Jak jsme na tom s malými jadernými reaktory v Česku? Nabízejí budoucnost třeba pro teplárenství

Malé jaderné reaktory (SMR) nejsou pro Česko i bývalé Československo nic nového. V širším kontextu můžeme za SMR považovat první československou elektrárnu A1 v Jaslovských Bohunicích, výkonem tam totiž spadala. I dukovanské reaktory VVER 440 se vyráběly modulárně v plzeňské Škodovce a velikostí odpovídají definici středních reaktorů.

Tato technologie tedy není pro Česko nijak nová. Termín SMR jako modulárních reaktorů vlastně vznikl marketingově (a neskromně napišme, že za přispění dvou českých vědců) na konferenci přibližně před deseti lety.

Zdroje elektřiny i tepla

V kontextu s dostavbou nových jaderných bloků se diskutovalo právě o využití SMR v dukovanské oblasti či Ústeckém kraji. Jednalo by se převážně o zdroje elektrické energie. Malé modulární reaktory by ale mohly v naší zemi tvořit základnu i pro teplárenství.

V Česku jsou dnes ve vývoji dva SMR produkující elektřinu: jedná se o mezinárodní projekt rychlého reaktoru Allegro (vyvíjeného společně se Slovenskem, Maďarskem a Polskem) a projekt Energy Well, který staví na inovativních technologiích Centra výzkumu Řež.

Detailní informace o těchto reaktorech čtenáři najdou ve vyčerpávajícím popisu autorů v hyperlincích u každého typu.

Centrální vytápění

V tomto díle se totiž zaměříme na jaderné zdroje v oblasti teplárenství, bez produkce elektřiny, tedy čistě pro centrální zásobování teplem (CZT). Na oblast, kterou má Česko velmi vyvinutou.

Systémy centrálního vytápění jsou ale již několik let těžce diskriminované, když platí nemalou uhlíkovou daň v podobě emisních povolenek EUA. (Přitom decentralizované, tedy lokální kotelny spalující stejná paliva a vypouštějící do ovzduší stejné či větší emise CO₂ a dalších látek mají tutéž činnost zdarma.)

Reálně tak Česku hrozí, že se stávající vysokoefektivní sítě CZT rozpadnou.

Úplná novinka?

Historie plánů výstavby jaderné výtopny sahá v Česku do devadesátých let minulého století. V té době se plánovalo nahradit počátkem tohoto tisíciletí uhelné výtopny jadernými česko-sovětskými výtopnami.

Tehdejší Sovětský svaz chtěl ideu malých výtopen založených na bázi zmenšených VVER reaktorů vyzkoušet ve Voroněži a pak ji implementovat v Plzni, kde bylo a je centrum českého jaderného dění.

K tomuto kroku ovšem nedošlo a iniciativu převzala německá firma Siemens KWU, která Plzni nabídla svůj projekt jaderného reaktoru o výkonu 200 MW(e). Tento projekt cílil na centrální vytápění měst a KWU se o jeho výstavbu neúspěšně pokusila již v Německu. Nakonec ale ani v Plzni nebyla výstavba nikdy zahájena.

Už několikrát byl o SMR pro výtopny zájem

Myšlenka ale nezapadla a není to tak dlouho, co se znovu objevil potenciální zájem o malé modulární reaktory jakožto zdroj tepla (případně i elektrické energie).

Jedním z příkladů lokálního zdroje, který byl předmětem diskuse v roce 2009 v Jablonci nad Nisou, byl reaktor G4M (dříve Hyperion). Hlavním důvodem bylo snížení vysoké a stále rostoucí ceny tepla pro tamní domácnosti. I zde ale po několika měsících diskuse o jaderné výtopně utichly a koncept jednotného systému CZT se v Jablonci rozpadl.

Další záchvěv přišel v roce 2014 opět v Plzni, kdy společnost Plzeňská teplárenská projevila zájem o výstavbu jaderné výtopny. Na stole byla totiž otázka zdroje vytápění v horizontu dvaceti let. Jak je vidno, ani u nás zájem o tyto technologie nechybí.

Chyběl jen vhodný (český) reaktor. A proto bude jistě zajímavé se podívat zblízka na návrh SMR s názvem TEPLATOR, s kterým letos přišel tým vědců z CIIRC Českého vysokého učení technického a Západočeské univerzity Plzeň.

Projekt TEPLATOR

Jedná se v podstatě o návrh tepelného reaktoru, který je založen na konceptu CZT při využití již použitého (tedy ozářeného) jaderného paliva.

Koncept si nehraje na technologickou revoluci a používá pouze známé, ověřené a otestované komponenty, přičemž umožňuje využití již jednou použitého jaderného paliva z tlakovodních nebo varných typů reaktorů.

Takové palivo bude efektivně použito v aktivní zóně TEPLATORU a zde bude generovat teplo, které by mohlo být využito pro průmyslové či centrální vytápění. Tedy teplo, které jaderné elektrárny (používající technologie ze sedmdesátých let) už nemohly využít.

Náklady na palivo v TEPLATORU by tak byly zanedbatelné, což by výrazně ovlivnilo i cenu za dodané teplo. Zásoby paliva pro tento typ reaktoru jsou totiž v dnešních meziskladech vyhořelého paliva, které je považováno za odpad, ale pro navrhovaný reaktor má miliardovou hodnotu.

Samotný systém pracuje se třemi okruhy: s primárním pro chlazení aktivní zóny, sekundárním pro ukládání energie a terciárním pro přenos tepla odběratelům.

Zapojení TEPLATORU v systému CZT. Zdroj: teplator.cz

Na vývoji konceptu do současné podoby se podílelo zhruba tucet vědců, čtyři se zkušenostmi z vývoje již popsaných typů PBMR-400 a A-HTR-100, přičemž samotný vývoj zahrnoval mnoho fází a optimalizací.

Je třeba napsat, že až moderní výpočtové přístupy poslední dekády umožnily navrhnout takovou konfiguraci, která umožňuje z již jednou použitého paliva získat další energii. Hlavní myšlenkou TEPLATORU je tak spolehlivá, levná a udržitelná technologie zabezpečující ekologickou a trvalou dodávku tepla za příznivé stabilní ceny konečným zákazníkům.

Vizualizace výstavby demonstrační jednotky TEPLATOR DEMO. Zdroj: teplator.cz

Současná podoba TEPLATORU

V současné podobě návrhu se jedná o třísmyčkový systém (tři výměníky tepla, tři čerpadla a tři větve chladiva). Aktivní zóna je tvořena nádobou s kanály, v nichž je uloženo palivo. Meziprostor mezi kanály je zaplněn moderátorem.

V kanálech, v nichž je uloženo palivo, proudí chladivo, které dále proudí soustavou potrubí. Na výstupu těchto potrubí se nachází kolektor, kam je chladivo svedeno ze všech kanálů. Toto chladivo dále proudí přes výměníky, kde je ochlazováno sekundárním médiem a odtud je čerpadly hnáno zpět do aktivní zóny.

Sekundární okruh návrhu počítá s vodou nebo tekutou solí (dle provozních parametrů), která slouží jako teplonosné médium, jež předává teplo do terciárního (topného okruhu). Součástí sekundárního okruhu jsou zásobníky tepla, které mají dvojí účel.

Při standardním provozu slouží jako zásobníky tepla pro vyhlazení teplárenské špičky. Jinak jsou schopny odvést a uchovat zbytkový výkon jaderného paliva po odstavení reaktoru. Jedná se o návrh ve výkonovém rozsahu 50–200 MWt. Výkon pak záleží na délce kampaně či možnosti kontinuální výměny paliva.

Vizualizace demonstrační jednotky reaktorové nádoby TEPLATOR DEMO v řezu. Zdroj: teplator.cz

V současnosti je rozpracovaná demonstrační jednotka TEPLATOR DEMO o výkonu 50 MWt. Celková výška návrhu je přibližně šest metrů a pět metrů na šířku. V aktivní zóně se nachází 55 palivových kazet (předtím použitých k produkci elektřiny v reaktoru VVER 440), přičemž teplota chladiva na výstupu bude 98 °C.

Celý systém bude pracovat při atmosférickém tlaku s těžkou vodou jako chladivem zvlášť a moderátorem zvlášť. Tato jednotka je navrhována s ohledem na cenu těžké vody, tedy co nejkompaktnější.

Jak by to bylo s využitím?

Z hlediska efektivního využití TEPLATORU jsou v prvém nasazení uvažovány lokality se spotřebou tepla nad 2 000 TJ/rok (tedy velká krajská města), přičemž na Česko reálně připadá využití zhruba 15 jednotek.

Cena produkovaného tepla z technologie TEPLATORU bude nižší než 100 Kč/GJ; jednalo by se tedy o nejekonomičtější dnešní zdroj tepla (např. u zemního plynu vychází cena zhruba na 200 Kč/GJ).

Pokud vezmeme v potaz množství použitého jaderného paliva u nás, stává se z TEPLATORU zdroj nejméně závislý na externím dodavateli paliva (v Česku je dnes přibližně 20 tisíc vyhořelých palivových kazet VVER 440 a ty každý rok přibývají). Při spotřebě 55 kazet na rok provozu by 15 těchto reaktorů mohlo být v provozu přes 20 let.

TEPLATOR lze samozřejmě provozovat i s čerstvým jaderným palivem a mimochodem, cena uranu je dnes nejnižší za posledních mnoho let. Investiční náklady na vybudování jednoho takového reaktoru odhadují jeho autoři na méně než 30 milionů eur (necelých 800 milionů korun).

V současné chvíli je projekt ve stádiu koncepční studie před licencováním a nezbytnými
dokumentačními procesy, přičemž funkční prototyp (výkon 50 MWt) by mohl být spuštěn do 4 let a plný komerční provoz jednotek TEPLATORu (do 200 MWt) by pak mohl být odstartován v roce 2027.

Jak již bylo zmíněno, očividně je u nás o takové technologie zájem. Nejen v Česku, vývojový tým jedná s několika zájemci také v zahraničí. Cesta TEPLATORU by tedy mohla být velice perspektivní, bez uhlíkové stopy a s recyklací jaderného paliva, které už v Česku máme.