ENERGETIKA – Marek Ruščák: Malé modulární reaktory – jedna z cest k energetické budoucnosti

V tomto krátkém shrnutí faktů o malých modulárních reaktorech nejprve vysvětlím, jaká je současná energetická situace v Evropě, jakou situaci očekáváme v nejbližších dekádách a jakou roli v tom mají malé modulární reaktory (SMR; Small modular reactors).

 

 

Nejprve k současné situaci. Dle analýzy ČEPS (společnost zajišťující na území České republiky provoz elektroenergetické přenosové soustavy) v roce 2018 byli hlavní vývozci elektřiny Francie a Německo a s odstupem Švédsko a Česká republika. Největšími dovozci pak Itálie, Velká Británie, Finsko a Španělsko. Celkový přehled můžete vidět na obr.1:

 

 

Na základě takzvaného nízkouhlíkového scénáře, kdy bude v provozu pouze modernizovaná elektrárna Ledvice + teplárenství, bude Česká republika čelit poklesu instalované kapacity o 7818 MW. Pro představu, to je téměř 7 nových jaderných elektráren o výkonu 1200 MW. Protože má docházet k zásadní proměně evropské energetiky, bude nová mapa vypadat poněkud jinak. Na obr.2 je pak vidět celková předpokládaná proměna trhu. Za povšimnutí stojí pak Německo (pokles o 43 TWh), ČR (pokles o 44 TWh) a oproti tomu nárůst Francie (plus 36 TWh), Velké Británie (plus 36 TWh) a Španělska (plus 39 TWh).

 

 

Tato předpověď byla stále ještě platná 23. 2. 2022. Následující den, kdy Ruská federace napadla Ukrajinu a začala se zásadně přehodnocovat vazba Evropy na ruský plyn, celá situace se zásadně mění. Zvyšuje se důraz na energetickou samostatnost Evropy jako celku a jednotlivých zemí konkrétně. Mimo krátkodobého prodloužení životnosti uhelných elektráren je odpovědí kombinace obnovitelných zdrojů (OZE) a jaderné energetiky.

Krátce k obnovitelným zdrojům. Různé země mají různý potenciál využití různých OZE. Země, které mají přístup k moři a mohou využít jako zdroj velké větrné farmy na moři, mají zásadní výhodu oproti zemím jako je např. Česká republika, kde je potenciál využití zásadně menší – ovšem rozhodně ne nulový. Tady bych chtěl skutečně zdůraznit, že odpovědí nikdy nebylo a nebude jeden ultimátní zdroj energie. Vždy to bude kombinace a její poměr určí především geografická realita konkrétního regionu.

Protože se zde ale bavíme o jaderné energetice, zaměřím se na ni. Tak jako platí závěr předchozího odstavce pro celkový energetický mix, tak i v jaderné energetice platí škálovatelnost dle velikosti a využití.

Historicky jsme ve světě využívali toho, čemu říkáme velké bloky. Tedy elektrárny s reaktory o výkonech nad 400 MW a v posledních letech se pohybujeme spíše mezi 1000 – 1600 MW. Důvod je relativně jednoduchý. Elektrárna na 800 MW bude vyžadovat obdobně velkou stavbu, systémy a komponenty jako elektrárna na 1600 MW. Pokud uvážíme, že dnes je střední burzovní cena elektřiny kolem 150 €/MWh, můžeme si udělat rychlý výpočet, kolik elektrárna vydělá.

Uvažujme nejprve elektrárnu o výkonu 800 MW. Uvažujme průměrnou délku kampaně 10 měsíců v roce. 10 měsíců je 7300 hodin, tedy 5 840 000 MWh, což znamená výdělek 876 milionů eur, tedy zhruba 21,6 miliardy korun. Provedeme-li stejný výpočet pro elektrárnu s výkonem 1200 MW, dostáváme se na částky 1,3 miliardy eur, tedy 32,4 miliardy korun. V rámci celé životnosti elektrárny (60 – 80 let) to je pak pro 800 MW celkem 1296 – 1728 miliard korun a pro 1200 MW pak 1944 – 2592 miliard korun.

A zdůrazňuji, že investiční, konstrukční a provozní náklady se mezi těmito dvěma zdroji o tolik neliší. Z tohoto důvodu se nikdy o výrazně menších jednotkách nikdy neuvažovalo. Tedy až do momentu, kdy se jaderný průmysl rozhodl zaobírat onou původní premisou: tedy, že investiční, konstrukční a provozní náklady se neliší. A tímto se dostáváme k malým modulárním reaktorům.

Při uvedení malých modulárních reaktorů bych chtěl postupovat mírně na přeskáčku v rámci samotného názvu. Nejprve vysvětlím princip samotného reaktoru, poté proč a co znamená „malý“ a nakonec se zaměřím na modularitu.

Většina dnešních elektráren pracuje na velmi podobném principu. Pomocí paliva (uranu, zemního plynu, uhlí) převádíme tepelnou energii přes sekvenci parogenerátorů a výměníků na parní turbínu, která skrz společnou hřídel roztáčí generátor, který pak přes alternátor posílá elektřinu do sítě.

Reaktorem se pak nazývá nádoba (reaktorová nádoba), ve které probíhá štěpná reakce. Nebudu se tu pouštět do hloubek jaderné fyziky, pro nás je podstatné jediné: generace tepla. Nejčastější současné reaktory ve světě jsou takzvané lehkovodní-tlakovodní.

Lehkovodní, protože využívající lehkou vodu (H2O) jako chladivo a moderátor (látku „zpomalující“ neutrony a umožňující kontrolovanou štěpnou reakci). A tlakovodní, protože reaktor je takový (opravdu) velký papiňák, natlakovaný na 15 MPa a o teplotě vody 300 stupňů.

Reaktorová nádoba je pak součástí takzvaného primárního okruhu, jehož nejpodstatnější součástí je parogenerátor, který slouží jako výměník se sekundárním okruhem, který je pak napojen na turbínu. Na to je pak napojeno téměř nepředstavitelné množství bezpečnostních, čistících a pomocných systémů. Laicky řečeno, jsou to stovky kilometrů trubek, stovky nádob, desítky čerpadel a několik výměníků.

Celé zařízení je natolik složité, že při výstavbě se staví budovy kolem zařízení, než aby se zařízení vkládalo do budovy. A zde je zásadní rozdíl oproti SMR, kde se přistupuje opačně. Cílem je zjednodušit celé zařízení natolik, aby při zachování nebo i navýšení celkové bezpečnosti došlo k možnosti vkládat reaktory do a z budovy.

Dnes životnost jaderné elektrárny definuje reaktorová nádoba, a to právě proto, že ji nelze vyměnit. U SMR se s výměnou počítá, což má za následek zásadního prodloužení celkové životnosti. Vzpomínáte si na ty biliony korun o několik odstavců výše? Díky této filozofii to konečné číslo bude výrazně vyšší.

Teď se pojďme podívat na to slovo „malý“. V jaderné komunitě se využívá relativně široká definice, která završí tento termín hodnou 300 MW elektrických. Zde bych chtěl poukázat na naše české Dukovany s původním výkonem 440 MW a kde jsme velmi blízko k definici malého reaktoru.

Teď si ale můžete říct, proč znovu přestává platit poučka „čím větší, tím lepší?“ Vzhledem k zásadnímu technologickému pokroku v jaderných technologiích jsme dnes již schopni u dostatečně nízkých výkonů zásadním způsobem využít takzvané pasivní bezpečnostní systémy.

Co to znamená? Zjednodušeně řečeno, je-li systém pasivní, není k jeho provozu potřeba elektřina. Čím více takových systémů je, tím jednodušší je celé zařízení. A právě u reaktorů s nižším instalovaným výkonem je možné takových systémů využít daleko více, než u 1200 MW reaktoru. A tady nám právě začíná zásadně klesat konstrukční a provozní náklady.

To poslední a asi nejdůležitější je slovo modulární. Dnes je každý reaktor, každá elektrárna v zásadě unikátní zařízení. Takzvaně na míru je vyrobeno téměř všechno a stejně jako oblek na míru bude stát násobně víc než ten konfekční, tak unikátní elektrárna svou cenu nezapře.

Princip modularity kombinuje výhody z obou předchozích případů. Maximální integrace jednotlivých systémů do uzavřených celků. Mnoho SMR integruje celý primární okruh dovnitř jedné nádoby. To má hned dva zásadní důsledky. Jednak ušetříte mnoho místa a můžete vše vyrobit ve fabrice a dovést na místo, aniž byste museli vše lepit dohromady, a díky eliminaci velkých potrubí anulujete pravděpodobnost havárie vyplývající z protržení potrubí. Nemůžete protrhnout něco, co tam není.

Tím získáme zásadní nárůst v bezpečnosti a zásadní pokles výrobních nákladů. Samé dobré zprávy. Tedy až na jednu a tou je právě ten výkon. V ideálním světě bychom měli takto modulární i velké, 1200 MW reaktory. Ovšem tady narážíme na limity materiálů a jednotlivých komponent a jejich velikost. Aby to fungovalo, musí to být malé.

Jasná otázka pak je znovu ekonomika. Sebelepší zařízení je k ničemu, pokud se nevyplatí stavět. Zde pak nastupuje to, čemu se říká economy of scale. Cena výroby prvního zařízení bude neúměrně vysoká, a to právě proto, že je potřeba vše vyvinout stejným způsobem, jako u těch velkých elektráren.

Ovšem ty malé díky své jednoduchosti a velikosti mohou být velmi snadno následně vyráběny v daleko větších kvantitách. Jakmile máte všechny výrobní stroje, procesy a lidi co to umí dát dohromady, vyrobit druhou, třetí nebo desátou jednotku je už výrazně rychlejší a levnější. Malé modulární reaktory pak budou mít šanci pouze v případě, bude-li jich hodně. A pokud se vrátíme zpět na začátek, energie nám bude chybět opravdu dost.

Významnou výhodou malých modulárních reaktorů je rychlejší návratnost vložené investice. Tu ovlivňuje zejména doba výstavby, kdy stavba polyká obrovské náklady, ale nic nevyrábí. Pokud takové období trvá třeba i 15-20 let, výsledkem je, že až polovinu celkových nákladů představuje cena peněz do projektu vložených. U malých reaktorů je tato doba významně kratší, což znamená významné snížení nákladů na instalovanou jednotku výkonu. Současně pak kratší investiční období, rychlejší výstavba a menší množství dodavatelů snižuje riziko prodlení. Očekává se, že nižší riziko se projeví právě na úrocích z půjček na celý projekt. Tam, kde se dnes velké bloky pohybují v okolí 8 % je značný prostor pro snížení.

Druhou investiční výhodou je celkově menší objem nákladů na stavbu, což činí financování přístupnější širšímu poli zájemců a umožňuje například vytvářet investiční spolupráci s rozumnou návratností vložených prostředků. SMR umožňují menším investorům se významně finančně podílet na projektu a výstavbě právě díky tomu, že je celková pořizovací cena více než desetkrát nižší. Umožňuje to pak uplatnění takzvaného Finského modelu, kdy si velké podniky svou investicí do takového zdroje zajišťují buď garantovanou cenu elektřiny na celou dobu provozu, nebo přímo podíl na zisku z prodeje.

Další výhodou SMR je škálovatelnost, která umožňuje síti s mnoha malými reaktory požít jadernou energii také pro částečnou regulaci sítě. Velký, třeba 1000MW reaktor může produkovat buďto v malém intervalu kolem maxima výkonu nebo být odstavený.

U malých reaktorů je to sice stejné, ale možnost kombinovat výkon třeba 10 stomegawatových reaktorů už dává nejméně 11 stupňů výkonu celé takové skupiny. Současně pak malé reaktory daleko lépe slouží pro takzvanou kogeneraci, tedy výroby jak elektrické, tak i tepelné energie. Velké bloky jsou obecně hůře využitelné pro teplárenství, a to jak z pohledu jejich umístění, tak i vzhledem k samotnému výkonu.

U malých jednotek je pak výrazně jednodušší v případě potřeby dodávat do systému teplo dle aktuálních potřeb. A právě otázka teplárenství je v dnešní době naprosto zásadní. Mnoho regionů spoléhá pouze na uhelné teplárny, které budou dříve či později odstaveny. A vzhledem k současné geopolitické situaci není levný zemní plyn automatická alternativa.

I když je se v důsledku velikosti lépe „rozpustí“ nečasové náklady ve velké elektrárně, dvě výšeuvedené výhody dělají z malých reaktorů jednoznačného favorita.

 

Dede: Děkuju Markovi a připomínám – ptejte se na všechno, co byste rádi věděli, či kde vám něco není jasné. Bez obav, nikdo nepředpokládá, že tu jsou samí experti na jadernou energetiku:)) Marek se pokusí během dne k odpovědím dostat 🙂

 

Aktualizováno: 29.3.2022 — 20:43

30 komentářů

PŘIDAT KOMENTÁŘ
  1. Novinka!!!! ČEZ vyčlenil v jaderné elektrárně Temelín prostor, kde by mohl v budoucnu vzniknout první malý modulární reaktor v Česku.

    Jihočeský hejtman Martin Kuba ČTK řekl, že modulární reaktory by mohly vyřešit i závislost České republiky na ruském plynu a přechod na bezemisní energetiku. V Temelíně by mohly být kolem roku 2034, dodal.

    Zdroj: https://www.idnes.cz/ekonomika/zahranicni/putin-rubl-zemni-plyn-dekret-eu-kupci-zahranici.A220331_155213_eko-zahranicni_jla

  2. Dá se odhadnou doba stavby včetně povolovacích procesů a vytipování lokality? Na cenu se neptám, protože za ty roky už bude úplně jinde (můj odhad je právě několik let, byť se jedná o SMR a nikoliv „velkou“ elektrárnu). Úplně vidím občanská sdružení, účelově založená, jak fungují ne NIMBY efektu. Ano, elektřinu potřebujeme, ale jadernou elektrárnu za mým domem ne.

  3. Velmi zajímavé a povzbuzující pro budoucnost. Díky! Sleduji Váš rodinný projekt od začátku. Snad dostane zelenou v kontextu dnešní doby a zdlouhavé řízení je sice otravné ale když někdo něco moc chce ,tak to podstoupí a my bychom chtěli,je to věc čistá a bez závislosti na plynařovi.

  4. Moc děkuju za velice zajímavý článek.
    Chtěla bych se zeptat, jak je řešena otázka jaderného odpadu. Kolik by toho z takového malého reakturku bylo apod.
    Díky 🙂

    1. Jeden takový malý reaktor bude mít 19 – 37 zkrácených (1.6m vysokých) palivových kazet (PK). Každá PK bude vyhořívat zhruba 10 let. tedy za těch 10 let budeme mít k uskladnění/zpracování těch 39 PK. Tedy každý malý reaktor “vyrobí” zhruba 8 m3 odpadu každých 10 let. Část toho objemu může být buď přepracována a využita znovu, nebo pomocí fluoridových solí může být jejich objem snížen dle konkrétního složení. Finálně pak to palivo bude muset být uloženo pod zemí.

      1. Řešit „odpadky“ jednou za 10 let to už je fakt celkem představitelný 🙂
        Držím palce, ať se projekt dále daří…

  5. Díky za článek, vzhledem k situaci v energetice silně aktuální!
    Mě by zajímalo, kde nakupuje ČR palivo pro jaderné elektrárny (v Rusku?) a jak je u těchto malých reaktorů vyřešena otázka nakládání s odpadem?

    1. ČR nakupovalo do nedávna především v Rusku, ovšem možní dodavatelé jsou i na západě (USA, Francie například). To platí jak pro velké, tak pro malé už jen proto, že je velká snaha aby se ta paliva od sebe moc nelišila. Důvod je jednoduchý: zrychlený licenční proces.

  6. No a má to u nás vůbec šanci přes všechna úřední povolení, Děti Země, Vodu z Tetčic a tak?

    1. Šanci to má a je už několik lokalit, na kterých je výstavba velmi reálná. Je potřeba se na to dívat i tak, že tyto zdroje mohou nahradit ty současné uhelné. To znamená zásadní zlepšení ovzduší a celkového vlivu na okolní životní prostředí. Územní plány a další povolovací procesy trvají dlouho, ale není to nereálné.

  7. Moc se mi to líbí, já se jádra nebojím, předpokládám, že to je velmi dobře zabezpečené. Klidně bych si nějaký mikroreaktůrek nechala postavit (ve stodole je místa dost 😀 ), a měla bych po starosti. Ale a) je to hudba hodně daleké budoucnosti a za b) nevím, kde bych na to vzala 😀
    Děkuju za srozumitelnou osvětu, je to zajímavé a velmi potřeba.

    1. Nějaký dobře zabezpečený mikroreaktůrek by se hodil i v našem činžáku. Když se to dokáže vejít do ponorky, proč ne do činžáku. Jedeme na plyn, který teď Putin asi utne. No, dřívím tam topit nebudu. Vůbec ten dům na jiné než plynové topení není připraven – ani co se týká případných úložných prostor – takový malý jaderný kotlík by ani nemusel být moc velký, aby utáhl činžák… Ale je fakt, že tohle je opravdu hudba daleké budoucnosti. Asi se budeme muset poohlédnout po něčem dosažitelnějším.

  8. Pro zájemce o prototypy zde: https://www.rolls-royce.com/innovation/small-modular-reactors.aspx#/ a zde https://www.nuscalepower.com/projects/carbon-free-power-project – to je projekt ve výstavbě v Utahu. Jinak malé modulární reaktory najdete na ponorkách, ale obávám se, že to nebude na exkurzi :-). Píšu to proto, že to odpovídá na otázku zda existují. Teď je principiální úloha dostat je přes civilní schvalování – a to se v Utahu a obecně v US NRC (obdoba SÚJB) povedlo.

    1. Neoverene zvesti: Diablo Canyon, posledni fungujici jaderna elekrarna v Kalifornii, ma dva reaktory Westinghouse. Adaptovane podle osvedceneho navrhu pro ponorky. Vyhody: Melo to byt levne a postavene rychle. Ale: aby to nepopraskalo pri blizkem vybuchu hlubinne naloze, vsechno muselo byt pruzne. Kalifornske predpisy vyzadovaly, aby vsechno bylo pevne. Vysledek: trojnasobna cena a doba vystavby.

      1. ano, neoverene a ano, zvesti. Diablo Canyon 1100 MW, ponorka 150-200, jine palivo, uplne jiny design, ano, oboji tlakovodni. Jinymi slovy: hrusky a jabka

  9. Děkuju Markovi též za článek a opět vyzdvihuji to, že je srozumitelný i laikovi. Moje otázka – jak to vypadá s vývojem?

    1. Děkuji 🙂 Vývoj u lehkovodních malých reaktorů je poměrně daleko a několik typů by mělo být připraveno k výstavbě na začátku 30 let.

  10. Mám sice věk, „kdy už to nějak doklepu“, ale tahle energetická budoucnost lidstva se mi líbí.

  11. Sleduju ten vývoj už od prvotní myšlenky a hledání názvu, protože je to takový rodinný projekt:)) Martin s tím nápadem (a jménem:)) přišel a Marek velmi úspěšně navázal.
    Pokud vím, byl tento projekt poměrně dlouho jen v oblasti „dobrý nápad, stojí za to se nad ním zamýšlet“, ale nic víc. Teprve poté, co Rusko vpadlo na Ukrajinu a ukázala se velmi naléhavá potřeba maximálně snížit závislost Evropy na dodávkách jeho ropy a plynu, má SMR i reálnou šanci na realizaci. Podle mě je to skvělý nápad – svojí stabilitou to vyfutruje jiné čisté zdroje energie a škálovatelnost umožní efektivní řízení celé soustavy.
    Díky, Marku, za velmi srozumitelný článek – věřím, že nebylo snadné ho napsat, když to ve své hlavě vidíš mnohem komplikovaněji:))

    1. Připojuji se k dotazu, taky bych ráda zašla na exkurzi, aspoň na virtuální.

      Moc pěkný článek, Marku. Ekonomické hledisko je vysvětleno naprosto jasně, výhody taky. Takže mám malou rýpavou otázku – našla by se i nějaká nevýhoda nebo problém k dořešení? (Sice patřím k fanouškům modulárních reaktorů, ale chci znát i druhou stranu mince.)

      1. Největší nevýhoda obecně je složitost povolovacího procesu a tam zdaleka nejde jen o atomový zákon, ale především o ten stavební. Nemluvě pak o otázce posuzování vhodných lokalit, kde přidružené procesy mohou drvat i 10 let. Výstavba je proti tomu už skoro maličkost. 🙂 pokud jde o fungující prototyp, tak ty jsou v jižní Koreji a v USA.

        1. Omlouvám se za pozdní dotaz, ale jaký typ reaktoru je v Řeži? Měla jsem za to, že něco takového.

          1. V Řeži jsou dva experimentální reaktory. Jeden o instalovaném výkonu 15 MW, ovšem provozován na 9.8 MW. Ten je takzvaný bazénový typ, tedy palivovo je ponoženo ve vodním bazénu pod atmosférickým tlakem a reaktor je využívám především pro ozařování a produkci radiofarmak. Druhý reaktor je reaktor nulového výkonu pro výzkum neutroniky a jedná se o model reaktoru v Temelíně, radiálně 1:1 a výškově zkrácený. Reaktor je také beztlaký.

            1. Díky za odpověď a přeji SMR do každého krajského města 😀 (to by ale šlo, ne? Energie i teplo přímo pod nosem)

        2. To bylo první, co mě napadlo: stavební povolení.
          A druhá věc: aktivisté, kteří do toho (podle mě s podporou Ruska, nebylo by to poprvé) házet vidle.

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.


Náš Zvířetník - DeDeník © 2014 VYTVOŘENÍ NOVÉHO UŽIVATELE - PŘIHLÁŠENÍ SE NA STRÁNKY - ADMIN