Vývoj malých jaderných reaktorů v USA motivuje tamní ministerstvo, hlavně finančně

Jako Rusové, tak i Američané se značnou mírou podílejí na vývoji malých jaderných reaktorů (SMR) – z celkového počtu přibližně 50 světových designů se USA věnuje 13 projektům.

Mezi lety 2012 a 2013 americké Ministerstvo energetiky (DoE) zahájilo aktivitu s cílem motivovat (a to nejen finančně) vývoj amerických SMR.

Na tuto výzvu zareagovalo šest společností (Westinghouse, Babcock Wilcox, Holtec, NuScale Power, General Atomic a Hybrid Power Technologies). Návrhy výkonů SMR se pohybovaly od 45MWe do 225 MWe.

Projekt společnost NuScale se zatím „probojoval“ nejdále, když na konci roku 2013 oznámilo DoE jeho další podporu vývoje a licencování (jednotka o výkonu 60MWe).

Státní podpora

Snaha ostatních společností ale nevyhasla. Počátkem roku 2016 vývojáři a potenciální zákazníci SMR založili SMR Start konsorcium (13 členských organizací) s cílem pokročit ve snaze komercializace těchto reaktorů.

Toto konsorcium by mělo jednotně vystupovat za společnosti podílející se na vývoji SMR a zastupovat je v jednání s regulátorem, t.j. NRC (Nuclear Regulatory Commission) a zákonodárci – tedy Kongresem.

Přibližně v polovině roku 2019 byla NRC oficiálně informována o záměru šesti vývojářských společností s žádostí o licencování SMR.

Ačkoliv většina z těchto designů je ve fázi konceptuálního nebo předběžného návrhu, dva designy už jsou ve fázi vývoje. Bezpečnostní systémy jsou navrženy jako pasivní a projektová životnost se pohybuje od 60ti do 80ti let.

Primárním účelem elektráren s těmito SMR je výroba elektřiny, ale mnoho z nich umožňuje kogenerační provoz (výroba vodíku, výroba tepla, odsolováni mořské vody). Základní informace o těchto reaktorech jsme popsali v prvním díle tohoto seriálu. Pojďme se nyní na tyto designy podívat blíže.

Lehkovodní (pozemní) reaktory

Mezi tyto designy patří mPower, SMR-160, Westinghouse SMR a NuScale. Jedná se zpravidla o integrované lehkovodní reaktory (tedy, kde jsou integrované komponenty primárního okruhu) s výjimkou SMR-160, kde jsou součásti primárního okruhu samostatně.

Palivo je, podobně jako u „velkých“ reaktorů ve formě oxidu uraničitého UO₂ s obohacením do 5 procent.

Za zmínku stojí SMR-160, kdy tento design je vhodný do suchého podnebí díky vzduchem chlazenému kondenzátoru. Zároveň umožňuje studené starty nebo ostrovní provoz a je tak vhodný do lokalit s nestabilní sítí.

Americké lehkovodní reaktory. Zdroj: SMR-Book_2018 (IAEA)

Nejdál je NuScale

Tento asi nejznámější americký SMR projekt zahájil na Oregon State University se svými studenty profesor José N. Reyes.

NuScale je nyní komerčně vyvíjen pod taktovkou firmy NuScale Power a jedná se též o integrální lehkovodní typ vyznačující se pasivními bezpečnostními systémy a projektovou živostností 60 let. Elektrárna může obsahovat 1 nebo až 12 modulů po 60 MWe, tedy celkově až 720 MWe.

Hlavním účelem NuScale je výroba elektřiny a zásobování průmyslovým teplem. Design je založen na zjednodušené již ověřené technologii klasických velkých lehkovodních reaktorů (např. stejné palivové články) s důrazem na přirozenou konvekci (tedy provoz bez čerpadel), v níž je profesor Reyes uznávaný expert.

NuScale předložilo žádost o licencování designu v roce 2017. Schválení designu se očekává do roku 2022. První elektrárna by měla být uvedena do provozu do roku 2026 na západě USA  v INL (Idaho National Laboratory). Následovat by měla full-scale dvanáctimodulová elektrárna o výkonu 720 MWe.

Jak funguje NuScale

Zajímavostí tohoto designu je přirozená cirkulaci chladiva skrz aktivní zónu. K chlazení reaktoru tedy nejsou potřeba čerpadla, což značně zjednodušuje provoz.

Primární chladivo (voda), které prochází aktivní zónou, je ohříváno a stoupá vzhůru. V horní části integrované tlakové nádoby je odváděno do parogenerátorů, kde je ochlazováno (předává teplo sekundárnímu chladivu (opět vodě)).

Studenější chladivo má vyšší hustotu a je tak gravitací nuceno klesat zpět dolů a znovu proudit přes aktivní zónu. Sekundární chladivo se v parogenerátoru mění na páru a ta pohání turbínu která je spojena s generátorem.

Pára je po vykonání práce na turbíně ochlazena v kondenzátoru a pomocí čerpadel dopravena zpět k parogenerátorům a cyklus se opakuje. (viz obr. níže)

Schéma elektrárny NuScale. Zdroj: IAEA

Vysokoteplotní plynem chlazené reaktory

Zde se jedná o designy SC-HTGR a Xe-100. Oba designy používají kombinaci materiálů Helium/grafit jako chladivo/moderátor. Oba typy zároveň používají palivo ve formě TRISO částic (SC-HTGR ve formě prismatických bloků, Xe-110 ve formě koulí) s obohacením uranu do 20 procent.

Projektová životnost je u obou reaktorů 60 let. Zajímavostí Xe-100 je částečně integrovaný design a online výměna paliva. Oba typy jsou díky vysokým výstupním teplotám (cca 750 °C) vhodné pro výrobu elektřiny, výrobu průmyslového tepla, odsolování mořské vody či pro kogenerační provoz.

Vysokoteplotní plynem chlazené reaktory. Zdroj: IAEA

Rychlé reaktory

Tyto reaktory (využívající rychlé neutrony) nepoužívají moderátor a patří mezi ně EM² (vychází z konceptu GT-MHR, který by vyvíjen ve spolupráci s ruským OKBM Afrikantov), SUPERSTAR a Westinghouse Lead Fast Reactor.

Dva z těchto typů jsou navrženy jako bazénový typ chlazený roztaveným olovem. EM² reaktor je chlazen plynem, Heliem. Zajímavostí je délka palivového cyklu, který je u EM² 30 let a u SUPERSTAR 15 let.

Tyto rychlé reaktory se hodí pro vysokoteplotní aplikace (výstupní teploty 480° – 850° C) nebo kogenerační provoz a obohacení jejich uranového paliva je do 20 procent. Palivo reaktoru SUPERSTAR je smíšená kovová matrice s využitím vojenského plutonia, což z něj dělá komerčně poměrně obtížně využitelný design.

Příklady amerických rychlých reaktorů. Zdroj: IAEA

Reaktory s tekutými solemi

Zde se jedná o 3 typy: Liquid fluoride thorium reactor (LFTR), Mk1 PB-FHR a Molten chloride salt fast reactor (MCSFR).

Dva z těchto designů jsou tepelné reaktory s použitím grafitu jako moderátoru a MCSFR je rychlý reaktor s více možnostmi obohacení paliva.

Mk1 PB-FHR opět (jako vysokoteplotní reaktory) používá TRISO částice jako palivo a roztavenou sůl jako chladivo. Ostatní dva typy používají směs roztavených solí jako chladivo a zároveň palivo (s obohacením uranu do 20 procent). Výstupní teploty se pohybují mezi 650° – 750° C, jsou tedy vhodné pro použití na výrobu elektřiny a procesního tepla.

Za zmínku stojí palivový cyklus LFTR. Tento reaktor má aktivní zónu složenou ze dvou částí (jedna štěpná, kde se uran štěpí, a jedna množivá (tzv. blanket), kde se uran U-233 z thoria vytváří) a využívá tak uzavřeného thoriového palivového cyklu. Je zde tedy možná kontinuální výměna paliva díky U-233 produkovaném v blanketu.

Příklady reaktorů s tavenými solemi. Zdroj: IAEA

Ostatní typy

Za zmínku stojí i projekt eVinci – mikro reaktor (1-5 MWe) firmy Westinghouse založený na principu přenosu tepla technologií tepelných trubek (heat pipes) vyvinuté v Los Alamos National Laboratory pro vesmírné účely.

Teplo z aktivní zóny je odváděno pomocí systému vysokoteplotních dvouplášťových sodíkových trubek a několika tepelných výměníků. Palivo je ve formě oxidu uraničitého (UO₂)nebo nitrid uranu (UN) v monolitické aktivní zóně reaktoru.

Schéma mikroreaktoru eVinci. Zdroj: Westinghouse

eVinci cílí na výrobu levné, čisté a bezpečné výroby tepla a elektrické energie a dle vývojářů je vhodný do odlehlých lokalit, těžebních lokalit či pro armádní účely. V současnosti jde o jeden ze dvou SMR typů, jejichž vývoj podporuje americká armáda pro energetické zásobování svých základen.

Ruský a americký vývoj na poli SMR dnes pokrývá přibližně polovinu všech rozpracovaných typů. V následujícím díle se zaměříme na SMR v další jaderné mocnosti, v Číně.