Małe Reaktory SMR (Small Modular Reactors)

to nowoczesne, niewielkie reaktory jądrowe o mniejszej mocy w porównaniu z tradycyjnymi dużymi elektrowniami jądrowymi. Oto kilka kluczowych informacji na ich temat:

Źródło: NuScale, GE Hitachi, Westinghouse, Rolls Royce

Skalowalność i modułowość

SMR są zaprojektowane jako modułowe jednostki, co oznacza, że mogą być produkowane seryjnie w fabrykach i transportowane na miejsce instalacji. Dzięki temu możliwe jest stopniowe zwiększanie mocy elektrowni przez dodawanie kolejnych modułów.

Mniejsza moc

Typowa moc reaktorów SMR wynosi od kilkudziesięciu do kilkuset megawatów (MW), w przeciwieństwie do dużych reaktorów jądrowych, które mogą osiągać moce rzędu kilku gigawatów (GW). Wielu potencjalnych odbiorców jest bardziej zainteresowanych wdrożeniem reaktorów o mocy kilkuset megawatów niż kilku gigawatów.

Bezpieczeństwo

SMR są projektowane z myślą o niezawodnym bezpieczeństwie. Zawierają liczne pasywne systemy chłodzenia i inne mechanizmy, które minimalizują ryzyko awarii i gwarantują bezpieczeństwo eksploatacji.

Zastosowania

SMR mogą być stosowane nie tylko do produkcji energii elektrycznej, ale również do innych celów, takich jak ogrzewanie miejskie, gorąca para dla przemysłu chemicznego czy produkcja wodoru.

Elastyczna lokalizacja

Dzięki swojej niewielkiej wielkości i niższym wymaganiom infrastrukturalnym, SMR mogą być instalowane w miejscach, gdzie budowa tradycyjnej elektrowni jądrowej byłaby niemożliwa lub nieopłacalna, np. w odległych regionach lub w miejscach o ograniczonej przestrzeni.

Czas budowy i koszt

Produkcja i montaż SMR zajmuje mniej czasu w porównaniu z budową dużych reaktorów. Również koszty inwestycyjne są zazwyczaj niższe, co może uczynić je bardziej atrakcyjnymi dla inwestorów.

Małe reaktory modułowe (Small Modular Reactors — SMR) to w wielu przypadkach pomniejszone wersje tradycyjnych reaktorów jądrowych znanych z istniejących elektrowni atomowych. W dużym skrócie proces wytwarzania energii elektrycznej w takich konstrukcjach przebiega następująco:

  • W rdzeniu reaktora dochodzi do kontrolowanej reakcji łańcuchowej rozszczepienia jąder atomowych paliwa jądrowego czyli uranu.
  • Para wodna napędza turbinę.
  • Uwolniona energia powoduje ogrzewanie znajdującej się w reaktorze wody, która zmienia się w parę o wysokim ciśnieniem.
  • Ruch turbiny generuje energię elektryczną.

Ten sam schemat działania jest wykorzystywany w reaktorach SMR, jednak w porównaniu z tradycyjnymi reaktorami nowa technologia pozyskiwania energii z atomu wprowadza szereg zmian, które mają na celu redukcję kosztów budowy i zapewnienie niezawodnego bezpieczeństwa w konstrukcjach modułowych.

Rodzaje reaktorów dla elektrowni jądrowych (klasyfikacja)

Typy reaktorów jądrowych

Obecnie eksploatowane reaktory w energetyce zawodowej to najczęściej reaktory chłodzone zwykłą wodą – wodne ciśnieniowe – Pressurized Water Reactor (PWR) i reaktory z wodą wrzącą – Boiling Water Reactor (BWR) lub chłodzone gazem tzw. zaawansowane reaktory chłodzone gazem – Advanced Gas Reactor (AGR). Odmiennym typem reaktorów jest kanadyjski reaktor z paliwem jądrowym nie wymagającym wzbogaconego uranu, ale wymagający za to ciężkiej wody do podtrzymywania reakcji łańcuchowej Canadian Deuterium Uranium (CANDU). Niefortunnym typem reaktora jest wycofywany obecnie z eksploatacji reaktor wodno-grafitowy dużej mocy Rieaktor Bolszoj Moszcznosti Kanalnyj (RBMK). Kilka reaktorów tego typu pracują jeszcze wyłącznie w Rosji.

Konstrukcja i efektywność

W reaktorze chłodzonym wodą rdzeń reaktora zawierający paliwo jądrowe umieszczony jest w grubościennym stalowym zbiorniku, przystosowanym do wytrzymania odpowiednio wysokiego ciśnienia sięgającego od 7 do 16 MPa. Tak wysokie ciśnienie wymagane jest po to, aby chłodziwo wodne mogło osiągać wysoką temperaturę, co ma wpływ na sprawność wytwarzania energii elektrycznej. Reaktory tego typu charakteryzują się stosunkowo prostą konstrukcją rdzenia oraz niewielkimi rozmiarami.

Wymiana paliwa jądrowego

Wymiana paliwa odbywa się okresowo co rok lub co kilka lat w zależności od strategii eksploatacji reaktora; niezbędne jest wówczas wyłączenie reaktora.

Reaktor typu BWR (Boiling Water Reactor)

W 1953 roku opracowano w Stanach Zjednoczonych pierwszy eksperymentalny model reaktora EBWR (Experimental Boiling Water Reactor – Reaktor Wodny Wrzący). Na tym reaktorze przeprowadzono szereg badań i testów mających na celu sprawdzenie, czy proces wrzenia wody w rdzeniu reaktora nie powoduje niestabilności uniemożliwiających bezpieczna eksploatację takich reaktorów. Przeprowadzono setki prób, również z niekontrolowanym wzrostem mocy reaktora, które wykazały stabilność i bezpieczeństwo eksploatacji technologii wodno-wrzących reaktorów. Już w 1955 roku reaktor tego typu zasilił w energię elektryczną liczące 1200 mieszkańców miasteczko Arco i rozwój tej technologii nabrał rozpędu.

Reaktor wodny wrzący (BWR)to typ reaktora jądrowego, w którym woda działa zarówno jako chłodziwo, jak i moderator neutronów. Jest to jeden z dwóch głównych typów reaktorów lekkowodnych, obok reaktora ciśnieniowego (PWR). Oto kluczowe cechy reaktora BWR:

Zasada działania

Chłodziwo

Woda przepływa przez rdzeń reaktora, gdzie odbiera ciepło wytworzone w wyniku reakcji rozszczepienia jądrowego zachodzącego w paliwie jądrowym.

Wrzenie

Woda przepływając przez rdzeń reaktora osiąga temperaturę wrzenia, co powoduje, że woda zamienia się bezpośrednio w parę wodną o wysokim ciśnieniu wewnątrz reaktora.

Turbina

Para wodna jest następnie kierowana bezpośrednio do turbin, które napędzają generatory wytwarzające energię elektryczną

Struktura

Pręty sterujące

Rolą prętów sterujących jest regulacja mocy reaktora jak również umożliwienie wyłączanie i uruchamianie reaktora. W reaktorze BWR pręty kontrolne są wprowadzane od dołu rdzenia reaktora.

Pasywne systemy chłodzenia

W nowoczesnych konstrukcjach BWR stosuje się różne pasywne systemy chłodzenia. Pasywne czyli takie, które mogą działać bez zasilania zewnętrznego w przypadku awarii systemu elektrycznego.

Zastosowania

Reaktory BWR są powszechnie stosowane w elektrowniach jądrowych na całym świecie. Pierwszy komercyjny reaktor BWR został uruchomiony w latach 60. XX wieku.

Cechy charakterystyczne BWRX-300

— To dziesiąty, ewolucyjny model reaktora BWR rozwijany konsekwentnie przez firmę General Electric (GE) i GE Hitachi

— W BWRX-300 zastoswane są rozwiązania opracowane dla l reaktora Economical Simplified Boiling Water Reactor (ESBWR) i licencjonowanych przez Amerykański dozór jądrowy – NRC – wydał licencję dla reaktora ESBWR w roku 2014.

— Konstrukcja reaktora uwzględnia:

  • możliwości kogeneracji czyli produkcję elektryczności i ciepla do wykorzystania dla celów przemysłowych i komunalnych
  • regulację mocy dopasowaną do zmiennych wymagań sieci energetycznej („load-follow”)
  • produkcję wodoru i paliw syntetycznych.

Reaktor BWRX-300

— Projekt BWRX-300 bazuje na sprawdzonej od ponad 60 lat technologii reaktorów wodnych wrzących (BWR). Na świecie zbudowano do tej pory ponad 90 reaktorów opartych na tej technologii, w tym 67 reaktorów autorstwa GE i GE Hitachi.

— Pierwsza elektrownia z reaktorami BWRX-300 powstanie w Kanadzie w 2029 roku. BWRX-300 będzie budowany także przez inne firmy w Ameryce Płn. (Kanada, Stany Zjednoczone) i Europie (Polska, Szwecja, Czechy).

— SMR-y buduje się na stosunkowo małym obszarze. Cała instalacja z reaktorem BWRX- 300 zmieści sie na terenie o wymiarach 260 x 332 m. Sam blok energetyczny, czyli reaktor BWRX-300, turbiny oraz reszta instalacji zajmują obszar o wymiarach boiska piłkarskiego.

— Elektrownie i elektrociepłownie z małymi reaktorami nie będą znacząco obciążać lokalnej gospodarki wodnej, gdyż nie wymagają dużych ilości wody do eksploatacji.
— Moc małego reaktora można płynnie regulować, co pozwala na elastyczną współpracę z OZE, charakteryzujące się dużą zmiennością produkowanej mocy.

Specyfikacja techniczna BWRX-300

Dostawca: GE-Hitachi Nuclear Energy (USA)
Typ reaktora: wodny wrzący (BWR)
Moc brutto/netto: elektryczna 300/280 MWe, cieplna 870 MWt
Projektowany okres eksploatacji: 60 lat z przewidywanym przedłużeniem
nawet do 90 lat
Współczynnik wykorzystania mocy: 90-95%
Czas budowy: 24-36 miesięcy

— Teren elektrowni o powierzchni ok. 10 ha, stanowiący w przybliżeniu 10% terenu wymaganego dla dużego bloku jądrowego, a także mniejszy niż wymagany dla bloku węglowego o zbliżonej mocy.
— Współpraca z OZE: możliwa zmiana mocy do 50%’– 0,50% mocy/minutę.
— Dostosowany do produkcji energii elektrycznej i cieplnej – zastosowania w ciepłownictwie i przemyśle, w tym produkcji wodoru.
— Ewolucyjny produkt dziesięciu generacji reaktorów wodnych wrzących (BWR) zaprojektowanych przez GE i GE Hitachi.
— BWRX-300 jako rozwiązanie ewolucyjne, a nie rewolucyjne jest w pełni
bezpieczny – wykorzystuje sprawdzone i licencjonowane elementy konstrukcyjne.

Bariery ochronne reaktora BWRX-300
Wykorzystanie BWR-300 dla gospodarki bezemisyjnej

Potencjał reaktorów SMR

Możliwość instalacji kolejnych identycznych bloków w jednej lokalizacji znacznie obniża obciążenie finansowe inwestycji, a także umożliwia dopasowanie do bieżącego lokalnego popytu na energię

Dopasowanie do potrzeb państw posiadających nieduże sieci energetyczne i niewielkie doświadczenie we wdrażaniu energetyki jądrowej

Rozmiary obiektu, prostota, kompaktowość i integralność konstrukcji oraz wykorzystywanie pasywnych systemów bezpieczeństwa pozwoli na ograniczenie stosowania skomplikowanych i zwielokrotnionych układów bezpieczeństwa

Wymagania w zakresie dostępu do wody chłodzącej umożliwiają rozmieszczanie obiektów blisko potencjalnego odbiorcy, nie tylko na wybrzeżu morskim, ale także w głębi lądu, w rejonach odległych i niedostępnych do zasilania w energię lub do różnych projektów wydobywczych (kopalń, szybów gazowych i naftowych)

Różnorodność technologii i uzyskiwane temperatury czynnika chłodzącego umożliwiają projektowanie obiektów nie tylko do celów energetycznych. Mogą być stosowane także do odsalania wody, ogrzewania, procesów chemicznych. Możliwość usunięcia obiektu w całości po zakończeniu jego eksploatacji lub demontaż na miejscu.

Ekonomika serii produkcyjnej pozwoli na dalszą redukcję kosztów wytwarzania

Możliwość umieszczenia bloku jądrowego pod powierzchnią ziemi zwiększa jego odporność na zagrożenia naturalne (trzęsienia ziemi, tsunami) oraz zewnętrzne (upadek samolotu, terroryzm, nieproliferacja)

Źródła: opracowania własne, nukleo.pl, Orlen Synthos Green Energy