Nová generace jaderné energetiky
je na dosah

Malý modulární reaktor CR-100

Malé modulární reaktory jsou v zemích se silnou tradicí jaderné energetiky vyvíjeny s úmyslem snížit investiční náročnost zejména zkrácením výstavby, možným zjednodušením některých požadavků bez zhoršení bezpečnostních charakteristik, variabilitou a modulární výrobou a významným zvýšením účinnosti kogenerací, čímž představují zdroj tepla a elektrické energie pro komunity a průmyslové podniky. Tyto webové stránky zasazují SMR do portfolia možného energetického mixu ČR a představuje český návrh malého modulárního reaktoru, který by kromě výšeuvedených přínosů posílil energetickou bezpečnost ČR a nabídl českému průmyslu, tradičně znalému jaderných technologií, také produkt pro expanzi na další trhy.

Technologie SMR

Definice a vymezení pojmu SMR: Mezinárodní agentura pro atomovou energii (MAAE) definuje SMR jako “malé” bloky s výkonem do 300 MWe a jako “střední” bloky s výkonem do 700 MWe. Termín “SMR” se však častěji používá jako zkratka pro “malý modulární reaktor”, který je určen k sériové výstavbě. Z hlediska použité technologie nacházíme mezi jednotlivými projekty SMR široké spektrum – od tlakovodních (například NuScale, Rolls-Royce nebo NUWARD), se kterými jsou největší zkušenosti u „velkých“ a stávajících jaderných zdrojů, přes vysokoteplotní plynem chlazené reaktory (HeFASTo, Allegro) nebo reaktory beztlakové, chlazené roztavenou solí (IMSR, Energy Well).

V čem se liší SMR od standardních jaderných reaktorů, jak je známe z provozu, u nás a ve světě?

Rozdílů (kromě již zmiňovaného výkonu) je více, zde zmíníme 6 velmi důležitých:

Díky předpřipravenosti větších provozních celků (modulů) ve výrobním závodě a celkově menší složitosti SMR je doba výstavby významně zkrácena.
SMR mají vyšší bezpečnost díky inherentním a pasivním bezpečnostním funkcím.
Umožňují investičně a technologicky proveditelnou a finančně velmi efektivní kogeneraci s vysokou účinností cyklu.
Díky výšeuvedeným bezpečnostním charakteristikám a významnému zjednodušení zařízení a jeho provozu umožňují překvalifikovat licenční požadavky s uplatněním odstupňovaného přístupu s příznivým dopadem na ekonomiku projektu i provozování bez kompromisů v bezpečnosti.
Umožňují typovost řešení s využitím úspor z rozsahu (Economy of Scale).
Díky svým rozměrům a modularitě umožňují stejnou transportovatelnost bez významnějších omezení jako jakákoli jiná dnes transportovaná technologie.

Bezpečnost

SMR designy jsou schopné extrémně snížit pravděpodobnost radiační havárie až do praktického vyloučení velkých radioaktivních úniků. Bezpečnost SMR je založena zejména na inherentní bezpečnosti a použití pasivních bezpečnostních prvků (např. velká tepelná setrvačnost, odolnost paliva vůči vysoké teplotě, odvod tepla z paliva přirozenou cirkulací účinkem gravitačních sil, odvod tepla z ochranné obálky konvekcí do okolního prostředí). Podobně důležitým faktorem zřejmě bude i vysoká odolnost na zvládání nepříznivých vnějších událostí, např. zemětřesení, záplavy, extrémní meteorologické podmínky, nebo zásahy vyvolané lidskou činností.

Ekonomická efektivnost

Ekonomická efektivnost je určujícím kritériem pro rozhodnutí o upřednostnění jaderného zdroje před jinými možnostmi. Pro jaderné zdroje je charakteristická významně odlišná skladba nákladů ve srovnání se skladbou typickou pro zdroje spalující fosilní paliva. Pro jaderné zdroje jsou rozhodující fixní náklady, zatímco podíl palivových nákladů na nákladech na výrobu elektřiny je relativně malý. Doba výstavby (období mezi začátkem výstavby a uvedením do provozu) může být jedním z klíčových aspektů k dosažení ekonomicky úspěšného projektu, kdy může být až 50 % investičních nákladů v závislosti na délce výstavby a úrokové míře ovlivněno financováním projektu. Vzhledem k dočasnému zařazení jádra a plynu mezi čisté zdroje energie lze předpokládat, že jaderné zdroje budou spolu s obnovitelnými ve výhodné pozici při vyjednávání diskontních sazeb, a tak se klíčovým rozdílem stává délka stavby. Zde mají SMR velkou konkurenční výhodu. Ta je ještě zvýrazněna typovostí jednotlivých projektů, která umožňuje přechod od konceptu unikátního projektu k přechodu First of a Kind (FOAK) na Next of a Kind (NOAK), kdy se při dalších typových výstavbách snižují náklady o desítky procent. Kvantitativně jsou samozřejmě náklady vždy svázány s daným projektem a technologií, nicméně SMR nabízí kombinaci finančních výhod, které více než kompenzují negativní vliv menšího výkonu na jednotku instalovaného výkonu:

Zkrácení doby výstavby, a tím snížení nákladů na financování projektu.
Potenciální zjednodušení a zkrácení procesu povolování.
Typovost projektů.
Investiční dosažitelnost pro subjekty s menší ekonomickou silou s možností sdíleného financování a komunitního financování.
Nižší náklady na provoz.

Dopad na životní prostředí

Z ekologického a klimatického pohledu je předností jaderných technologií především skutečnost, že se jedná o zdroje, které při provozu produkují zanedbatelné emise skleníkových plynů a většina emisí vztažených k životnímu cyklu vzniká obdobně jako u jiných bezuhlíkových technologií (vítr, FVE, geotermální) v procesu výstavby a částečně decommissioningu. S ohledem na délku provozu jednotlivých technologií je v tomto ohledu jádro nejčistší. Řádově menší je v případě jaderných zdrojů též velikost zastavěné plochy a spotřeba vytěžených materiálů. Pro porovnání emisí v rámci životního cyklu pro různé technologie, viz graf níže.

Spolehlivost

Přerušované dodávky energie z technologií využívajících obnovitelné zdroje energie (fotovoltaické a větrné elektrárny) není kvůli nemožnosti jejich řízení a samostatné výroby (bez záložních zdrojů, resp. doplněných o technologii skladování energie) možné považovat za samostatně udržitelné, dlouhodobě musí být doplněno systémy ukládání energie. Je všeobecně známé, že koeficient využití fotovoltaických panelů je v rozsahu 10 až 20 %, u větrných elektráren se hovoří o 15 až 40 %, v porovnání s 80 i více než 90 % u jaderných elektráren.

Projekty SMR a jejich načasování

Ve světe jsou ve vývoji desítky projektů SMR. Z konvenčních lehkovodních projektů jsou nejdále následující projekty: BWRX-300 (GE Hitachi), NuScale (NuScale Power), NUWARD (EdF), SMR-160 (Holtec), SMR-RR (Rolls-Royce). Jedná se o inovativní reaktory 3+ generace středního výkonu. Jednotlivé projekty se nachází v různém stádiu vývoje. Dle posledních aktuálních informací z USA se plánuje výstavba a zprovoznění do konce této dekády na území USA a Kanady. Výše uvedené je podmíněno úspěšným a včasným licenčním procesem, kterým aktuálně jednotlivé projekty prochází. Harmonizace mezinárodního dodavatelského řetězce může bude v případě výroby modulů náročnější než už konvenčních jaderných elektráren vzhledem k nutnosti sestavení velkých celků v krátkém období.

Místo SMR v energetickém mixu ČR

S přihlédnutím k aktuální situaci na evropském energetickém trhu a energetické koncepci přijaté EU je nezbytné postupně ladit energetický mix tak, aby splňoval podmínky strategické energetické bezpečnosti, přechodu na bezuhlíkové nebo nízkouhlíkové zdroje, vysokou provozní bezpečnost, spolehlivost a diverzifikované palivové zdroje s malou závislostí na politicky nestabilních geografických oblastech. Evropská komise tzv. taxonomií v červenci 2022 schválila dočasné zařazení jádra a plynu mezi čisté zdroje energie, což umožňuje také České republice významné posunutí energetického portfolia k jádru (a plynu) při odstavování elektráren či tepláren využívajících uhlí a jeho propojení se systémem dalších bezuhlíkových (OZE) zdrojů a technologických řešení pro skladování a inteligentní distribuci energie. Nestabilní situace s dodávkami plynu, jakkoli lze očekávat její stabilizaci po vybudování dostatečných kapacit na překládku, transport a uskladnění LNG, snižuje, i když neeliminuje, význam plynu pro budoucnost energetiky ČR.

Při úspěšné výstavbě a zprovoznění velkých jaderných elektráren a plánovaných obnovitelných zdrojů jako páteře české energetické soustavy je stále velký prostor pro nasazení dalších vhodných stabilních zdrojů pro produkci elektřiny, tepla a vodíku. V případě teplárenství by mohlo být cestou využití současné infrastruktury Centrálního zásobování teplem (CZT) a náhrada stávajících uhelných (55 % produkce v r. 2020) a plynových (27 % produkce v r. 2020) zdrojů bezemisními jadernými reaktory vhodného výkonu, tj. SMR o výkonové hladině cca 100 MWt. Kogenerační SMR zajistí nejen teplo, ale i elektřinu pro CZT a zároveň bude sloužit jako zdroj pro celou řadu dalších energeticky náročných procesů (např. chemický či sklářský průmysl, hutnictví, elektronický průmysl) a pokrytí poptávky při růstu využití elektromobility v ČR. Již dnes vyvstávají z českého průmyslu dotazy na možné využití lokálních jaderných zdrojů pro kogenerační výrobu.

SMR svým definovaným intervalem výkonu do cca 300 MWe tak nabízí řešení nejen pro doplnění páteřních zdrojů (např. uvažovaný projekt SMR ČEZ a JČ kraje v lokalitě ETE), ale v menších jednotkových výkonech desítek MWe také lokální řešení pro obyvatelstvo (teplo) nebo průmysl (elektrická energie, teplo) s potenciálem podpory celostátní energetické bilance. Nezanedbatelnou výhodou je možnost vysokopotenciálového tepla pro produkci vodíku.

Jako příklad uveďme region MSK, který má vysoký podíl energeticky náročného průmyslu, a proto potřebuje stabilní dodávky elektřiny i tepla. Na území MSK se nachází 57 obcí se SCZT. Dle MSK bude v r. 2044 v sektoru dodávek tepla v regionu chybět 9 100 TJ, což bude představovat 74 % celkové spotřeby pro obyvatelstvo daného regionu. Pro udržitelnost centrálního zásobování teplem v ČR (CZT) plánuje Teplárenské sdružení navýšení dodávek tepla z plynu z aktuálních 27 % na 35 % v r. 2030, při souběžném navýšení produkce tepla z biomasy, biometanu a dalších OZE z 10 % na 45 %.

Na tomto místě také zmiňme plán rozvoje SMR ve Velké Británii, která jako jeden z významných benefitů uvádí příspěvek většího počtu malých SMR zdrojů elektrické energie do regulování a stabilizace distribuční sítě.

Český projekt SMR

Česká republika má ve světě jaderných energetických technologií unikátní postavení dané svojí tradicí, znalostním prostředím, výrobními kapacitami a podporou obyvatelstva. Československé firmy v minulosti vyrobily a dodaly pro JE Temelín až 95 % komponent. Schopnost českého jaderného průmyslu dodat komponenty pro JE přetrvává dodnes a je posílena dlouholetými zkušenostmi z provozu a údržby lehkovodních reaktorů. V SMR technologiích se ČR angažuje již téměř 10 let, zejména na bázi znalostní a experimentální základny Skupiny ÚJV, kdy první návrh solemi chlazeného reaktoru EnergyWell získal US patent již v roce 2017.

S ohledem na dosavadní zkušenosti s tlakovodními reaktory v ČR a fakt, že se u významných jaderných designerů uplatňují osvědčená tlakovodní řešení, Skupina ÚJV připravuje design malého lehkovodního reaktoru CR-100 o výkonu 100 MWt cíleného na kogeneraci elektřiny a tepla. Uživatelem mohou být zejména výrobní podniky střední velikosti nebo komunity velikosti krajských nebo větších okresních měst. Výkonová hladina 100 MWt je zvolena z důvodu optimálního využití, především v teplárenství při zachování stávající infrastruktury CZT. Při kogeneraci je účinnost zařízení zhruba dvojnásobná stávajícím velkým jaderným blokům (60 %, poměrem 1:1 teplo a elektřina). Vzhledem k českému legislativnímu prostředí se jedná o vhodný způsob nasazení nových malých jaderných zdrojů v ČR, který současně zajistí maximální zapojení českého průmyslu a dále i udržení a rozvoj znalostí v oblasti jaderného inženýrství včetně atraktivních oborů na VŠ, čímž podpoří i udržitelnost velkých zdrojů, jelikož zajistí dostatečně robustní prostředí expertů, inženýrů a techniků. Při včasném zahájení prací na vývoji projektu lze plánovat počátek výstavby již ve 30. letech. Tuzemský projekt má oproti zahraničním celou řadu výhod, mezi které patří i značné snížení rizik spojených s dodávkami ze zahraničí. V aktuální fázi přípravy projektu je již v jednáních s průmyslem potvrzeno, že český průmysl bude schopen dodat všechny komponenty elektrárny a s výhodou vsadit na širší portfolio politicky stabilních dodavatelů paliva.

Využití SMR v ČR

K dnešnímu dni je ve světě ve vývoji řada projektů malých modulárních reaktorů. Některé z těchto projektů budou pro komerční využití k dispozici v letech 2030-35. Lze předpokládat, že z důvodu vysoké poptávky na světovém trhu bude obtížné zajistit dodávku těchto zařízení na český trh v požadovaném čase. Také za účelem eliminace tohoto rizika je vhodné rozvíjet vlastní technologii malých reaktorů v ČR s využitím potenciálu českého průmyslu, vzdělání, vědy a výzkumu, přičemž se nepředpokládá, že budou odhadované náklady na výstavbu CR-100 výrazně odlišné od zahraničních projektů SMR, a to i z důvodu využití osvědčených technologií a jednoduchosti designu postaveném na typu lehkovodního (tlakovodního) reaktoru.

Navržené technické řešení umožňuje zařadit CR-100 do:

existujícího systému zásobování teplem (CZT). Při kogeneračním provozu lze zajistit cca 72 MW_tep a 9 MW_el
vodíkového hospodářství (růžový zdroj vodíku pro přímé použití, konzervace energie). Při plně kodenzačním provozu 30,5 MW_el lze vyrobit cca 560 kg H₂/hod
Provoz bloku lze modifikovat dle požadavku CZT nebo ES ve výše uvedených mezí

Tento projekt SMR umožní zajistit teplo a elektřinu pro cca 6 000 -7 000 domácností.

Při ročním využití tepelného výkonu reaktoru 8 000 h a zapojení tohoto zdroje do systému CZT při střední dodávce tepla cca 22,8 MW_tep to umožní roční dodávku:

Tepla: 182 000 MWh_tep /r

Elektřiny: 224 800 MWh_el/r

Úsporu spotřeby ZP: 84,5 mil. Nm³/r

Snížení emisí CO₂: 160 000 tCO₂/r

Lokality

V ČR jsou aktuálně dvě jaderné lokality (ETE a EDU), ve kterých byly v minulosti provedeny průzkumy a jsou obecně akceptovány veřejností k využití jaderné energie. V současnosti ve Skupině ČEZ probíhá studie umístění SMR v 5 nejaderných lokalitách, kde jsou provozovány klasické energetické zdroje a 1 jaderné lokalitě (Temelín). Jako perspektivní se jeví i některé další lokality, ve kterých jsou provozovány, popř. byly v minulosti provozovány, konvenční energetické zdroje s napojením CZT. Umístění SMR bude dále možné realizovat v daných lokalitách jako náhradu za stávající teplárny a výtopny v ČR. MPO vytipovalo přibližně 40 lokalit, (stávající či nové nejaderné i jaderné zdroje) s cílem analyzovat 28 z nich.

Český reaktor CR-100

Dlouholeté zkušenosti českého jaderného průmyslu s projektem, výrobou, údržbou a provozem tlakovodních reaktorů umožňují vývoj malého reaktoru, jehož výrobu zvládnou tuzemští dodavatelé. Toto tvrzení je již teď podpořeno řadou jednání s klíčovými výrobci v ČR, kteří projekt vidí jako významnou obchodní příležitost. Projekt lze realizovat na základě existujících výpočtových modelů, technických norem a uzpůsobení již existujících a provozovaných systémů a komponent, čímž je možné vstoupit přímo do vývojové fáze projektu bez nutnosti rozsáhlého základního výzkumu.

V roce 2021 Skupina ÚJV navrhla koncept malého tlakovodního reaktoru o výkonu 100 MWt. Celé zařízení bylo koncipováno s důrazem na maximalizaci pasivní bezpečnosti a na převedení známé technologie do výkonově malého a zjednodušeného formátu splňujícího podmínky současné české legislativy. Koncept může být licencovatelný dle současné legislativy zákona č. 263/2016 Sb (zejména však dle V. 329/2017 Sb. – vyhláška o požadavcích na projekt jad. zařízení), případně s minimálním zásahem do aktuálně platných prováděcích předpisů k atomovému zákonu. Naopak, při sledování celosvětového vývoje, lze diskutovat o akceptování některých dopadů odstupňovaného přístupu (graded approach), které by výstavbu ještě dále zjednodušilo a urychlilo.

Hlavní parametry

37 palivových souborů, analogických souborům současně využívaným na JE Temelín (ETE), o aktivní délce palivového sloupce 1450 mm
několikaletý nepřetržitý palivový cyklus
Regulace reaktivity klastrovým systémem
Potlačení přebytečné reaktivity pomocí vyhořívajících absorbátorů a klastrů (boron-free operation)
Nízká míra rizika ohrožení okolí zařízení – předpokládaná pravděpodobnost tavení paliva 10^-7 umožní počítat s nulovou vnější zónou havarijního plánování.
Nakládaní s vyhořelým palivem identické jako u ETE, tj. vyhořelé palivové soubory uložené v bazénu vedle reaktoru, kdy standardizovaný obalový soubor pro odvoz vyhořelých PS pojme celou AZ reaktoru CR-100

Výhody projektu

Využití známých konceptů tlakovodního reaktoru provozovaného v ČR s minimálním nutným zásahem do legislativy pro licencování.
Obchodní příležitost pro český průmysl vyprodukovat, marketovat a prodávat produkt s vysokou přidanou hodnotou. Dle již ověřených informací je jisté, že všechny komponenty, včetně tlakové nádoby, zvládnou dodat tuzemští výrobci.
Vyřešení lokálních rizik s dostupností dlouhodobě zajištěného zdroje elektrické energie a tepla pro místní průmysl a komunity ve výhledu cca 15 let.
Posílení udržitelnosti české znalostní infrastruktury s nepřímým dopadem na stabilizaci lidských zdrojů také pro „velkou“ jadernou energetiku, kromě jiného zapojením českého průmyslu, vědy, výzkumu a vysokých škol.
Technické výhody jako například nulová vnější zóna havarijního plánování s předpokladem pro snadné umístění do teplárenských lokalit – v blízkosti osídlení.
Vhodné parametry pro náhradu fosilních zdrojů v CZT – vysoká účinnost v kogeneračním provozu.
Vhodný zdroj pro výrobu „růžového vodíku“.

Opatření pro úspěšnou realizaci

Navrhovaná opatření se týkají prvních dvou ze tří fází projektu:

Studie proveditelnosti
Příprava projektové dokumentace ke stavebnímu povolení
Vlastní výstavba.

Studie proveditelnosti byla již na úrovni technické proveditelnosti dokončena jako koncepční návrh řešení ve Skupině ÚJV. Finanční části studie proveditelnosti budou postupně doplňovány paralelně se vývojem projektové dokumentace.
Projektová etapa má za cíl přípravu projektové dokumentace ke stavebnímu povolení. Pro rozvoj projektu je nutná aktivní podpora ze strany státu již od fáze koncepčního návrhu až po detailed design. Stát může zajistit prostřednictvím dotační finanční podpory konsorciu českých firem podmínky pro realizaci projektu a přípravu náležité dokumentace, jež bude v souladu s platnou legislativou. Nutná investice pro rozvoj projektu vedoucí k získání potřebných podkladů k licencování v konkrétních lokalitách se odhaduje do 2 mld. Kč s celkovou dobou přípravy projektové dokumentace 7 let. Tato investice umožní zahájení výstavby těchto jednotek na počátku 30. let.
Projekt bude podporovat účast vysokých škol a VaV institucí, zejména s cílem podpory zájmu mladé generace o studium technických oborů a nasměrování průmyslu ČR na oblast aktivit s vysokou přidanou hodnotou. Stát může tuto oblast podpořit aktivním přístupem zejména přes TAČR a MŠMT.
Pro účast českých firem na pozdější výstavbě CR-100 bude vybudováno konsorcium firem zaměřené na vyprofilování dostatečného souboru kompetencí. Stát může tuto oblast podpořit aktivní záštitou MPO nad tímto konsorciem.

Aktuality

Připravujeme pro Vás…

Partneři