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 včasovém 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. 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. 3
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
6 Příklady projektů: Tlakovodní SMR
Reaktor BWXT 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: Elektrický výkon: 160 MWt 50 MWe Obohacení paliva: 4,95% Cyklus výměny paliva: Kapitál. investice: 24 měsíců Projektant: NuScale Power Inc. Možné aplikace: výroba elektrické energie Stav projektu: < 5100 $/kw žádost o certifikaci projektu v r. 2012 dokončení 1. bloku v r. 2020? Modul NuScale v kontejnmentu ponořený v bazénu 8
Reaktor VBER-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: výroba elektrické energie; kombinovaná výroba elektřiny a tepla pro dálkové vytápění; odsolování mořské vody Stav projektu: Koncepční projekt. Obr. 5.2. Primární systém VBER- 300 Primární systém VBER-300 9
Reaktor KLT-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 Technologie Electrický výkon, MW CAREM-25 Argentina KLT-40S Ruská federace SMART Republic of Korea BWXT mpower, USA NuScale USA SMR-160 USA Westinghouse SMR, USA VBER-300 Ruská federace SVBR-100 Ruská federace PWR 27 jeden modul PWR 2 35 Konfigurace JE zdvojený modul vestavěný do plavidla PWR 90 jeden modul Licencován PWR 1 až 10 195 multi modul PWR 12 50 multi modul PWR 140 Současný stav vybraných projektů SMR ve světě ke konci roku 2015 Stav licencování Licencován výstavba zahájena 8.2.2014 Licencován ve výstavbě, do provozu 2017-18 Licensing pre-application první vítěz grantu US DOE Licensing pre-application druhý vítěz grantu US DOE Limited pre-application interactions with NRC PWR 225 (projekt ukončen) PWR 1 až 2 302 Pb-Bi cooled fast reactor N 100 jeden modul nebo zdvojený modul postavený na souši, nebo vestavěný do plavidla jeden modul nebo multi modul n/a Licencování probíhá, zahájení výstavby 2016? 15
Reaktor CAREM 25 https://www.youtube.com/watch?v=tcypafki1jk 8.2.2014 16
Reaktor KLT-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 ořád 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 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 Plyn Biomasa Teplo z JE SMR nízké disponibilní zásoby; emise vysoké náklady; emise; zabezpečení dodávek nízká kapacita; emise omezená dostupnost historické pokusy o využití tepla z JE v ČR zájem některých měst 24
Vhodné typy a aplikace SMR v ČR Využití SMR včr 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 včr 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 včr 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