Wyzwania i potencjał reaktorów SMR w transformacji energetycznej

Reaktor SMR to z angielskiego Small Modular Reactor czyli Mały Reaktor Modułowy. Przyjęło się, że mały oznacza w tym przypadku reaktor o mocy poniżej 300 MWe, co odpowiada około 1 000 MWt cieplnych mocy reaktora. Jednak z uwagi na brak wiążącej definicji, można również znaleźć reaktory określane jako SMR o mocy większej niż wskazane powyżej. Wśród reaktorów SMR można również wyróżnić podgrupę określaną jako mikro reaktory modułowe. Mają one moc rzędu megawatów i w większości przypadków nie ma w nich konieczności wymiany paliwa, która jest zastąpiona wymianą całego reaktora. Micro Modular Reactor (MMR) amerykańskiej spółki Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) określany jest mianem wysokotemperaturowej chłodzonej gazem „baterii jądrowej” czwartej generacji. Wykorzystywano w niej ceramiczne mikrokapsułki (FCM®) w celu uzyskania wysokiego poziomu bezpieczeństwa.

Istotną cechą małych reaktorów modułowych jest ich modularność. W odróżnieniu od dużych elektrowni budowanych i montowanych na placach budowy z pojedynczych części, elektrownie oparte o reaktory SMR z założenia mają być produkowane w fabrykach w postaci modułów, które następnie będą składane na terenie budowy. W efekcie możliwe jest uzyskanie szeregu korzyści. Produkcja w fabryce charakteryzuje się możliwością automatyzacji części procesów oraz uzyskania wyższej jakości produktów, niż ma to miejsce w przypadku konstrukcji pojedynczych elektrowni bezpośrednio na placu budowy. W efekcie seryjna produkcja w fabryce powinna obniżyć koszty budowy elektrowni oraz zmniejszyć ryzyko związane z koniecznością usuwania usterek lub ponownej produkcji elementów. Niestety fabryki modułów nie zostały jeszcze wybudowane.

Rysunek nr 1. Akademik Lomonosov in Murmansk

Źródło: World Nuclear News https://world-nuclear-news.org (Image Rosenergoatom)

Reaktory modułowe mają z założenia wykorzystywać pasywne systemy bezpieczeństwa. We wszystkich elektrowniach jądrowych instalowane są systemy bezpieczeństwa, które zapewniają bezpieczną pracę zarówno w normalnych stanach eksploatacyjnych, jak i w stanach awaryjnych. Systemy bezpieczeństwa dzielą się na aktywne, czyli takie które wymagają zasilania lub interwencji człowieka, aby zadziałały, oraz na pasywne, które działają w oparciu o zjawiska naturalne i których działanie nie wymaga zasilania ani działania człowieka. W reaktorach SMR dąży się do stosowania głównie systemów pasywnych. Są one z reguły tańsze, bardziej niezawodne i efektywne. Jednocześnie mniejsza moc reaktora umożliwia ich szersze zastosowanie. W efekcie oczekuje się, że z tego tytułu reaktory SMR będą tańsze, bardziej niezawodne oraz łatwiejsze w licencjonowaniu.

Istotną cechą elektrowni opartych o reaktory SMR są niskie nakłady inwestycyjne w przeliczeniu na blok energetyczny. Oznacza to, że niezbędny jest znacznie mniejszy kapitał, aby wybudować i uruchomić blok, a zatem rozpocząć produkcję energii i jej sprzedaż. W efekcie, niższe jest ryzyko inwestycyjne w tym zakresie i bardziej dostępne powinno być finansowanie.

- Robert Karczmarczyk, Dyrektor, Risk Advisory, Corporate Risk & Energy

Na ten moment, nie ma praktycznego potwierdzenia poziomu nakładów inwestycyjnych w przeliczeniu na jednostkę mocy elektrowni. Zgodnie z zasadą skali tj. czym większa elektrownia tym tańsza w przeliczeniu na jednostkę mocy, elektrownie oparte o reaktory SMR mogą być droższe niż duże elektrownie w przeliczeniu na MW mocy zainstalowanej.

Rysunek nr 2. Reaktor HTGR w zakładzie Shidaowan w chińskiej prowincji Shandong

Źródło: https://www.powermag.com/ (Image: China Nuclear Energy Association)

Reaktor SMR i oparte na nich elektrownie mogą mieć wiele bardzo korzystnych cech z punktu widzenia inwestora, co powoduje tak duże zainteresowanie nimi. Są atrakcyjne dla inwestorów także z uwagi na swoją innowacyjność, zeroemisyjność oraz stabilność jako wytwórcze źródło energii. Należy jednak zauważyć, że nadal są to założenia i plany, których słuszność zweryfikuje zrealizowanie projektu budowy elektrowni opartej o reaktor SMR.

Reaktory SMR nie stanowią odrębnego typu reaktorów. Jest to grupa reaktorów charakteryzujących się mocą elektryczną poniżej 300 MWe, modułową budową i pasywnymi systemami bezpieczeństwa. W ramach grupy reaktorów określanych jako SMR występują praktycznie wszystkie typy reaktorów, jakie zostały dotychczas opracowane, zarówno teoretycznie, jak i praktycznie. Wśród SMR znajdziemy zatem reaktory PWR, BWR, reaktory wysokotemperaturowe, gazowe, chłodzone stopionymi solami itd. Łącznie MAEA wymienia w swojej bazie ARIS (aris.iaea.org) ponad 80 różnych reaktorów SMR rozwijanych na świecie.

Na rysunku poniżej przedstawiono wybrane projekty reaktorów SMR w zależności od ich mocy elektrycznej oraz planowanego czasu przyłączenia do sieci pierwszych jednostek. Należy pamiętać, że szacowany termin przyłączenia został podany przez firmy rozwijające daną technologię i nie został on obiektywnie zweryfikowany.

Rysunek nr 3.

Źródło: Advances in Small Modular Reactor Technology Developments A supplement to: IAEA Advanced Reactors Information System (ARIS) 2022 Edition, MAEA

Najbardziej obiecują grupą reaktorów od strony możliwości ich sprawnej komercjalizacji są reaktory PWR i BWR. Reaktory PWR to typowe reaktory wodne ciśnieniowe, w których obieg chłodzenia reaktora i obieg cieplny obejmujący turbinę są rozdzielone i połączone wytwornicą pary. Z uwagi na duże doświadczenie w zakresie tego typu reaktorów w elektrowniach wielkoskalowych oraz równie duże doświadczenie wynikające z wykorzystania mniejszych reaktorów tego typu do napędu jednostek pływających (głównie wojskowych), ten typ reaktorów SMR ma największe szanse na szybki rozwój. Nie bez znaczenia jest fakt, że dozory jądrowe mają największe doświadczenie w licencjonowaniu tego typu reaktorów. Powinno to uprościć a także przyśpieszyć procesy oceny i autoryzacji budowy oraz eksploatacji tego typu jednostek.

Wśród tej technologii za najbardziej zaawansowany projekt uważa się reaktor VOYGR firmy NuScale. W Polsce rozwijane są również projekty, w których planowane jest wykorzystanie reaktorów OPEN 20 firmy Last Energy. Obie technologie rozwijane są w USA. Reaktor NuScale ma moc 77 MWe, a planowany jest do wykorzystania w zestawach po cztery, sześć i dwanaście sztuk. Reaktor OPEN 20 ma moc 20 MWe i jego cechą charakterystyczną jest powietrzny system chłodzenia skraplacza turbiny, który znacznie ogranicza zapotrzebowanie bloku na wodę.

Wśród reaktorów wodnych wrzących najbardziej zaawansowany jest obecnie reaktor BWRX-300 o mocy około 270-290 MWe rozwijany przez firmę GE Hitachi. Został on opracowany na podstawie wcześniejszych modeli reaktorów wrzących, w tym reaktora ESBWR. Wykorzystanie rozwiązań, które są sprawdzone i zweryfikowane przez dozór jądrowy może mieć pozytywny wpływ na przebieg procesu licencjonowania.

Reaktory SMR to również duża grupa reaktorów wysokotemperaturowych, gazowych, chłodzonych ciekłymi metalami i solami. Są to często bardzo nowatorskie konstrukcje otwierające przed energetyką jądrową nowe pola zastosowań. W szczególności opcja uzyskania temperatury czynnika roboczego rzędu 1000°C umożliwia produkcję wodoru w układach zasilanych energią jądrową. Niektóre rozwiązania wiążą się z możliwością „dopalania” odpadów promieniotwórczych, które będzie skracało czas niezbędnych do ich składowania oraz ograniczało poziom promieniowania. Są to jednak konstrukcje mniej zaawansowane niż reaktory wodne, a brak doświadczeń w licencjonowaniu tego typu rozwiązań może być istotnym czynnikiem opóźniającym ich rozwój.

Ciekawą grupą reaktorów SMR są mikroreaktory. Są to konstrukcje o mocy do około 5 MWe których system pracy przypomina bardziej baterię niż typowy reaktor jądrowy. Na jednym reaktorze/załadunku paliwa reaktor pracuje przez kilka/kilkanaście lat, po czym jest wymieniany na nowy reaktor. Takie rozwiązanie jest rozważane do zasilania małych sieci energetycznych w rejonach przemysłowych, w których brak jest dostępu do ogólnokrajowej sieci elektroenergetycznej. Technologia tego typu jest znacznie korzystniejsza z punktu widzenia ochrony środowiska niż stosowane dotychczas silniki zasilane paliwami płynnymi.

Szeroki zakres proponowanych rozwiązań technologicznych dla reaktorów SMR sprawia, że ich stosowanie będzie możliwe w różnych dziedzinach przemysłu oraz w zastosowaniach komunalnych. Każdy odbiorca energii elektrycznej i ciepła będzie w stanie znaleźć rozwiązanie, które będzie odpowiednie dla jego potrzeb energetycznych.

W Polsce obecnie rozwijany jest szereg projektów budowy elektrowni jądrowych opartych o reaktory SMR. Główne z nich to:

• Budowa reaktorów BWRX-300 firmy GE Hitachi przez spółkę OSGE (Orlen Synthos Green Energy). Spółka planuje budowę ponad 70 tego typu reaktorów w Polsce na potrzeby pokrycia własnego zapotrzebowania oraz sprzedaży energii. Obecnie firma złożyła wniosek o decyzję zasadniczą oraz wniosek o wydanie postanowienia o zakresie raportu środowiskowego dla jednej z lokalizacji.
• Budowa reaktorów firmy NuScale przez KGHM. W tym projekcie spółka również koncentruje się na pokryciu własnego zapotrzebowania na energię. Ministerstwo Klimatu i Środowiska wydało dla KGHM w lipcu 2023 r. decyzję zasadniczą dotyczącą budowy małej modułowej elektrowni jądrowej.
• Budowa reaktorów MMR firmy USNC przez Grupę Azoty. W ostatnim czasie nawiązana została współpraca między tymi firmami zmierzający do budowy kilku reaktorów MMR, które miałyby zasilać zakłady Grupy. Jest to ciekawy projekt z uwagi na specyfikę reaktora. Reaktor MMR to mikroreaktor wysokotemperaturowy chłodzony gazem o mocy elektrycznej 5 MWe. Prace nad tym projektem są na bardzo wczesnym etapie.
• Budowa reaktorów PWR-20 firmy Last Energy dla Katowickiej Specjalnej Strefy Ekonomicznej oraz dla firmy DB Energy. Są to typowe reaktory PWR o mocy 20 MWe, bardzo podobne do wspomnianego wcześniej reaktora OPEN 20 tej samej firmy. Prace nad tymi projektami są na bardzo wczesnym etapie.

Rysunek nr 4 .Planowane lokalizacje SMR. ORLEN SYNTHOS GREEN ENERGY SP. Z O. O. OSGE

Źródło: ORLEN SYNTHOS GREEN ENERGY SP. Z O. O. https://osge.com/lokalizacje/

Rysunek nr 5. Technologia SMR NuScale planowana w Polsce przez KGHM

Źródło: NS Energy Business https://www.nsenergybusiness.com/ Image: NuScale Power

Na polskim rynku pojawiają się również informacje o możliwości wdrożenia innych reaktorów, w tym francuskiego reaktora NUWARD.

Reaktory SMR wyznaczają bardzo popularnym kierunek rozwoju polskiej energetyki w ostatnim czasie. Wynika to w dużej mierze z racjonalnych przesłanek. Są to reaktory małe i tańsze do wybudowania niż duże reaktory wielkoskalowe. Będą zatem potencjalnie dostępne dla mniejszych podmiotów, w tym prywatnych. Dodatkowo odpowiadają one na zapotrzebowanie na bezemisyjne źródła energii elektrycznej i ciepła wynikające z obaw zarówno o koszty energii elektrycznej wynikające z polityki klimatycznej, jak i dostępność energii elektrycznej dla odbiorców przemysłowych. Wiele podmiotów myśli o budowie własnych elektrowni w celu zabezpieczenia się przed ewentualnymi ograniczeniami w dostawach energii elektrycznej wynikającymi z wprowadzenia stopni zasilania przez operatora systemu przesyłowego czy mitygacją ryzyka związanego z dużą zmiennością cen mediów energetycznych.

- Piotr Hałoń, Senior Manager

Reaktory SMR mogą również odegrać istotną rolę w dekarbonizacji sektora ciepłownictwa komunalnego oraz przemysłowego. Mniejsza moc, niższe nakłady inwestycyjne umożliwiające budowę przez mniejsze podmioty, potencjalnie mniejsze wymagania lokalizacyjne oraz brak emisji gazów cieplarnianych sprawiają, że reaktory SMR to potencjalnie bardzo korzystne rozwiązanie, które zapewni dostawy zdekarbonizowanego ciepła dla odbiorców komunalnych oraz przemysłowych.

Również mniejsza moc reaktorów SMR ma duże znaczenie. Polski system elektroenergetyczny nie należy do największych i jest w stanie pracować stabilnie przy ograniczonej liczbie dużych bloków energetycznych. Optymalne byłoby posiadanie w systemie mniejszych, rozproszonych bloków, które są zdolne do pracy jako jednostki podszczytowe i które zapewnią większą elastyczność pracy sieci. Reaktory SMR mogą z powodzeniem pełnić przedmiotową rolę.

Planom budowy reaktorów SMR towarzyszy również pojawienie się nowych modeli biznesowych realizacji projektów budowy elektrowni jądrowych. Dotychczas inwestorami były duże spółki energetyczne, które w większości były własnością państwa lub miały silne wsparcie budżetu krajowego. Elektrownie jądrowe budowano z myślą o dostarczaniu dużych ilości energii elektrycznej do krajowego systemu elektroenergetycznego. Zarządzały nimi duże spółki energetyczne mające kompetencje oraz wiedzę niezbędną do ich bezpiecznej eksploatacji.

Na świecie budową reaktorów SMR zainteresowane są różne podmioty, w tym mogące mieć ograniczoną wiedzę i doświadczenie w budowie i eksploatacji elektrowni jądrowych lub nawet w sektorze energetycznym. Wiele z nich oczekuje możliwości wybudowania bloku lub kilku bloków energetycznych i wykorzystywania ich na własne potrzeby. Są to jednak na tyle małe podmioty, że budowa przez nie organizacji posiadającej odpowiednią wiedzę i doświadczenie w zakresie eksploatacji elektrowni jądrowych może nie być opłacalna. Tym samym powyższe bariery wykluczałyby możliwość budowy przez nie reaktora jądrowego.

W tej sytuacji optymalnym rozwiązaniem jest nowy model biznesowy w energetyce jądrowej. Dostawcy technologii, a szczególnie dostawcy mniejszych reaktorów, w tym mikroreaktorów, planują budowę i eksploatację reaktorów dla klientów, którzy się na to zdecydują. Zapewniają więc nie tylko dostawę technologii i budowę reaktora, ale również eksploatację i likwidację reaktora. W niektórych sytuacjach są nawet właścicielami większościowymi elektrowni. Klienci, którzy są odbiorcami energii mogą stać się współwłaścicielami elektrowni lub zawrzeć długoterminową umowę zakupu energii elektrycznej czy cieplnej, podobnie jak jest to obecnie w przypadku źródeł OZE. Powyższe rozwiązanie otwiera możliwość budowy reaktorów SMR przez małe podmioty i korzystanie z czystej i pewnej energii, którą oferuje energetyka jądrowa.

Reaktory SMR są jednak nadal w dużej mierze reaktorami projektowanymi. Poza dwoma specyficznymi wyjątkami żaden reaktor SMR, a w szczególności żaden z planowanych w Polsce reaktorów, nie został wybudowany i uruchomiony na świecie. W związku z tym wszystkie cechy reaktorów SMR stanowią założenie, które należy potwierdzić.

Podstawowym założeniem, które wymaga analizy jest kwestia kosztów. Firmy rozwijające technologie reaktorów SMR deklarują, że będą one tańsze od reaktorów wielkoskalowych. Niewątpliwie twierdzenie to jest prawdziwe w odniesieniu do kosztów całkowitych budowy jednego bloku, które będą niższe z uwagi m.in. na mniejszą moc. Jednak dla ekonomiki inwestycji otwarte zostaje pytanie, czy koszt w przeliczeniu na jednostkę mocy i/lub energii będzie również niższy. Teoretycznie należy zakładać, że koszt jednostkowy będzie jednak wyższy co wynika z faktu, że cześć nakładów inwestycyjnych jest stała i niezależna od wielkości reaktora, zatem ich wysokość w przeliczenia na moc rośnie wraz ze spadkiem mocy. Kluczowe pozostaje pytanie, o ile droższe będą reaktory SMR w przeliczeniu na MW mocy. Relacja ta może zależeć od wielu czynników.

Jednym z nich jest kwestia produkcji/budowy reaktorów SMR. Zgodnie z założeniami, większość reaktorów SMR ma mieć konstrukcję modułową. Moduły będą produkowane seryjnie w fabryce, co m.in. zmniejszy koszty ich produkcji. Założenie jest słuszne, jednak dotychczas żadna z takich fabryk jeszcze nie powstała i nie można tego założenia potwierdzić.

Istotna jest też kwestia licencjonowania. Firmy rozwijające reaktory SMR uważają, że z uwagi na mniejsze rozmiary, mniejszą ilość materiałów rozszczepialnych w reaktorze oraz zastosowanie prostych i skutecznych pasywnych systemów bezpieczeństwa, możliwe będzie szybsze i sprawniejsze licencjonowanie reaktorów SMR. Istnieje silne oczekiwanie, że dozory jądrowe zweryfikują swoje wymagania w zakresie projektów elektrowni jądrowych i dostosują je do mniejszego ryzyka stwarzanego przez reaktory SMR. Do dziś żaden dozór tego nie uczynił. Należy zakładać, że pierwsze reaktory SMR będą licencjonowane z wykorzystaniem standardowego podejścia, które dotychczas było stosowane dla dużych reaktorów jądrowych. Opóźni to procesy licencjonowania i co najważniejsze, podniesie ich koszty, które w przeliczeniu na moc reaktora będą znacznie większe niż w przypadku dużych reaktorów. Zatem procesy licencjonowania, szczególnie w pierwszym etapie rozwoju reaktorów SMR, mogą okazać się droższe niż się obecnie zakłada.

Dużą niewiadomą jest również skala rozwoju reaktorów SMR. Wdrożenie produkcji seryjnej i produkcja kilkudziesięciu reaktorów danego typu spowoduje spadek kosztu jednostkowego. Warunkiem tak dużego zainteresowania wdrożeniem technologii reaktorów SMR jest potwierdzenie pierwotnych założeń kosztowych, co z kolei jest możliwe dopiero po wybudowania reaktorów. Koszty budowy reaktorów zostaną również ograniczone z uwagi na krótszy czas budowy, niższe całkowite koszty inwestycji i wyższą jakość produkowanych modułów. Doprowadzi to do spadku ryzyka, który pociągnie za sobą spadek kosztów kapitału.

Konieczne jest również potwierdzenie proponowanych rozwiązań technicznych. O ile reaktory wodne mogą w dużej mierze liczyć na bazowanie na sprawdzonych rozwiązaniach z dużych reaktorów, o tyle w odniesieniu do pozostałych technologii trzeba będzie wykazać, że rozwiązania spełniają wymagania bezpieczeństwa jądrowego i ochrony radiologicznej. Będzie to proces długotrwały i kosztowny, a w efekcie tylko nieliczne technologie reaktorów SMR zostaną ostatecznie wybudowane.

Reaktory SMR obiecują wiele korzyści dla tych, którzy zdecydują się na ich budowę i eksploatację. Cieszą się także ogromnym poparciem politycznym. Jednak, podobnie jak w przypadku wielu innowacyjnych rozwiązań, muszą one jeszcze potwierdzić w praktyce swoje zalety, aby stać się nierozłączną częścią zdekarbonizowanego sektora energetycznego pokrywającego zapotrzebowania na ciepło i energię elektryczną w sposób niezawodny i jednocześnie przyjazny dla klimatu .

- dr inż. Przemysław Żydak, Członek Zarządu/Współwłaściciel, Sotis Advisors.

Zwłaszcza motywacje środowiskowe mają w przypadku reaktorów SMR ogromne znaczenie, ponieważ aktualnie każda decyzja inwestycyjna będzie mierzona pod kątem jej wpływu na klimat i zgodności z celami klimatycznymi. Energetyka jądrowa to technologia, w obszarze której komunikacja ma kluczowe znaczenie. Orędownicy reaktorów SMR już dziś muszą współpracować ze wszystkimi zainteresowanymi stronami, od rządowej oraz inwestorów po szeroką opinię publiczną, aby zapewnić pełną moc jej potencjału.