font_preload
Atom Energetyka 5 lipca, 2016 godz. 7:30   
KOMENTUJE: Adam Rajewski

Rajewski: Czy Polska powinna sięgnąć po nowe technologie jądrowe?

HTR Budowa HTR w Shidowan w prowinicji Shangdong w Chinach

KOMENTARZ

Adam Rajewski

Politechnika Warszawska

W ostatnim czasie w mediach branżowych pojawiły się spekulacje, że przy okazji oczekiwanej rewizji polskiego programu jądrowego, jego kierunek może zostać przesunięty z tradycyjnych technologii jądrowych dużej skali w stronę tzw. małych reaktorów modułowych (ang. Small Modular Reactors, SMR). Propozycje tego rodzaju nie są zresztą nowością i już kilkakrotnie pojawiały się w ciągu ostatnich kilku lat, tak w mediach, jak i podczas dyskusji w branży. Czy faktycznie SMR-y mogą stać się szansą na przyspieszenie polskiego programu jądrowego?

 

SMR – co to takiego?

Jądrowe bloki energetyczne tradycyjnie budowano – i nadal buduje się – jako jednostki duże. Po niewielkiej liczbie bardzo małych prototypów z przełomu lat 50. i 60. ubiegłego wieku, standardem stały się bloki po kilkaset megawatów, przy czym moce jednostkowe z czasem rosły. W latach 70. większość jednostek zbliżała się już do granicy 1000 MW, a wiele bloków budowanych w latach 80. i 90. wykroczyło jeszcze dalej, osiągając moce rzędu 1300-1400 MW. Proces ten wynikał z ekonomii oraz funkcji bloków jądrowych. Po pierwsze elektrownie jądrowe, jako instalacje o bardzo wysokim udziale kosztów stałych (przede wszystkich związanych z budową i przygotowaniami do niej) a niskim udziale kosztów zmiennych (tj. związanych z paliwem) praktycznie zawsze pracują jako jednostki tzw. podstawowe, tj. cały albo prawie cały czas z mocą bliską znamionowej. Dlatego z eksploatacyjnego punktu widzenia rozpraszanie mocy nie przynosi w zasadzie istotnych korzyści. Pewnym plusem mogłoby być co najwyżej ograniczenie wpływu planowanych remontów (ubytek mniejszej części mocy za jednym zamachem), aczkolwiek znakomitą większość bloków budowano dotychczas w dużych systemach elektroenergetycznych, w których czasowy ubytek jednego z nich nie stanowi problemu. Z kolei z punktu widzenia kosztów inwestycyjnych, chodziło rzecz jasna o efekt skali – obniżenie względnego kosztu mocy zainstalowanej w większym bloku. Proces tutaj był zresztą bardzo podobny jak w przypadku bloków węglowych, które również w miarę upływu czasu rosły od skali rzędu 100-200 MW pół wieku temu, do standardowych dziś jednostek po 900-1100 MW.

Od jakiegoś czasu na rynku perspektywicznych technologii jądrowych pojawił się jednak także trend odwrotny, związany z projektowaniem jednostek relatywnie niewielkich i modułowych. W założeniu instalacje takie mogłyby być lekarstwem na sporo rzeczywistych współczesnych bolączek branży jądrowej, przede wszystkim olbrzymią kapitałochłonność pojedynczej inwestycji. Jednocześnie miałyby też pozwalać na podwyższenie poziomu bezpieczeństwa (choćby przez redukcję skali skutków potencjalnej awarii). Z kolei wzrost kosztów jednostkowych mocy miałby być ograniczany dzięki seryjnej produkcji standaryzowanych elementów (do tej pory nawet w przypadku wykorzystywania reaktorów jednego typu, rzeczywiste bloki dość istotnie się różnią) oraz wykorzystaniu większego udziału elementów prefabrykowanych, modułowych. Rzecz jasna zarówno to, jak i zmniejszenie skali przedsięwzięcia, miałoby też ograniczać ryzyko występowania opóźnień.

Oczywiście ważne pytanie brzmi „co to jest mały”? Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej jako „małe” definiuje te jednostki, których moc elektryczna nie przekracza 300 MW. W praktyce moce te mogą być bardzo różne. Do tej pory opracowano szereg konstrukcji, które znacznie się w tym zakresie różnią. Najmniejsze instalacje, jak argentyński CAREM, mają wytwarzać po 25 MW netto.  Największe – jak SMR proponowany przez Westinghouse’a – po 225 MW. Większość proponowanych rozwiązań mieści się jednak w przedziale do 100 MW.

Proponowane konstrukcje SMR-ów są także bardzo różne. Część z nich bazuje na doskonale znanej technologii reaktora wodnego ciśnieniowego. Jest to najpopularniejsza technologia stosowana w energetyce jądrowej, jednocześnie doskonale też sprawdzona w małej skali w roli okrętowych reaktorów napędowych. Niektóre proponowane konstrukcje wykorzystują jednak inne procesy technologiczne, np. chiński projekt HTR-PM to reaktor wysokotemperaturowy chłodzony helem.

Wszystkie obecnie proponowane technologie SMR-ów łączy jedna cecha. Choć oparte są w wielu przypadkach o znane i sprawdzone rozwiązania technologiczne, w tej formie nie zostały jeszcze zrealizowane. Większość pozostaje wyłącznie projektami. Trzy konstrukcje są na etapie budowy prototypów – wspomniany już  argentyński CAREM (29 MW brutto, 29 MW netto, w budowie od 2014, planowane ukończenie w 2017), chiński HTR-PM (blok łączący dwa reaktory i jedną turbinę, łączna moc 211 MW brutto, 200 MW netto, w budowie od 2012 r., planowane ukończenie w 2017 r.) oraz rosyjska pływająca elektrownia „Akademik Łomonosow” z dwoma reaktorami KŁT-40S (2 × 38 MW brutto, 2 × 32 MW netto, w budowie od 2007 r., ukończenie obecnie planowane na rok 2018). Instalacje te reprezentują trzy różne podejścia do zagadnienia. CAREM to prosty reaktor ciśnieniowy zaprojektowany od podstaw, który ma być później rozwinięty do większej konstrukcji dla bloku 100 MW. HTR-PM to prototypowy reaktor wysokotemperaturowy, stanowiący rozwinięcie wcześniejszego uniwersyteckiego prototypu HTR-10, który z kolei stanowi wariację na temat zakupionej przez Chiny technologii opracowanej w latach 80. w RFN. Natomiast „Łomonosow” to jednostka pływająca wyposażona w dwa reaktory stanowiące modyfikację sprawdzonego reaktora napędowego lodołamaczy i ma służyć do zasilania odizolowanych ośrodków miejskich na dalekiej północy Rosji, w których trudno jest prowadzić tradycyjne projekty budowlane. Widać też tutaj istotną różnicę w celu. Małe rozmiary „Łomonosowa” podyktowane są bardzo specyficznym obszarem geograficznym, w którym ma on zostać zastosowany. HTR-PM jest z kolei etapem rozwoju nowej technologii reaktorowej następującym po laboratoryjnym prototypie, a więc jest krokiem „w górę”. Tylko argentyński CAREM stanowi faktycznie przejaw przeskalowania w dół znanej i opanowanej technologii.

HTR a sprawa polska

Aby zastanowić się merytorycznie nad sensownością korekty polskiego programu jądrowego w kierunku budowy SMR-ów należy najpierw zastanowić się skąd i po co w Polsce wziął się program budowy elektrowni jądrowych. Przyjęty przez Radę Ministrów w 2014 roku „Program polskiej energetyki jądrowej” (PPEJ) jest elementem realizacji obowiązującej (choć niekoniecznie w praktyce realizowanej) „Polityki energetycznej Polski do 2030 roku”. Dokument ten jako jeden z sześciu „podstawowych kierunków polityki energetycznej” wymienia „dywersyfikację struktury wytwarzania energii elektrycznej poprzez wprowadzenie energetyki jądrowej”. Jako konkretny cel wskazano osiągnięcie do 2030 roku udziału energetyki jądrowej w krajowej produkcji energii elektrycznej na poziomie minimum 10 procent. Zgodnie z załącznikami, miałoby to zostać osiągnięte przy pomocy budowy elektrowni jądrowych o łącznej mocy zainstalowanej na poziomie 4800 MW, w tym 1600 MW uruchomione do końca roku 2020. W PPEJ liczby te zostały nieco zmienione. Horyzont uruchomienia pierwszych mocy – minimum 1000 MW – przesunięto na koniec 2024 r. Jako cel na rok 2030 obrano moc 3000 MW, a docelową wartość planowaną na 2035 r. określono na 6000 MW.

Oczywiście w budowie elektrowni jądrowych nie chodzi o sztukę dla sztuki. Owa zapisana w polityce energetycznej dywersyfikacja ma bardzo konkretny cel – umożliwienie produkcji sporych ilości energii elektrycznej w sposób nie powodujący emisji dwutlenku węgla (ani innych substancji szkodliwych). Dziś jedynym sposobem bezemisyjnej produkcji energii elektrycznej w Polsce są odnawialne źródła energii (OZE). Ich udziału nie można jednak zwiększać w nieskończoność z uwagi na uwarunkowania naturalne i techniczne. Przy obecnym stanie techniki, sporą rolę w systemie elektroenergetycznym muszą wciąż odgrywać tradycyjne elektrownie podlegające sterowaniu operatorów i niezależne od szybko zmiennych warunków atmosferycznych. W obszarze OZE takie warunki spełniają instalacje na biomasę i biogaz (których rozmiar jest jednak typowo ograniczany dostępnością paliwa), a także wodne i geotermalne (do których istotnego rozwoju niestety nie mamy w Polsce odpowiednich zasobów), natomiast nie spełniają ich najpopularniejsze w naszym regionie świata instalacje wiatrowe i słoneczne. Dlatego większość państw (z wyjątkiem dysponujących bardzo specyficznymi uwarunkowaniami naturalnymi, jak Norwegia czy Islandia) musi posiadać w systemie energetycznym swojego rodzaju „fundament” w postaci źródeł nieodnawialnych. W Polsce oczywiście tę rolę spełniają dziś bloki węglowe, a więc źródła o najwyższej z możliwych emisyjności dwutlenku węgla. Oczywiście globalne emisje z tego sektora są ograniczane przez względny wzrost znaczenia OZE a także budowę nowych bloków o wyższej sprawności, ale w długim terminie to nie wystarczy, szczególnie że przewiduje się bezwzględny wzrost zużycia energii elektrycznej w Polsce. Dalszy spadek emisji może przynieść zatem tylko zmiana paliwa. W praktyce oznacza to albo zastąpienie węgla gazem ziemnym, albo właśnie paliwem jądrowym. Nowoczesne elektrownie gazowe mają emisyjność około dwukrotnie niższą niż węglowe. Jądrowe – zerową. Stąd w uproszczeniu można stwierdzić, że zastąpienie 1000 MW zainstalowanych w elektrowni węglowej jednostką jądrową daje globalnie ten sam efekt, co zastąpienie 2000 MW w węglu – gazem. W praktyce zatem budowa mocy jądrowych stanowić może pewną „osłonę” dla mocy węglowych, a także zmniejsza konieczność uzależniania się od paliwa gazowego, które jest drogie i trudne do magazynowania, a poza tym musi być stale importowane. Paliwo jądrowe także rzecz jasna musi pochodzić spoza Polski, ale po pierwsze może być importowane z bardziej „przyjaznych” i stabilnych politycznie kierunków (np. Kanada i Australia w przeciwieństwie do Bliskiego Wschodu i Rosji), po drugie jest dużo łatwiejsze w magazynowaniu, a po trzecie nawet drastyczne zmiany jego cen nie powodują istotnych zmian kosztu wytwarzanej energii.

Oczywiście aby takie skutki polska gospodarka odczuła, energetyka jądrowa musi uzyskać istotny udział w krajowym bilansie energetycznym. W 2015 roku krajowa produkcja energii elektrycznej wyniosła prawie 162 TWh. Dla wyprodukowania 10% tej ilości potrzebne byłyby elektrownie jądrowe o mocy przynajmniej 2000 MW (zakładając współczynnik wykorzystania mocy zainstalowanej na poziomie 0,9, czyli praktycznie ciągłą pracę z pełną mocą – w praktyce byłby on pewnie nieco niższy). Z uwagi na oczekiwany wzrost produkcji i zużycia energii elektrycznej w kraju, osiągnięcie tego samego udziału w roku 2030 będzie oczywiście wymagało jeszcze wyższej mocy. Przyjmując liczby z prognozy załączonej do polityki energetycznej – czyli roczną produkcję na poziomie rzędu 220 TWh – byłoby to 2800 MW. Można uznać tę liczbę za pewnego rodzaju minimum, które zapewni jakiekolwiek wymierne pozytywne efekty posiadania energetyki jądrowej na poziomie krajowym.

2800 MW przy zastosowaniu tradycyjnych technologii jądrowych oznacza dwa-trzy bloki (obecnie oferowane na rynku jednostki mają moce od ok. 1100 do 1750 MW). Można to uznać za wykonalne w horyzoncie roku 2030 nawet biorąc pod uwagę aktualne opóźnienia realizacji PPEJ. Jednak w przypadku SMR-ów sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Nawet przyjmując zastosowanie największego bloku Westinghouse’a (225 MW), oznaczałoby to co najmniej dwanaście jednostek. A w przypadku technologii takich jak amerykański nuScale (45 MW z jednostki) – ponad 60 bloków jądrowych! Przy tym każdy z nich będzie podlegał takiej samej formalnoprawnej procedurze przygotowawczej jak jedna wielka jednostka, bowiem przepisy nie przewidują różnic z uwagi na moc. Mowa przy tym o konstrukcjach, które nie wyszły jeszcze poza deskę kreślarską (czy też ekran monitora), co sprawia, że – niezależnie od uwarunkowań formalnych – nie do pomyślenia jest równoległe rozpoczęcie budowy dużej ich liczby. W praktyce konieczne byłoby najpierw zbudowanie i przebadanie prototypu, wprowadzenie niezbędnych poprawek i dopiero wtedy ewentualna budowa dalszych jednostek (i to też raczej nie po dziesięć na raz), co w zasadzie wyeliminowałoby możliwe zyski wynikające z krótszego czasu budowy pojedynczego bloku. Zresztą ten zysk czasowy też nie byłby tak wielki – nawet malutki CAREM ma być budowany trzy lata (nie licząc prac przygotowawczych), a czas budowy dużego (50-krotnie większego!) bloku oceniać dziś można na pięć-sześć lat. Na dokładkę decyzja o budowie SMR-ów wymagałaby cofnięcia się w procesie przygotowawczym (badań lokalizacyjnych) tak, by uwzględnił on inny charakter planowanej technologii.

Wszystko to prowadzi do konkluzji, że decyzja o budowaniu w Polsce SMR-ów zamiast tradycyjnych bloków jądrowych spowoduje, że energetyka jądrowa nie będzie w stanie w horyzoncie kilkunastu lat spełnić roli jaką dla niej w polskiej polityce energetycznej przewidziano. Cóż więc z tego, że zapłacimy mniej za mniejszą inwestycję, skoro okaże się ona sztuką dla sztuki nieistotną w krajowym bilansie? A przecież ostatecznie dla budowy tej samej mocy pełniącą tę samą funkcję trzeba byłoby wydać więcej niż w przypadku tradycyjnych bloków z uwagi na większy koszt jednostkowy mocy. Inne korzyści z budowy SMR-ów – jak mniejsze ryzyko opóźnień projektu – wydają się jeszcze bardziej iluzoryczne, bowiem samo zastąpienie dużych bloków małymi powoduje że zamiast ryzyka opóźnienia mamy w skali kraju de facto jego pewność – niemożliwe jest bowiem szybkie przekazanie do eksploatacji istotnej mocy. A stosowany też czasami argument o większej elastyczności pracy (tj. zdolności elektrowni złożonych z małych reaktorów do pracy z obniżonymi mocami w zależności od potrzeb) nie ma sensu w kontekście planowanego stosowania mocy jądrowych do pracy w absolutnej podstawie – taka elastyczność może okazać się konieczna przy udziałach mocy zainstalowanej znacznie przekraczających możliwe do osiągnięcia w bliskiej przyszłości.

Warto zresztą zwrócić uwagę, że mimo iż projektów SMR-ów powstało już na świecie około trzydziestu, w tym około dziesięciu osiągnęło stadium projektu szczegółowego, teoretycznie wystarczającego do podjęcia decyzji o budowie, w praktyce w budowie znajdują się raptem trzy. W dodatku dwa (chiński i argentyński) w ramach projektów o charakterze wybitnie badawczo-rozwojowym, a trzeci – pływająca elektrownia rosyjska – oparty jest po pierwsze o de facto sprawdzoną konstrukcję reaktora, po drugie powstaje dla bardzo szczególnego rejonu geograficznego, a po trzecie nie wydaje się mieć szczególnie wysokiego priorytetu dla samych Rosjan (co widać po czasie budowy). Do tej pory żaden inwestor nigdzie na świecie nie zdecydował się na zbudowanie lądowego SMR-a dla potrzeb energetyki zawodowej.

Nie znaczy to oczywiście, że SMR-om w Polsce trzeba powiedzieć twarde „nie”. Realizacja prototypu nowej technologii jądrowej w Polsce mogłaby mieć sens, szczególnie jeśli w prace zaangażowane zostałyby polskie przedsiębiorstwa i ośrodki naukowo-badawcze, a sam reaktor wykorzystywałby którąś z zaawansowanych technologii (tak jak to dzieje się w Chinach), a nie był zwyczajnie recyklingiem starszych koncepcji w mniejszej skali.  Tak rozumianego projektu nie można jednak rozpatrywać jako alternatywy dla dużych bloków budowanych w ramach PPEJ, gdyż zwyczajnie nie może on spełnić funkcji przewidzianej dla energetyki jądrowej przez politykę energetyczną. Jeśli jednak chcemy, by energetyka jądrowa odegrała istotną rolę w dekarbonizacji i rozwoju polskiej gospodarki w ciągu kilku najlepszych dekad, konieczne będzie zastosowanie technologii bardziej tradycyjnych.