Malý modulární reaktor (anglicky Small Modular Reactor, zkratka SMR) je speciálním typem reaktoru do výkonu 300 MWe, který je složen z jednotlivých modulů. Tyto moduly se ve větší míře konstruují již ve výrobním závodě a následně se na místě instalace pouze pospojují v jeden funkční celek. Modularita umožňuje rychlou a jednoduchou instalaci, což výrazně snižuje instalační náklady v porovnání s konvenčními jadernými reaktory. [1]
Mezi výhody patří dlouhá doba palivové kampaně v řádu několika let až desítek let. Pro výměnu paliva se modul reaktor převáží do závodu k výměně palivových kazet a zároveň je nahrazen novým modulem. SMR obsahují pokročilé prvky inherentní bezpečnosti, čímž prakticky omezují zónu havarijního plánování na hranici území elektrárny. [2]
Dělení malých modulárních reaktorů
Lehkovodní reaktory (LWR – Light-water reactor)
Lehkovodní reaktory dělíme na 2 hlavní typy, na tlakovodní (PWR) a varné (BWR). Rozdíl mezi těmito reaktory je převážně v principu ohřevu vody v reaktoru. Tyto typy reaktorů jsou ve světě nejrozšířenější a zprostředkovávají přes 80 % veškerého instalovaného výkonu jaderných reaktorů. [3]
Tlakovodní reaktor (Pressurized Water Reactor) je typ reaktoru, který je chlazen a moderován vodou. Voda se v primárním okruhu ohřívá pod vysokým tlakem a následně předává tepelnou energii skrze parogenerátor do sekundárního okruhu. Tepelná energie v sekundárním okruhu generuje páru, která pohání turbogenerátor, jenž produkuje elektrickou energii. Palivo je ve formě tabletek oxidu uraničitého UO2, které jsou uspořádány do palivových tyčí. Tyče s palivem se vyměňují v průměru jednou za 1-2 roky. Tento typ reaktoru je nejrozšířenější na světě. [5]
Varný reaktor (Boiling Water Reactor) je druhým nejrozšířenějším typem reaktorů po PWR. Palivem je, stejně jako u PWR, mírně obohacený uran ve formě palivových tabletek UO2. Stejné je i chladivo a moderátor v podobě vody. Rozdíl je v ohřevu vody v reaktoru, kde se voda ohřívá až do jejího varu přímo v reaktoru, následně se vysuší a proudí skrze turbínu pohánějící elektrický generátor. Z toho vyplývá, že varné reaktory jsou jednookruhové, čímž jsou oproti PWR sníženy ztráty a je zvýšena tepelná účinnost. Nevýhodou je snížená bezpečnost, neboť turbínou proudí radioaktivní voda, což v případě PWR neplatí. [5]
Těžkovodní reaktor (PHWR – Pressurised Heavy Water Reactor)
Tento typ reaktoru byl původně vyvinut v Kanadě pod názvem CANDU. Postupně byl exportován do jiných zemí a dnes mu přináleží třetí příčka v žebříčku nejužívanějších reaktorů. Palivem je přírodní uran ve formě oxidu uraničitého, ke chlazení a moderaci štěpení slouží těžká voda D2O. Jedná se o dvouokruhový reaktor, kdy těžká voda z primárního okruhu předává tepelnou energii obyčejné vodě v sekundárním okruhu skrze parogenerátor, ze kterého je pára vedena do turbíny. [5]
Reaktor s roztavenými solemi (MSR – Molten Salt Reactor)
Reaktor s roztavenými solemi funguje na principu rozpuštěného paliva v roztavených solích na bází fluoru, sloužící jako chladivo aktivní zóny. Dříve se tyto reaktory testovaly s tepelnými neutrony, přičemž moderátorem sloužil grafit, ale tato kombinace se ukázala jako nebezpečná z hlediska zneužití jaderného materiálu. Z tohoto důvodu se nově prosazují reaktory s rychlými neutrony bez potřeby moderátoru. Cílem je spojit výhody rychlého reaktoru, kdy se například využije vyhořelé palivo z LWR a umožní se provoz za nízkého tlaku, čímž se sníží množství požadavků na konstrukci reaktoru. Jelikož mají tekuté soli vysokou objemovou tepelnou kapacitu i teplotu varu, považují se za více bezpečné a umožňují menší rozměry než LWR. [3]
Rychlý množivý reaktor (FBR – Fast Breeder Reactor)
Rychlé reaktory se od ostatních reaktorů liší v principu štěpení paliva, kdy je palivo štěpeno rychlými neutrony. Palivo je podobné jako u lehkovodních reaktorů, uspořádané v palivových tyčích na bázi UO2 či znovupoužitelného paliva MOX. Chladivo je nejčastěji v podobě tekutých kovů (sodík, olovo) či v podobě plynu (helium). Moderátor není potřeba, neboť štěpná reakce plně moderovatelná množstvím štěpených rychlých neutronů. Aktivní zóna je tvořena ze svazků palivových tyčí obklopených uranovým pláštěm, které jsou uvnitř ocelové nádoby ponořeny do tekutého sodíku. Sodík skrze tepelný výměník následně předává teplo sekundárnímu okruhu, který rovněž pracuje se sodíkem a tento sodík následně předává teplo do parogenerátoru v terciárním okruhu, kde vytvářena pára pohání turbogenerátor. Výhody tohoto typu reaktoru spočívají v nižším provozním tlaku chladiva a v důsledku toho je i méně nároků na konstrukční celek. Účinnost dosahuje až 50 %. Palivo je využitelné z větší části a výměna paliva je potom v některých případech nutná až v řádu desítek let. Nevýhodou je malá zkušenost v tímto typem reaktorů a s jeho rozšířenosti. V současnosti má s rychlými reaktory největší zkušenost Rusko, které provozuje reaktor BN-800 v Bělojarsku. [3]
Malé modulární reaktory ve světě
Rusko
Rusko má v současnosti značné zkušenosti s reaktory menších výkonů. Vzhledem k mnoha strategicky důležitým arktickým oblastem je nuceno vytvářet zdroje energie, které po dokončení transportuje a zkompletuje na místě určení. Například v roce 2019 byla dokončena a přepravena plovoucí jaderná elektrárna Akademik Lomonosov (se jmenovitou dodávkou 77 MW elektřiny a 300 MW tepla) do arktického přístavu Pevek. S výměnou paliva se počítá zhruba jednou za deset let.
Mezi současné projekty SMR se řadí tlakovodní reaktor RITM-200 o výkonu 57 MWe a 175 MWt, který vychází konstrukčně z reaktorů jaderných ledoborců. Tento reaktor je tvořen z tlakové nádoby o výšce 8,5 m a průměru 3 metry a je poháněn obohaceným 20% palivem. Projektován je na 10 šestiletých palivových kampaní a v konečném provedení bude tvořit výrobní blok dvou reaktorových modulů o výkonu 2 x 57 MWe. [6]
Čína
Čína má momentálně ve vývoji 2 druhy modulárních reaktorů. Prvním je tlakovodní reaktor ACP100 od společnosti China Nation Nuclear Corporation, který má výkon 125 MWe a 385 MWt. V tlakové nádobě tohoto reaktoru je umístěno 16 parogenerátorů, kompenzátor objemu je umístěn mimo tlakovou nádobu. Reaktor má rovněž 4 cirkulační čerpadla, jenž jsou nainstalovány na nátrubky tlakové nádoby. Bezpečnostní systém obsahuje pasivní prvky ochrany jako je odvod zbytkového tepla, havarijní chlazení aktivní zóny, systém kontroly koncentrace vodíku či automatický systém odtlakování.
Druhým typem reaktoru je vysokoteplotní plynem chlazený reaktor HTR. V současnosti je ve výstavbě dvojblok s dvojicí těchto reaktorů o výkonu 2 x 250 MWt a 210 MWe. Palivo je koncipováno formou grafitových elementů ve formě koulí o průměru přibližně 6 cm, které v sobě obsahují velké množství dispergovaných částic z obohaceného uranu. Tyto elementy se v horní části reaktoru pravidelně přidávají a v dolní části se odebírají. [6][7]
Velká Británie a USA
V těchto zemích je v současnosti v procesu několik projektů od firem jako je Westinghouse či Rolls-Royce, ale nejnadějnějším je projekt SMR od společnosti NuScale Power. Tento tlakovodní reaktor s integrovaným primárním okruhem a přirozenou cirkulací chladicí vody předává teplo do sekundárního okruhu přes 2 parogenerátory, které se nachází v horní částí tlakové nádoby. Celý reaktor včetně řídicích tyčí tvoří ocelový kontejnment válcového tvaru o průměru 4,5 m a výšce 23 m, který je ponořen do chladícího bazénu pod úrovní terénu a slouží jako pasivní tepelná jímka zajišťující odvod tepla. První elektrárna s 12 moduly o celkovém výkonu 600 MWe by se měla spustit v roce 2026. [6][7]
Argentina
V areálu jaderné elektrárny Atucha I je v současnosti ve výstavbě prototyp reaktoru CAREM. Tento integrovaný tlakovodní reaktor o výkonu 30 MWe a 100 MWt má celkem 12 parogenerátorů přímo v tlakové nádobě reaktoru, která slouží rovněž jako kompenzátor objemu. Cirkulace chladiva je výhradně pasivní (bez cirkulačního čerpadla), bezpečnostní systémy jsou také pasivní. [6][7]
Česká republika
Projekt svého modulárního reaktoru má i Česká republika. Momentálně je ve fázi návrhu vysokoteplotní reaktor s výkonem 20 MWt a 8 MWe od firmy Energy Well a od Ústavu jaderného výzkumu v Řeži. Reaktor je chlazen tekutou solí FLiBe v primárním okruhu, v sekundárním je chlazen neaktivní solí NaBF4 a v terciáru oxidem uhličitým. Účinnost reaktoru dosahuje 35 %, po rekompresi hélia by se mohla zvýšit až na 42 %. Palivo je ve formě částic slisovaných do grafitových desek s obohaceným uranem 235, délka palivové kampaně je přibližných 7 let. Primárním využitím tohoto reaktoru je napájení odlehlých oblastí. [3]
Reference
[1] Malé modulární reaktory by mohly být levnější alternativou jaderných elektráren, 2022 [online]. oEnergetice.cz. [cit. 4.11.2022]. Dostupné z: https://oenergetice.cz/jaderne-elektrarny/male-modularni-reaktory-by-mohly-byt-levnejsi-alternativou-jadernych-elektraren
[2] What are Small Modular Reactors (SMRs)?, 2021 [online]. International Atomic Energy Agency. [cit. 4.11.2022]. Dostupné z: https://www.iaea.org/newscenter/news/what-are-small-modular-reactors-smrs
[3] HOLEČEK, Marek. Malé modulární reaktory, 2022 [online]. Digitální knihovna ČVUT. [cit. 4.11.2022]. Dostupné z: https://dspace.cvut.cz/handle/10467/101386
[4] Jaderné reaktory IV. generace a malé modulární reaktory [online]. ÚJV Řež. [cit. 4.11.2022]. Dostupné z: https://www.ujv.cz/cs/produkty-a-sluzby/veda-a-vyzkum/jaderne-reaktory-iv-generace-plazma
[5] Základní typy jaderných reaktorů [online]. Skupina ČEZ. [cit. 4.11.2022]. Dostupné z: https://www.cez.cz/cs/o-cez/vyrobni-zdroje/jaderna-energetika/je-ve-svete/zakladni-typy-jadernych-reaktoru
[6] Malé a mikro reaktory [online]. Svět Energie. [cit. 4.11.2022]. Dostupné z: https://www.svetenergie.cz/cz/energetika-zblizka/jaderne-elektrarny/jaderna-elektrarna-podrobne/male-a-mikro-reaktory/vyklad
[7] Small Nuclear Power Reactors [online]. World Nuclear Association. [cit. 4.11.2022]. Dostupné z: https://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/nuclear-power-reactors/small-nuclear-power-reactors.aspx