Historia energetyki jądrowej ma już prawie 2 miliardy lat. Szacuje się, że to wtedy doszło w Gabonie do powstania całkowicie naturalnych reaktorów. W pewnym uproszczeniu można powiedzieć, iż wyniku procesów geologicznych, doszło do powstania złoża uranu z wysoką przekraczającą 3% ilością izotopu 235. Pozwoliło to do zapoczątkowania reakcji rozszczepienia. Te naturalne „reaktory” pracowały (być może z przerwami) prawdopodobnie przez kilka tysięcy lat.
Gdzie i kiedy szukać początków
Pierwszym zbudowanym „ludzką ręką” reaktorem był powstały w grudniu 1942 roku w Chicago reaktor Chicago-Pile 1 (CP1). Następnie jeszcze w latach 40- tych XX wieku powstało kilka działających bloków (GLEEP w Oxfordshire, F-1 w Moskwie czy B Reactor w Hanford Site). Oczywiście nie bez znaczenie był wątek militarny, pewnie bardziej właściwym byłoby powiedzieć, że to był bezwzględnie dominujący wątek w początkach prac nad wszystkimi typami reaktorów, dzięki któremu naukowcy mogli pozyskiwać niezbędne środki na prowadzenie badań. Systemowe zastosowanie reaktorów jako źródła energii elektrycznej to dopiero lata 50- te XX wieku.
. W 1939 roku, niejaki George Pegram zwrócił się do Naval Research Laboratory (jednostka badawcza marynarki wojennej USA) o dofinasowanie projektu badawczego, którego celem miała być analiza możliwości wykorzystania energii jądrowej jako źródła zasilania okrętów podwodnych. Otrzymał 1500 dolarów i były to pierwsze środki rządu Stanów Zjednoczonych zainwestowane w program energetyki nuklearnej.
W 1942 roku ruszył natomiast sławny Program Manhattan, którego celem było wykorzystanie procesu rozszczepienia atomu do budowy bomby. Program odniósł sukces i 16 lipca 1945 dokonano pierwszej udanej eksplozji nuklearnej. Zwrócenie środków finansowych i intelektualnych w stronę budowy broni, spowolniło znaczenie proces budowy okrętu podwodnego zasilanego energią jądrową, ale go nie zatrzymało. W 1954 roku rozpoczął służbę okręt podwodny USS Nautilus (SSN-571), który jako pierwszy w historii posiadał reaktor jądrowy na pokładzie.
Dlaczego jest to ważne w kontekście SMRów? Bowiem od lat 50- tych mamy reaktory, które z jednej strony mają stosunkowo niewielką moc (w porównaniu do obecnie budowanych bloków) i nie potrzebują dużych przestrzeni. Oczywiście różnic między tymi konstrukcjami, a obecnie rozwijanymi projektami SMRów jest bardzo dużo (konstrukcja, sposób obsługi, rodzaj paliwa i wiele innych), ale zawsze warto odnotować, że sama idea SMRów jako mało- gabarytowych i mało- mocowych źródeł energii znalazła już odzwierciedlenie w rzeczywistości.
Czym więc są SMRy?
Termin SMR (Small Modular Reactors) tłumaczy się po polsku jako Małe Modułowe Reaktory Jądrowe. To czym odróżnia je od dotychczasowo rozwijanych konstrukcji, jest słowo „skala” rozumiana z różnych perspektyw. Warto tutaj dodatkowo zaznaczyć, że myśląc o SMRach, w dalszej części tekstu mówimy o reaktora typu VOYGR firmy NuScale, gdyż jest to najlepiej rozwinięty projekt w tej kategorii reaktorów.
W pierwszym najbardziej oczywistym zrozumieniu skala odnosi się do fizycznej wielkości. Tradycyjny reaktor np. AP1000 firmy Westinghouse ma zbiornik (RPV) o wymiarach 12,2m wysokości i 4,5m średnicy, podczas gdy zbiornik SMR ma 25m na 4,6 m. Można zapytać gdzie więc ta różnica? Gdzie ta „małość”? Odpowiedź jest dość oczywista. Zbiornik SMRa mieści w sobie nie tylko sam rdzeń jądrowy, ale również wytwornicę pary i pompę grawitacyjną. Zbiornik ten jest umieszczony wewnątrz drugiego stalowego zbiornika, który pełni funkcję obudowy bezpieczeństwa. Jeśli weźmiemy pod uwagę „całość” to rozmiary obudowy bezpieczeństwa AP1000 sprowadzają się do 82m wysokości i 44m szerokości przy 25m na 4,5m SMRa. Widzimy więc, że zachodzi element „skali” – SMR jest dużo, dużo mniejszy.
Kolejną kwestią jest „skala” bezpieczeństwa w dwóch odsłonach. W tradycyjnych reaktorach Emergency Planning Zone, czyli tzw. strefa bezpieczeństwa rozciąga się wokół tradycyjnego reaktora na odległość 10 mil (pierwsza) i 30 mil (druga). W przypadku technologii SMR wygląda to diametralnie inaczej.
NuScale otrzymał zgodę U.S. Nuclear Regulatory Commission Advisory Committee na zawężenie strefy bezpieczeństwa jedynie do granic elektrowni. Pokazuje to o ile reaktory te są bezpieczniejsze, skoro można mieszkać w bezpośrednim ich sąsiedztwie. Po drugie, dzięki mniejszej mocy samego reaktora, również ciepło powyłączeniowe, czyli energia cieplna wytwarzana po wyłączeniu reaktora, ma mniejszą moc. Z względów bezpieczeństwa musi być ono odprowadzone również po wyłącznie samego reaktora. W przypadku, gdy z jakichś przyczyn nie zostaje ono odprowadzone, to temperatura rdzenia podnosi się do poziomu pozwalającego na stopienie reaktora- to było przyczyną awarii w Fukushimie w 2011 roku. Natomiast w przypadku SMRów skala jest tak mała, że występujące ciepło powyłączeniowe, nawet w przypadku jego nie odbierania, nie ma możliwości przetopienia obudowy bezpieczeństwa.
Ostatnim elementem, w znacznym stopniu odróżniającym SMRy od tradycyjnych reaktorów jest kwestia skali kosztów. Co prawda, ciężko jednoznacznie ocenić jakie będą koszty dużego projektu atomowego w Polsce- padają kwoty od 20 do 40 mld dolarów, natomiast można z pewnym przybliżeniem założyć, że koszty budowy 462MW instalacji SMR w technologii NuScale, wyniesie 2mld dolarów. Dlaczego jest to ważne? Ponieważ taka skala inwestycji jest do udźwignięcia przez przedsiębiorstwa przemysłowe, które dzięki tej technologii mogą chcieć zapewnić sobie energie elektryczną niezbędną do procesów produkcyjnych.
Potencjalne zastosowania
Zastosowań SMRów może być kilka. Warto jednak podzielić je na 2 grupy – publiczne i prywatne. Do pierwszej grupy zaliczylibyśmy te rozwiązania, które mogą pomóc państwu w realizacji celu publicznego jakim jest elektryfikacja. W rozległych geograficznie państwach (np. Rosja, Chiny, USA czy Kanada) warto będzie stawiać małe reaktory tam gdzie skupiska ludzkie są bardzo od siebie oddalone. W takich przypadkach koszt budowy i utrzymania sieci elektroenergetycznej będzie zbyt duży oraz z różnych powodów utrudniony. Dodatkowo tam gdzie sieć już istnieje, ale ze względu na małe zapotrzebowanie na energię elektryczną nie warto budować pełnoskalowych bloków, SMRy wydają się idealnym rozwiązaniem.
Podobnie sprawa wygląda w drugiej grupie „prywatnych” zastosowań. Tam kluczowe jest znalezienie synergii między ilością energii, na którą jest zapotrzebowanie w ciągu produkcyjnym zakładu energochłonnego, późniejszymi kosztami zakupu/produkcji energii i kosztami budowy stabilnego, jak i bezemisyjnego źródła energii. Tutaj SMRy wydają się optymalnym rozwiązaniem, bo adresują każdą z wyżej wymienionych trzech obszarów w sposób wystarczający.
A zamiast podsumowania- łyżka dziegciu
Wyżej przedstawione zostały czynniki pokazujące, że SMRy mają olbrzymi potencjał, który może dawać nadzieje na dynamiczny rozwój tego podsektora energetyki jądrowej. Niestety, jest jeden minus. SMRy w naszym obszarze cywilizacyjno- gospodarczym tj. euroatlantyckim, jeszcze nie powstały. Jedynie w Chinach i Rosji są pierwsze tego typu rozwiązania (jeden działający w Rosji, drugi w budowie w Chinach), ale z wielu względów trudno sobie wyobrazić, żeby te technologie uzyskały szerszą akceptację.
Oczywiście w obszarze euro-atlantyckim SMRy też wyszły już poza stoły kreślarskie. Pierwszy z nich firmy NuScale ma już akceptację technologiczną jednego z kluczowych regulatorów świata, wspomnianej Nuclear Regulatory Commission. Mamy pewność, że zaproponowane rozwiązania mogą zostać w sposób bezpieczny zaimplementowane w elektrowni jądrowej. Teraz pozostaje tylko je zbudować. Wiele wskazuje więc na to, ze najbliższe lata będą w świecie jądrowym przebiegały pod hasłem Small Modular Reactors!
Kamil Orzeł
