NUWARD SMR – evropský malý modulární reaktor pro českou energetiku a teplárenství

ABSTRACT: Small modular reactors could be one of the alternatives to replace Czech coal-fired power and heating plants in the future. The 2x 170 MWe NUWARD SMR project, which is being developed by a number of companies led by France’s EDF, may be one of the options.

Francie je v elektroenergetice známá jako jaderná velmoc, která provozuje v Evropě nejvíce jaderných elektráren a umí je i postavit. O malých modulárních reaktorech (SMR) francouzské provenience se však příliš často nehovoří. Pojďme si je proto v krátkosti představit.

Francouzské malé modulární reaktory, nesoucí označení NUWARD SMR, jsou projektem společnosti EDF, který je vyvíjený ve spolupráci s řadou mezinárodních partnerů s ambicí vytvořit evropskou průmyslovou platformu SMR. Do projektu jsou zapojeni i tuzemští experti prostřednictvím Ústavu jaderného výzkumu v Řeži u Prahy, kteří poskytují důležité konzultace v rámci mezinárodního poradního týmu International NUWARD Advisory Board.

Projekt NUWARD SMR, který patří mezi malé modulární reaktory zvažované společností ČEZ jako náhrada za v budoucnu odstavované uhelné elektrárny, je malá modulární jaderná elektrárna složená ze dvou nezávislých malých jaderných reaktorů umístěných v jedné budově a provozovaných prostřednictvím sdíleného dispečinku s celkovým instalovaným výkonem 340 MWe (2 × 170 MWe / 2 × 540 MWt). Skupina EDF a její dceřinná společnost Nuward vyvíjí design od roku 2017 v úzké spolupráci s dalšími významnými evropskými společnostmi a institucemi:

• francouzské TechnicAtome (společnost odpovědná za návrh a konstrukci námořních jaderných reaktorů pro pohon lodí a ponorek),
• Naval Group (skupina námořních loděnic, která navrhuje a staví ponorky a letadlové lodě s jaderným pohonem),
• Framatome (dceřiná společnost EDF, zodpovědná za návrh systémů jaderného zásobování párou pro civilní reaktory a výrobu jejich hlavních součástí, včetně návrhu a výroby paliva),
• Tractebel Engineering se zkušenostmi s projektováním a výstavbou jaderných elektráren a
• CEA (francouzský komisariát pro atomovou energii a alternativní energii, úřad odpovědný za výzkum v oblasti jaderné energie).

Mezinárodní rozměr projektu byl dále posílen vytvořením mezinárodního poradního výboru International NUWARD Advisory Board (INAB), jehož součástí jsou provozovatelé elektráren TVO, Fortum a Ontario Power Generation, inženýrské společnosti, jako je ÚJV Řež, Tata Consulting Engineers, a také výzkumné instituce jako Massachusetts Institute of Technology či Politecnico Milano.

Vizualizace reaktoru NUWARD SMR

JADERNÉ ZKUŠENOSTI PŘEDPOKLADEM PRO VÝVOJ SMR

NUWARD SMR má „dva základní zdroje“ pro projekt, tepelné a konstrukční řešení. Jsou to jednak reaktory pro pohon plavidel na jaderný pohon (ponorky, vojenské lodě) a za druhé velké jaderné energetické bloky (EPR, EPR2, EPR1200). Převážná většina námořních reaktorů jsou tlakovodního typu (PWR) stejně jako většina velkých energetických bloků (PWR, VVER), takže přenos znalostí a zkušeností je nasnadě.

Při pohledu na integrovaný design NUWARD SMR to jasně těží z rozsáhlých zkušeností TechnicAtome a Naval Group s navrhováním, stavbou, provozem a servisem námořních jaderných pohonných reaktorů. Obě tyto společnosti byly za posledních 50 let odpovědné za použití takových reaktorů na palubě francouzských ponorek a letadlových lodí. Námořní pohonné PWR mohou být svým způsobem považovány za prototypy SMR, přinejmenším kvůli kompaktní povaze jejich designu, ačkoli jejich účel a priority designu jsou odlišné (jako je schopnost rychle měnit výkon, odolávat nárazům a prodloužit intervaly výměny paliva).

Nicméně NUWARD SMR nelze zjednodušeně považovat za pouhý vývoj reaktorů z francouzských ponorek. NUWARD SMR byl od počátku vyvíjen jako civilní energetický reaktor, který se od pohonného reaktoru liší nejen očekávaným výkonem a úrovní bezpečného provozu, ale také důležitými konstrukčními aspekty, jako je například použití standardního jaderného paliva s nízkým obohacením.

OSVĚDČENÉ PRVKY A TAKÉ ŘADA INOVACÍ

NUWARD SMR používá dva nezávislé reaktory PWR o výkonu 170 MWe, aby byla zajištěna plně integrovaná a modulární konstrukce a zároveň byla splněna potřeba flexibility pro koncové uživatele, například pro dodávku elektřiny a tepla pro obyvatelstvo a pro průmyslové závody.

Takové uspořádání umožňuje nepřerušovaný provoz jednoho výkonu reaktoru v celém jeho výkonovém rozsahu, zatímco druhý reaktor může být v následujícím provozním stavu:

• dispečerské řízení podle potřeb elektrizační soustavy,
• dodávky tepla pro dálkové vytápění (District Heating),
• dodávky průmyslového tepla (Industrial Heat), popř. výroba vodíku,
• odstavení do plánované údržby, např. pro výměnu paliva.

Uvedené možnosti mohou mít zásadní význam pro kontinuitu provozu elektráren a tepláren či průmyslových závodů. V rámci možných aplikací NUWARD SMR klade EDF důraz nejen na výrobu elektřiny, ale také na kogenerační výrobu elektřiny a tepla, a také na možnost výroby dekarbonizovaného vodíku.

Design NUWARD SMR je kombinací osvědčených a „jednoduchých“ (pro jaderný průmysl) technických řešení a několika inovací. Konstrukční uspořádání samotného reaktoru je tradiční, s aktivní zónou umístěnou ve spodní části ocelové nádoby, s řídicími tyčemi nahoře. Inovace na druhé straně zajišťují, že primární okruh reaktoru byl plně integrován do jeho nádoby, což poskytuje bezpečnější design. Umožnilo to mimo jiné umístění kompenzátoru tlaku v jeho horní části a osm „kompaktních“ deskových parogenerátorů po jeho stranách (z nichž šest slouží pro běžný provoz reaktoru a dva po odstavení pro odběr tepla). Podobně je na stěnách nádoby reaktoru, i když již na její vnější straně, uspořádáno šest napájecích čerpadel primárního okruhu.

Zvláštní pozornost při návrhu designu byla věnována také zjednodušení provozu reaktoru, tedy například eliminaci borité vody pro řízení reakce, zajištěné vhodnými přísadami a reaktorovými jedy plnícími podobnou roli. Toto řešení má kromě jednodušší obsluhy vliv také na výrazné snížení množství odpadu produkovaného reaktorem.

Stavba prvního NUWARD SMR má být zahájena ve Francii v roce 2030.

BEZPEČNOST JE KLÍČOVÁ

Bezpečnost provozu reaktoru a omezení následků jeho selhání má zajistit řídicí a automatizační systém a několik konstrukčních řešení samotného reaktoru, navržených v souladu s filozofií „defence-in-depth“, jako např. omezení počtu přívodních potrubí primárního okruhu tak, aby možný únik byl maximálně 30 mm v průměru (pro snížení míry úniku při ztrátě chladiva, tzv. LOCA). Za tímto účelem byl reaktor spolu s pomocnými systémy v jeho vnějším ocelovém plášti (který funguje jako bezpečnostní plášť, tzv. kontejnment) umístěn také do vodní nádrže. Tato nádrž funguje jako pasivní bezpečnostní systém v případě velké havárie reaktoru a odebírá teplo z vnitřku reaktoru po dobu minimálně 72 hodin po odstavení reaktoru bez nutnosti další údržby nebo externího napájení. Voda v nádrži mimochodem také funguje jako bariéra proti úniku radioaktivních látek.

V kombinaci s pasivním systémem primárního odvodu tepla toto řešení také umožňuje, aby corium zůstalo uvnitř nádoby reaktoru v případě roztavení aktivní zóny. Mezi další bezpečnostní systémy patří nízkotlaké zásobníky vody pro použití v případě ztráty chladicí kapaliny, vysokotlaký systém vstřikování borované vody pro náhlé změny reaktivity, pasivní absorbéry vodíku nebo plynový systém přivádějící dusík pro snížení pravděpodobnosti vznícení vodíku (v případě havárie).

Vodní bazénová nádrž, ve které je reaktor ponořen, je však pouze jednou z mnoha ochranných bezpečnostních bariér: první tři jsou, stejně jako u všech pozemních PWR reaktorů, pláště palivových tyčí, nádoba reaktoru a její vnější kontejnment (kontejn­ment – v tomto případě vnější nádoba reaktoru). Dalšími jsou vodní nádrž, ve které je reaktor ponořen, železobetonová konstrukce budovy reaktoru (která je odolná mimo jiné i nárazům letadel) a polozapuštěný kontejn­ment. Všechny tyto bariéry mají zajistit, že NUWARD SMR je navržen s redukovanou zónou nouzového plánování (EPZ – Emergency Planning Zone), omezenou na hranici lokality a může být umístěn v průmyslových areálech nebo na okrajích měst.

EVROPSKÉ ŘEŠENÍ

Podle definice musí být SMR navržen s ohledem na modularitu konstrukce, standardizaci, sériovou výrobu a snadnou montáž. Standardizace a sériová výroba bude podle EDF dosažitelná především díky standardizaci požadavků na úrovni orgánů jaderného dozoru jednotlivých evropských zemí. S cílem tomu pomoci byl v roce 2022 z iniciativy EDF zahájen společný proces včasného přezkoumání bezpečnostních předpokladů vedený francouzským regulátorem (ASN) a zahrnující Finsko (STUK) a Českou republiku (SÚJB). Tato skupina může být v budoucnu rozšířena o regulační orgány z dalších zemí. Konečným cílem je posun k harmonizovanějšímu přístupu k certifikaci designu a licencování, což napomůže standardizaci komponentů směrem k sériové výrobě a souvisejícím úsporám.

Společná práce na očekáváních pro reaktory SMR formulovaná na evropské úrovni je jednou z klíčových inovací ve vývoji projektu NUWARD SMR. Tento přístup by se mohl ukázat realističtější a tudíž důvěryhodnější než marketingová oznámení některých konkurenčních, zejména amerických a britských poskytovatelů technologie SMR. Strategickou ambicí NUWARD SMR je naproti tomu vyvinout řešení vyrobené v Evropě, evropskými společnostmi a založené na evropské technologii.

Závěrem lze říci, že NUWARD SMR je reaktor založený na osvědčených technologiích s omezeným počtem inovací, jejichž vývoj by neměl zdržovat práci na celém projektu. V kombinaci s realistickým harmonogramem vývoje projektu, zajištěným financováním vývoje ve Francii, zohledněním vstupů jaderných regulačních orgánů několika evropských zemí v co nejranější fázi vývoje, zkušenostmi provozovatelů účastnících se projektu a solidní průmyslovou základnou, je NUWARD SMR velmi slibné evropské řešení SMR s omezeným rizikem. Zda tento přístup přinese výsledky a získá si důvěru zákazníků, to uvidíme v následujících letech.

O AUTOROVI

Ing. Petr Neuman, CSc., působí jako senior konzultant ve sdružení NEUREG. Je členem Asociace energetických manažerů, Spolku Jaderní veteráni a Mezinárodní federace automatického řízení – International Federation of Automatic Control, technické komise TC 6.3 – Power and Energy Systems.

Oblastí jeho odborného zájmu je modelování a simulace energetických procesů, zdrojů a soustav, simulátory a trenažéry pro energetiku, automatická regulace a řízení procesů silnoproudé elektrotechniky a elektroenergetiky. Aktuálně se věnuje současnému stavu a rozvoji energetiky v České republice a Evropě, se zaměřením na jaderné elektrárny s odběrem tepla pro dálkové vytápění SCZT v rámci teplárenství.

Kontakt: neumanp@volny.cz