definice Podle klasifikace Mezinárodní agentury pro atomovou energii: „Malý reaktor“ je reaktor s ekvivalentním elektrickým výkonem méně než 300 MW, „Střední reaktor“ je reaktor s ekvivalentním elektrickým výkonem 300 až 700 MW, „Velký reaktor“ je reaktor s ekvivalentním elektrickým výkonem nad 700 MW.
MAAE pro malé a střední reaktory používá zkratku SMR (Small and Medium Reactors); tato zkratka se hodí i pro češtinu (jen v obráceném pořadí – Střední a Malé Reaktory). V USA se používá pojem „malé modulární rektory“ (ve zkratce rovněž SMR). 2
Obecné charakteristiky SMR Hlavní přednosti SMR: Zvýšená bezpečnost, spolehlivost, jednoduchost; použití pasivních systémů a principů inherentní bezpečnosti; Menší inventář radioaktivity, možnost menší zóny havarijního plánování; větší flexibilita při výběru lokality; Menší absolutní investiční náklady, flexibilita v časovém rozložení investice; Možnost postupného zvyšování výkonu jaderného zařízení po modulech; Kratší doba výstavby; Vhodnost pro kogeneraci i neelektrické víceúčelové aplikace ; Odolnost proti zneužití jaderných materiálů. 3
Nevýhody SMR: Neověřenost projektů; Neexistence specifické legislativy, která by umožnila využít všech předností SMR a s tím související nejistota v procesech licencování; Vyšší měrné kapitálové náklady a cena vyrobené energie ve srovnání s velkými pokročilými reaktory.
Typy malých reaktorů Lehkovodní malé reaktory Technologie lehkovodních reaktorů jsou ve světě nejlépe osvojené. Malé reaktory lehkovodního typu mohou využívat technologií a zkušeností jednak z již provozovaných velkých reaktorů 3. generace, jednak z lodních reaktorů výkonově i konstrukčně obdobných. Lehkovodní SMR představují nejmenší riziko v oblastech technologie, licencování i financování mezi všemi typy SMR a budou zřejmě prvním komerčně využívaným typem. Rozdělení malých lehkovodních reaktorů:
Tlakovodní (PWR) integrální uspořádání se systémem výroby páry a kompenzace objemu/tlaku uloženým uvnitř reaktorové nádoby smyčkové uspořádání s reaktorovou nádobou a externími parogenerátory Varné (BWR) 4
Typy malých reaktorů Rychlé reaktory chlazené sodíkem Ve světě jsou v průmyslovém provozu jen dva sodíkem chlazené rychlé reaktory (SFR): BN-600 a BN-800 v Rusku. Mezi pokročilými SMR je nejdále japonský projekt 4S o výkonu 10 MWe, práce na SFR zřejmě probíhají i v Rusku. Rychlé reaktory chlazené slitinou olovo-vizmut Reaktory chlazené slitinou Pb-Bi jsou používány k pohonu ponorek, lze je snadno přizpůsobit energetickým aplikacím. Vývoj SMR tohoto typu proto probíhá v zemích, které touto technologií disponují, tj. v Rusku, USA a ve Francii. Vysokoteplotní reaktory chlazené plynem Vysokoteplotní reaktory (HTGR, VHTR) jsou chlazené heliem s výstupní teplotou 800-1000°C. Vysokoteplotní projekty jsou vyvíjeny v Číně, Japonsku a ve spolupráci mezi USA a Ruskem. Vysokoteplotní reaktory jsou hlavní linií SMR, uvažovanou pro dodávky tepla pro vysokoteplotní průmyslové aplikace a výrobu vodíku. 5
Příklady projektů: Tlakovodní SMR
6
Reaktor BWXT mPower™ mPower™ BWXT mPower™ Typ: tlakovodní integrální Tepelný výkon: 400 MWt Elektrický výkon: 195 MWe Obohacení paliva: 5% Cyklus výměny paliva: 5 roků Projektant: BWX Technologies, Inc., Bechtel Co. Možné aplikace: výroba elektrické energie
Stav projektu: žádost o certifikaci projektu v r. 2013
Lokalita: Tennessee Valley Authority - žádost o předběžné stav. povolení (Early Site Permit Application) 13.5.2016 Clinch River 6 modulů ? Srovnání typického PWR (bez horního bloku) s integrálním reaktorem mPower 7
Reaktor NuScale NuScale (NuScale Power Modular and Scalable Reactor) Tepelný výkon:
160 MWt
Elektrický výkon:
50 MWe
Obohacení paliva:
4,95%
Cyklus výměny paliva:
24 měsíců
Kapitál. investice:
< 5100 $/kW
Projektant: NuScale Power Inc. Možné aplikace: výroba elektrické energie Stav projektu: žádost o certifikaci projektu v r. 2012 dokončení 1. bloku v r. 2020? Modul NuScale v kontejnmentu ponořený v bazénu 8
Reaktor VBERVBER-300 VBER-300 Typ: Tlakovodní reaktor (PWR) Tepelný výkon: 917,00 MWt Elektrický výkon: 325,00 MWe Délka pal. cyklu: 6×1 r. nebo 3x2 r. Obohacení paliva: 4,25 – 4,95% Kapitál. investice: 3500 $ / kW Projektant: OKBM Afrikantov, Nižnij Novgorod Možné aplikace:
Obr. 5.2. Primární systém VBER300
výroba elektrické energie; kombinovaná výroba elektřiny a tepla pro dálkové vytápění; odsolování mořské vody
Stav projektu: Koncepční projekt. Primární systém VBER-300
9
Reaktor KLTKLT-40S KLT-40S Typ: tlakovodní reaktor (PWR) Tepelný výkon: 2x150 MWt Elektrický výkon: 2x35 MWe Cyklus výměny paliva: ~ 2,3 r. Kapitál. investice: 4000 $/kW Projektant: OKBM Afrikantov, Nižnij Novgorod Možné aplikace: výroba elektrické energie; vytápění; pitná voda / odsolování mořské vody.
Stav projektu: ve výrobě (lodní) Výroba od roku 2007 Uvedení do provozu: 2017-18
Lokalita: Kamčatka
10
Příklady projektů: SMR chlazené tavenými kovy
11
Reaktor SVBR 100 SVBR-100 Typ: rychlý reaktor chlazený Pb-Bi Tepelný výkon: 280 MWt Elektrický výkon: 101,5 MWe Cyklus výměny paliva: jednorázový Obohacení paliva: 16,1% Projektant: OKB Gidropress, NIKIET Možné aplikace: výroba elektrické energie; vytápění; výroba pitné vody. Stav projektu: povolení lokality 2012 stavební povolení 2013 1. blok 2020? Lokalita: Dimitrovgrad 12
Reaktor Gen4 Module (G4M) G4M Typ: rychlý reaktor chlazený Pb-Bi Tepelný výkon: 70 MWt Elektrický výkon: 25 MWe Cyklus výměny paliva: 10 roků Obohacení paliva: 19,75% Projektant: Gen4 Energy (GEN4), Inc. Možné aplikace: výroba elektrické energie;
Stav projektu: koncept. projekt není certifikace 1. blok po roce 2020? Uspořádání bloku Gen4 Module
13
Reaktor 4S 4S (Super-Safe, Small and Simple Reactor) Typ: rychlý reaktor chlazený sodíkem Tepelný výkon: 30/135 MWt Elektrický výkon: 10/50 MWe Výměna paliva: 30 roků - celá AZ Obohacení paliva: 12.0 / 19.0% Projektant: Toshiba, Central Research Institute of Electric Power Industry (CRIEPI) Možné aplikace: výroba elektrické energie odsolování výroba vodíku
Stav projektu: Předaplikační revize projektu u U.S. NRC v 2007
Lokalita: N/A
14
Současný stav vybraných projektů SMR SMR CAREM-25 Argentina KLT-40S Ruská federace SMART Republic of Korea BWXT mPower™, USA NuScale USA SMR-160 USA Westinghouse SMR, USA
Technologie
Electrický výkon, MW
PWR PWR
2
PWR PWR
1 až 10×
PWR
12 ×
jeden modul
35
zdvojený modul vestavěný do plavidla
Licencován výstavba zahájena 8.2.2014 Licencován ve výstavbě, do provozu 2017-18
90
jeden modul
Licencován
195
multi modul
50
multi modul
140
PWR
225
PWR
SVBR-100 Ruská federace
Pb-Bi cooled fast reactor
Stav licencování
27
PWR
VBER-300 Ruská federace
Konfigurace JE
1 až 2 ×
302
N×
100
Licensing pre-application první vítěz grantu US DOE Licensing pre-application druhý vítěz grantu US DOE Limited pre-application interactions with NRC (projekt ukončen)
jeden modul nebo zdvojený modul postavený na souši, nebo vestavěný do plavidla jeden modul nebo multi modul
n/a
Licencování probíhá, zahájení výstavby 2016?
Současný stav vybraných projektů SMR ve světě ke konci roku 2015
15
Reaktor CAREM 25
https://www.youtube.com/watch?v=TCYPafKI1Jk
16
8.2.2014
Reaktor KLTKLT-40S 27.9.2013
Floating nuclear co-generation plant (FNCP) “Akademik Lomonosov”
17
Bezpečnost SMR Všechny projekty SMR sledované MAAE, jsou řešeny s ohledem na zajištění vysoké úrovně bezpečnosti a tedy na splnění bezpečnostních standardů MAAE (IAEA Safety Standard NS-R-1 "Bezpečnost jaderných elektráren"). Americké projekty modulárních SMR jsou řešeny tak, aby splňovaly stávající předpisy US NRC, připravují se úpravy předpisů pro SMR. U všech projektů je uplatněna bezpečnostní strategie ochrany do hloubky, založená na vícenásobných bariérách proti úniku radioaktivních látek. V projektech jsou využívány principy a prvky inherentní a přirozené a pasivní bezpečnosti. Frekvence poškození aktivní zóny (CDF) pokročilých SMR podle údajů projektantů jsou až o řád nižší (10-8) než u velkých lehkovodních reaktorů . Ochrana SMR proti vnějším událostem a zásahům je řešena bezpečnou konstrukcí a často i podzemním uložením kontejnmentů (včetně opatření proti těžkým haváriím). Bezpečnostní funkce SMR jsou podrobovány analýzám a opatřením podle poučení z havárie JE Fukušima.
18
Základní bezpečnostní koncept pasivní bezpečnosti
ESFAS - Engineered Safety Feature Actuation Systems
19
Primární okruh reaktoru NuScale
20
Primární okruh reaktoru BWXT mPower mPower™ ™
21
Časové možnosti nasazení reaktorů NuScale a mPower
22
Ekonomika SMR
Struktura nákladů na výrobu elektřiny v JE (OECD Data) Kapitálové investice na výstavbu jaderných elektráren obvykle představují přibližně 60% z celkových nákladů na výrobu elektřiny, zatímco náklady na provoz a údržbu představují přibližně 25% a náklady palivového cyklu představují 15% celkových nákladů na výrobu elektřiny. Cena samotného přírodního uranu představuje asi 5%. Z toho vyplývá, že náklady na výrobu elektřiny v jaderných elektrárnách jsou citlivé na stavební a investiční náklady a velmi málo závislé na ceně paliva.
23
Proč zvažovat SMR pro potřeby ČR Soustavy centralizovaného zásobování teplem (CZT) zajišťují dodávku tepla pro přibližně 35% domácností v České republice - vyjma dodávek dalším zákazníkům. Uhlí - jako převažující palivo pro centralizované zásobování teplem – otázka zabezpečení jeho dodávek Většina stávajících tepláren je zastaralá a tyto teplárny musí být nahrazeny novými zdroji tepla. Jací jsou kandidáti pro nahrazení zastaralých zdrojů tepla pro CZT?
Uhlí
nízké disponibilní zásoby; emise
Plyn
vysoké náklady; emise; zabezpečení dodávek
Biomasa
nízká kapacita; emise
Teplo z JE
omezená dostupnost
SMR
historické pokusy o využití tepla z JE v ČR zájem některých měst
24
Vhodné typy a aplikace SMR v ČR Využití SMR v ČR lze uvažovat ve dvou oblastech: Výroba tepla v systémech centrálního zásobování teplem. Výroba elektrické energie ve formě JE složené z více bloků SMR – oproti JE obsahující menší počet velkých jaderných bloků.
Pro ČR jsou vhodné SMR tlakovodního typu z důvodů: znalosti a zkušenosti ČR s technologií a provozem tlakovodních reaktorů VVER, orientace legislativy ČR na tento typ, existující know-how a infrastruktura v této oblasti: výzkumná základna, inženýrské a projektové oganizace, průmyslové podniky, výchova pracovníků. 25
Vhodné typy a aplikace SMR v ČR Legislativa ČR V ČR je využívání jaderné energie řízeno Atomovým zákonem a příslušnými prováděcími předpisy. Legislativa platí pro všechna jaderně energetická zařízení bez rozdílu velikosti a výkonu, tedy i pro malé a střední reaktory. Všechny předpisy v ČR jsou vytvořeny na základě zkušeností s lehkovodními reaktory. Jedna ze základních zásad bezpečnosti je použití ověřeného projektu; tento požadavek zatím žádný SMR nesplňuje. Legislativa nebrání výstavbě malých a středních reaktorů v ČR za podmínky dodržení všech jejích ustanovení a náležitostí. Při jejím dodržení nebude zřejmě možné využít všech předností, které tyto reaktory nabízejí, např. umístění v blízkosti osídlení, zmenšení zóny havarijního plánování apod. SMR si vyžádá úpravy legislativy (v současné době se úpravy legislativy připravují v USA (NRC, EPRI)).
26
Závěry SMR mohou být jednou z cest jak řešit problematiku CZT v České republice. SMR může snížit závislost na volatilních komoditách a zvýšit energetickou bezpečnost ČR. Výroba/výstavba SMR je velkou příležitostí pro český energetický průmysl a stavebnictví s celkovým pozitivním dopadem na českou ekonomiku. Podpořit zájem energetických a teplárenských společností a energetického průmyslu České republiky o výzkum a vývoj technologií SMR. Zkušenosti ČR v oblasti vývoje, výstavby a provozu jaderných zařízení mohou usnadnit nasazení SMR v ČR. SMR představují výzvu pro politiky a státní správu, aby bylo včas připraveno vhodné legislativní prostředí s dobrým odůvodněním. Nasazení SMR může těžit z dobré přijatelnosti jaderné energie v ČR. Nasazení SMR je v souladu s požadavky EU na snížení emisí plynů. 27
Děkuji za pozornost
28
