Pomohou Číně malé jaderné reaktory vylepšit ovzduší znečištěné fosilními zdroji?

Čína za posledních 30 let neskutečně pokročila v mírovém využívání jaderné energie. Její první energetický reaktor byl připojen k síti až v roce 1991 (QINSHAN-1), ale dnes už má celou řadu následovníků.

V současnosti má Čína jen u sebe doma 48 připojených energetických reaktorů a importované jaderné technologie všech velkých světových hráčů (tedy francouzské EPR, ruské VVER, americké AP1000, kanadské CANDU).

Navíc Číňané začali vyvíjet vlastní typy, což zahrnuje i malé jaderné reaktory (SMR).

SMR jako náhrada za uhlí

Jedním z těchto projektů je 210 MWe HTR-PM společnosti Chinergy, jehož základy sahají do projektu z šedesátých a osmdesátých let. Podrobněji si tento reaktor i některé další popíšeme v tomto díle našeho seriálu.

Čína navíc vyvíjí SMR čistě pro potřebu výroby a centrálního zásobování teplem (CZT). Výkony takových bloků se pohybují v rozsahu 100 až 200 MW(th).

V Číně by mohlo být využito až na 400 kusů takových jednotek. Tyto reaktory by byly vhodné primárně na severu a severovýchodě země, kde je značná potřeba právě tepla jak pro průmyslové komplexy, tak i pro rezidenční bydlení vytápěné prostřednictvím CZT.

V současné době totiž v těchto lokalitách vyrábějí/dodávají teplo výhradně elektrárny na fosilní paliva (hlavně uhelné), což má neblahé následky na ovzduší, které je silně znečištěné prachem či sirnými a dusíkovými zplodinami.

Flotila čínských SMR designů zahrnuje tlakovodní pozemní typy, tlakovodní plovoucí typ a vysokoteplotní plynem chlazený typ.

Tlakovodní pozemní SMR

Celkem se jedná o tři reaktory: ACP100, CAP200 a DHR400, které všechny využívají  palivo ve formě oxidu uraničitého (UO₂).

Reaktor DHR400 je jako jediný ze zmíněných tří určen pouze pro neelektrické aplikace. Počítá se s ním na výrobu a dodávku tepla, odsolování mořské vody nebo produkci radioizotopů.

Tento reaktor byl navržen právě jako náhrada uhelných elektráren za účelem snížení znečištění ovzduší a snížení množství odpadu (popílek v případě uhelných elektráren) v severních oblastech Číny.

Prototyp reaktoru DHR400, zvaný Yanlong, absolvoval v listopadu 2017 úspěšný test provozu, kdy dokázal produkovat teplo 168 hodin v kuse. Na základě tohoto testu se přistoupilo k dalším krokům směřujícím k výstavbě tohoto reaktoru.

Další dva typy tlakovodních SMR designů, ACP100 a CAP200, jsou založeny na ověřené technologii velkých tlakovodních reaktorů s tím, že jsou zde implementované prvky pasivních bezpečnostních systémů. Oba jsou navrženy pro práci v kogeneračním režimu.

ACP100 navíc může být využit na odsolování mořské vody i centrální zásobování teplem. Stejně jako oba předchozí může být použit v lokalitách, kde nahradí zastaralé fosilní elektrárny.

Schematické ukázky čínských tlakovodních pozemních SMR. Zdroj: IAEA

Tlakovodní plovoucí SMR

Do této kategorie spadá pouze reaktor ACPR50S vyvinutý společností China General Nuclear Power Corporation (CGNPC). Má výkon 50 MWe s palivem ve formě UO₂ a implementovanými pasivními bezpečnostními systémy.

Využití reaktorů ACPR50 a ACPR50S. Zdroj: CGN

Jejich součástí je vodní nádrž a výměníky tepla umístěné mimo kontejnment. Tento reaktor opět umožňuje kombinovanou výrobu tepla, elektrické energie, výrobu pitné vody pro posádku lodí, na kterých bude provozován (jde o podobný projekt jako ruský Akademik Lomonosov).

Může sloužit i jako zdroj energie pro těžební plovoucí stanice. Zároveň je možné ho využít jako zdroj energie na ostrovech nebo nouzový zdroj na pobřežích. Díky 30měsíčnímu palivovému cyklu má vysoký faktor využití reaktoru. Výstavba demonstrační jednotky tohoto typu začala v roce 2016 a během letošního roku by měla být spuštěna.

Plovoucí reaktor ACPR50S. Zdroj: CGNPC

Vysokoteplotní plynem chlazený SMR

Nejpokročilejším malým reaktorem v Číně je HTR-PM. Tento reaktor byl vyvinut na univerzitě INET a jedná se design s TRISO palivem ve formě grafitových koulí umístěných v aktivní zóně.

Aktivní zóna je chlazena heliem s výstupními teplotami cca 750 °C. Obohacení paliva dosahuje 8,5 procenta a vyhoření tohoto paliva se pohybuje okolo 90 MWd/kg.

Palivo je kontinuálně doplňováno centrálním doplňovacím systémem (potrubí, kterým do reaktoru padají čerstvé palivové koule). Po vyhoření toto palivo opouští aktivní zónu centrálním otvorem ve spodní části reaktoru. Odtud následně padá do nádrže na vyhořelé palivo nebo je vráceno zpět do reaktoru a proces se opakuje, dokud palivo nedosáhne navrženého vyhoření.

Tento projekt byl spuštěn po ověření funkčnosti na předchozím typu HTR-10, jehož základy sahají až do šedesátých let minulého století. Jedná se původně o německou technologii, kterou rozvinula Jižní Afrika s reaktorem typu PBMR, na kterém se podíleli i čeští vědci.

Číně se za zajímavých okolností podařilo podklady reaktoru PBMR získat a HTR-10 jako by mu „z oka vypadl.“ Po úspěšných testech HTR-10 se s výstavbou první demonstrační jednotky HTR-PM začalo v prosinci 2012. Se spuštěním jednotky se počítalo v loňském roce, nicméně projekt se zpozdil.

Vysokoteplotní reaktor HTR-PM 600. Zdroj: CNNC

Budoucí vývoj SMR s tekutými solemi

V technologii reaktorů chlazených roztavenou solí (většinou směs roztavených fluoridů: NaF + LiF + BeF₂) bylo na počátku tohoto století na světové špici Česko.

Tuto roli dnes ale rozhodně zaujala Čína, která spolu s americkou laboratoří Oak Ridge National Laboratory vyvíjí reaktory TMSR-SF a TMSR-LF.

Zkratka TMSR znamená thoriový reaktor s tavenými solemi (thorium molten salt reactor), který buď používá pevné palivo (solid fuel – SF, pozn. red.) a sůl jen jako chladivo, nebo v roztavené soli rozpouští i palivo (liquid fuel – LF, pozn. red.) a umožňuje kontinuální výměnu paliva.

V dalším díle se podíváme do Japonska a v posledním díle této série se zaměříme na Česko.