Wielkoskalowa energetyka jądrowa może stać się niedługo przeżytkiem. Wszystko za sprawą globalnego trendu stawiającego na coraz mniejsze konstrukcje, cechujące się znikomym wpływem na otoczenie, a także obniżonym ryzykiem inwestycyjnym. Technologią, która ma się ku temu przyczynić, są tzw. MMR (Micro Modular Reactors) lub inaczej MNR (Micro Nuclear Reactors), czyli „mniejsi siostrzeńcy” popularnych SMR’ów – pisze Dawid Dymek z SKN Energetyki SGH w BiznesAlert.pl.
Czym są MMR-y i gdzie mają swój początek?
MMRy to niewielkie modułowe reaktory jądrowe, które charakteryzują się stosunkowo małą mocą. Ich działanie bazuje na tych samych zjawiskach fizycznych, które zachodzą w większych urządzeniach. Według definicji Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych ds. Projektów Badawczych ich moc wynosi poniżej 10 MWe[1], co daje około 30-40 MWt[2]. Z kolei Koreański Instytut Badań Energii Atomowej określa możliwości wytwórcze na poziomie do 20 MWe, czyli maksymalnie 80 MWt. Ze względu na widoczną rozbieżność nie ma sensu przywiązywanie zbyt dużej wagi do tych wartości. Istotniejszym jest, że w porównaniu z SMR ich moc jest niższa około 5-, 10-krotnie, a względem obecnie eksploatowanych konstrukcji różnica jest stukrotna. Wpływa to bezpośrednio na rozmiary MNR’ów, a w rezultacie na obniżenie zapotrzebowania na powierzchnię pod budowę.
Podobnie jak większe reaktory jądrowe, mikroreaktory są podzielone na wiele typów. Najprostszy podział wskazuje na grupę LWR[3] oraz Non-LWR. W odróżnieniu od obecnie funkcjonujących reaktorów energetycznych, obiekty badawcze lub projekty koncepcyjne w skali mikro rzadko są termiczne, tzn. nie wykorzystują neutronów termicznych. Według IAEA (International Atomic Energy Agency) w 2022 roku w Stanach Zjednoczonych rozważane typy to: MSR (Molten Salt Reactor), HTGR (High Temperature Gas-cooled Reactor), HP (Heat Pipe Cooled Reactor), SFR (Sodium-cooled Fast Reactor) i FR (Fast Neutron Reactor). Wszystkie wymienione typy reaktorów są zaliczane do technologii jądrowych IV generacji, co oznacza, że są nowoczesne, wysoko wydajne i posiadają bardziej zaawansowane systemy bezpieczeństwa niż poprzednia generacja. Natomiast jednostki wpisujące się w kategorię III są rozwijane głównie przez naukowców z Rosji i Japonii.
Warto zwrócić uwagę, że mikroreaktory i mikroelektrownie atomowe nie są nową technologią. W latach 1954-1977 Amerykanie skonstruowali 8 takich jednostek, których głównym celem było zasilanie wojskowych baz w trudno dostępnych oraz odizolowanych lokalizacjach. Niektóre urządzenia, jak np. mobilny reaktor atomowy ML-1, mogły być transportowane pojedynczym pojazdem ciężarowym. W tym samym okresie swoje własne konstrukcje rozwijali także Rosjanie, czego efektem były mobilne jednostki TES-3 oraz stacjonarne jednostki typu LWR, czyli pomniejszone wersje najczęściej w naszych czasach wykorzystywanych reaktorów. W przeciwieństwie do Amerykanów, Rosjanie wykorzystywali je również do celów cywilnych. Przykładowo, do roku 1976 z powodzeniem eksploatowali oni najmniejszą w tamtym okresie elektrownię atomową o mocy 12 MWe.
Co mają MMR, czego nie mają większe reaktory?
Dotychczasowe inwestycje w energetykę atomową były zwykle projektami trwającymi wiele lat, kosztownymi i obarczonymi dużym ryzykiem inwestycyjnym, wynikającym z możliwych opóźnień prac budowlanych oraz wpływu zmian politycznych. Polska, jako kraj obecnie dążący do budowy pierwszej elektrowni atomowej we współpracy z amerykańskim przedsiębiorstwem Westinghouse, podjęła takie ryzyko. Z dostępnych informacji wynika, że koszt przedsięwzięcia i szacuje się na około 90-100 mld złotych, a pierwszy blok elektrowni ma zostać uruchomiony w 2033 roku. W trakcie trwania inwestycji przewidzianej na ponad 10 lat może nastąpić wiele zmian, chociażby wybór nowego rządu, który wpłynąłby na płynność przebiegu inwestycji, a w najgorszym wypadku dostarczyłby powtórkę zdarzeń z Żarnowca.
Niepewna sytuacja na światowym rynku energetycznym, wynikająca z trwającej wojny u naszych sąsiadów ze wschodu, również może wydłużać czas realizacji przedsięwzięcia, a więc pośrednio negatywnie wpływać na opłacalność inwestycji. Przykładem rekordowych opóźnień w realizacji projektów jądrowych jest konstrukcja nowego francuskiego bloku z reaktorem EPR w Flamanville. Prace nad budową rozpoczęły się w 2007 roku, a planowana data uruchomienia zakładała rok 2013. Obecnie, w 2023 roku, reaktor wciąż nie działa, a załadowanie paliwa zostało po raz kolejny przełożone, tym razem na 2024 rok, jak donosi WNN (World Nuclear News).
Przytoczone zagrożenia wydają się tracić na znaczeniu w przypadku nowoczesnych mikroreaktorów. Ich mniejsze rozmiary oraz modularna konstrukcja sprawiają, że mogą być w całości fabrykowane i składane do etapu gotowego produktu w jednym zakładzie produkcyjnym. Takie podejście ogranicza koszty oraz czas inwestycji. Według amerykańskiego startupu Last Energy, który skupia się na rozwoju komercyjnych mikroreaktorów typu PWR (Pressurized Water Reactor), koszt budowy jednostki wytwórczej 20 MWe wynosiłby około 100 mln dolarów. Natomiast czas realizacji konstrukcji, przeprowadzenia testów bezpieczeństwa oraz prac montażowych u klienta to około 2 lata. Wielkość całej mikro elektrowni nie miałaby przekraczać 1 akra (powierzchnia wielkością zbliżona do połowy boiska piłkarskiego), z kolei sam reaktor mógłby zostać przetransportowany za pomocą pojedynczej ciężarówki.
Innym aspektem czyniącym mikroreaktory atrakcyjnym źródłem energii jest ich szeroki wachlarz możliwości implementacji w porównaniu z dużymi jednostkami. W przyszłości mogłyby one przyczynić się do wprowadzenia rozwiązań zdecentralizowanych jako czynnik bilansujący mikro sieci zasilane z OZE. Wynika to z ich pracy o zerowej emisyjności, wysokiego capacity factor[4] na poziomie około 95 procent, sterowalności nie wymagającej wysokiego kapitału ludzkiego przy jednoczesnym wykorzystaniu pasywnych systemów bezpieczeństwa w razie awarii oraz dłuższej pracy bez konieczności wymiany paliwa, która odbywać się ma z częstotliwością od 3 do nawet 20 lat w zależności od typu reaktora – a więc nieporównywalnie rzadziej niż w przypadku wielkoskalowych instalacji.
Jednym z atutów MMR jest także możliwość bezemisyjnej generacji pary grzewczej, która mogłaby zrewolucjonizować systemy ciepłownicze w głównej mierze oparte na paliwach zanieczyszczających środowisko takich jak węgiel, gaz lub olej, które obarczone są koniecznością zakupu uprawnień do emisji. Średnia cena tych ostatnich w roku 2022 wahała się między 58 a 98 €/tCO2. Jak podaje portal Wysokie Napięcie, już w 2020 roku, kiedy ceny EU ETS[5] wynosiły maksymalnie 40 €/tCO2, wiele zakładów ciepłowniczych, w szczególności tych, które działały na terenie miast o ludności powyżej 20 tysięcy, znalazło się na skraju bankructwa z powodu nieefektywnych i przestarzałych siłowni, braku kapitału na gruntowną modernizację oraz braku możliwości obniżenia mocy wytwórczej poniżej progu 20 MWt, zwalniającego z opłat w ramach EU ETS.
Potencjał MMR do produkcji energii elektrycznej lub termicznej jest dostrzegalny również w systemach off-grid (bez podłączenia do ogólnej sieci elektroenergetycznej). Mobilność oraz krótki czas montażu sprawiają, że mikroreaktory mogłyby w przyszłości znaleźć zastosowanie w regionach z ograniczonym lub zerowym dostępem do sieci przesyłowej np. zasilając stacje badawcze na biegunie. Oprócz tego wraz z elektryfikacją sektora transportu mikroreaktory mogłyby posłużyć do zasilania stacji ładowania aut elektrycznych na odcinkach tras bez rozwiniętej infrastruktury elektroenergetycznej. Profesor Jean Paul Allain z departamentu Nuclear, Plasma and Radiological Engineering na Uniwersytecie w Illinois uważa, że MNR-y z powodzeniem mogłyby służyć jako niezależne, zielone instalacje w zakładach produkcyjnych stali lub cementu, które na ten moment w większości wykorzystują konwencjonalne paliwa na potrzeby procesowe.
Ciekawym pomysłem wydaje się również zastosowanie mikroreaktorów jako zastępczego źródła energii w regionach dotkniętych klęską żywiołową. Według profesora Jacop Buongiorno z wydziału Nuclear Science and Engineering z Massachusetts Institute of Technology technologia atomu w skali mikro pozwali na tak zwane plug-and-play, czyli szybką implementację w miejscu gdzie jest to konieczne.
Obecne prace i projekty MMR
Trwający od około 2010 roku renesans sektora jądrowego spowodował dynamiczny rozwój technologii związanych z atomem, a także wzrost zainteresowania wśród państw oraz inwestorów, którzy zaczęli dostrzegać w nim szanse na zabezpieczenie i dekarbonizację sektora energetycznego. Ostatnie wiadomości pokazują, że spora część globu stawia na atom, w tym także Polska. Zintensyfikowany rozwój spowodował między innymi, że technologia SMR, postrzegana jeszcze niedawno jako pieśń przyszłości, od 21 lutego 2023 może cieszyć się pierwszą prawomocną homologacją (design certificate), wydaną przez Amerykański Urząd Dozoru Jądrowego dla małego reaktora VOYGR firmy NuScale. Bezsprzecznie jest to istotny kamień milowy na drodze do realizacji inwestycji w coraz mniejsze, komercyjne instalacje jądrowe. Należy jednak mieć na uwadze, że wymieniony certyfikat nie jest sam w sobie pozwoleniem na budowę. Dodatkowo dotyczy on wyłącznie jednego z „większych krewniaków” MMR, co oznacza, że na mikroreaktory trzeba będzie jeszcze poczekać i to dość długo. Z zagranicznych publikacji wynika, że technologia MNR rozwijana jest przede wszystkim w państwach, odznaczających się doświadczeniem w dziedzinie energetyki atomowej, takich jak USA, Rosja, Wielka Brytania, Kanada oraz Japonia. W powyższym zestawieniu przodują Amerykanie, którzy obecnie rozwijają wiele projektów mikroreaktora np. eVINCI o mocy 1-5 MWe firmy Westinghouse (HP), NuGen Engine o mocy 2-4 MWe przedsiębiorstwa NuGen LLC (HTGR), lub instalacja HTGR o nazwie MicroModular Reactor prowadzona przez Ultra-Safe Nuclear (USNC) w konsorcjum z HEC (South Korea’s Hyundai Engineering) oraz KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute). Innymi obiecującymi projektami mikroreaktorów zaliczającymi się do technologii 4 generacji, a rozwijanymi poza Stanami, są japoński FBR 4S oraz Rapid, kanadyjski Starcore, brytyjski U-Battery oraz rosyjski Angstrem. W przypadku tego ostatniego znacznie więcej uwagi poświęca się technologii opartej na III generacji. Do ich portfolio można zaliczyć projekty MMR takie jak: ABV-6, UNITHERM, SHELF oraz ELENA, wszystkie sklasyfikowane jako reaktory LWR. Oprócz przedsiębiorstw i państwowych instytutów badawczych, MMRy są również przedmiotem zainteresowania najlepszych uczelni technicznych. Ciekawym przedsięwzięciem może pochwalić się m.in. University of Illinois, którego projekt budowy mikroreaktora na terenie uczelni we współpracy z USNC oprócz aspektów badawczych ma w przyszłości także posłużyć jako pilotażowa jednostka wytwórcza generująca gorącą parę, mogąca częściowo zasilać sieć ciepłowniczą na terenie kampusu.
W ostatnich latach powstało również kilka startupów, które wierzą, że to właśnie niekonwencjonalne rozwiązania energetyki jądrowej będą kluczem do osiągnięcia globalnej neutralności klimatycznej. Aktualnym liderem wśród startupów jest amerykańska firma Last Energy ufundowana przez Breta Kugelmassa, która stara się zaznaczyć swoją obecność na rynku poprzez rozwijanie technologii mikroreaktorów PWR-20 na potrzeby komercyjne. Działalność firmy jest dostrzegalna także w Polsce. 15 lutego 2023 roku doszło do podpisania umowy między Last Energy Polska Sp z.o.o (spółki wchodzącej w skład grupy kapitałowej Last Energy), a DB Energy w sprawie świadczenia usług doradczych w zakresie energetyki zakładów przemysłowych, będących główną grupą klientów według wizji Kugelmassa.
Przeszkody na drodze do komercjalizacji MMR
Jak wcześniej wspomniano, przed MMR nadal stoi jeszcze wiele wyzwań zarówno technicznych, jak i legislacyjnych, aby stać się produktem komercyjnym w pełnym tego słowa znaczeniu. Dotychczasowe doświadczenia związane z rozwojem oraz certyfikacją pokrewnej, większej technologii SMR pokazały przede wszystkim, że jest to proces niezwykle czasochłonny. W głównej mierze jest to spowodowane brakiem ujednoliconych regulacji dozoru jądrowego w odniesieniu do małych reaktorów oraz znacznie ograniczoną dojrzałości operacyjną w porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami. Kolejnym utrudnieniem, wpływającym na powodzenie ugruntowania mikroinstalacji na światowym rynku jest ich większa produkcja wysoce radioaktywnych odpadów w przeliczeniu na moc, w porównaniu z wielkoskalowymi reaktorami. W 2022 roku badania prowadzone przez Stanford University udowodniły wspomniane zjawisko w odniesieniu do SMR. Na początku 2023 roku autor publikacji z 2022 rku. potwierdził, że dla skali mikro ta zależność również obowiązuje. Zwolennicy tradycyjnych technologii atomowych zgadzają się co do tego, że nieporównywalnie mniejsze koszty inwestycyjne MMR względem konwencjonalnych reaktorów obniżają ryzyko finansowe. Z drugiej strony wskazują jednak na dużo wyższy wskaźnik LCOE (Levelized Cost of Electricity), co mogłoby negatywnie wpłynąć na konkurencyjność energii, produkowanej z takiej jednostki. Rozwiązaniem tego problemu byłoby zastosowanie uranu o wyższym wzbogaceniu tj. powyżej 5 procent U235 dla świeżego paliwa. Takie działania wymagałyby z kolei wcześniejszej zmiany obowiązujących przepisów, ponieważ taki udział masowy rozszczepialnego izotopu uranu jest niedozwolony dla reaktorów energetycznych.
Pomimo istniejących przeciwwskazań, pozostaje mieć jednak nadzieję, że trwające projekty będą nadal się rozwijać, co pozwoli na lepsze poznanie technologii MMR, a w przyszłości być może umożliwi ich wejście na rynek.
Wykorzystane artykuły i źródła:
„Coming to a campus near you: Nuclear microreactors”, NBC News, Feb. 9, 2023 – Coming to a campus near you: Nuclear microreactors (nbcnews.com)
„What is a Nuclear Microreactor?”, Office of Nuclear Energy, Feb. 26, 2021 – What is a Nuclear Microreactor? | Department of Energy
„Micro-nuclear reactors: up to 20MW, portable, safer”, Energypost.eu, Apr. 22, 2021 – Micro-nuclear reactors: up to 20MW, portable, safer – Energy Post
„USNC, Korean companies to develop micro modular reactors”, World Nuclear News, Aug. 5, 2020 – USNC, Korean companies to develop micro modular reactors : New Nuclear – World Nuclear News (world-nuclear-news.org)
Illinois Microreactor Project | Nuclear, Plasma & Radiological Engineering | UIUC
„Global Trend of Micro Nuclear Reactors”, Tae Joon LEE, Future Strategy Research Division, Korea Atomic Energy Research Institute, Jul. 9-10, 2020 – Transactions of the Korean Nuclear Society Virtual Spring Meeting
“Micro Nuclear Reactors: Potential Replacements for Diesel Gensets within Micro Energy Grids”, Hossam A. Gabbar, Muhammad R. Abdussami and Md. Ibrahim Adham, Oct. 5, 2020, MDPI
Last Energy | 20 MWe SMR | Fully modular, factory made
„Prospects for Nuclear Microreactors: A Review of the Technology, Economics, and Regulatory Considerations”, G. Black, D. Shropshire, K. Araújo & A. van Heek, Sep. 28, 2022, Nuclear Technology
“Ciepłownie szukają sposobów żeby nie płacić za CO2”, Rafał Zasuń, Wysokie Napięcie, Mar. 3, 2021 – Ciepłownie szukają sposobów żeby nie płacić za CO2 – WysokieNapiecie.pl
„NRC Certifies First U.S. Small Modular Reactor Design”, Office of Nuclear Energy, Jan. 20, 2022 – NRC Certifies First U.S. Small Modular Reactor Design | Department of Energy
EU Carbon Price Tracker | Ember (ember-climate.org)
„Further delay to Flamanville EPR start up”, World Nuclear News, Dec. 19, 2022 – Further delay to Flamanville EPR start up : New Nuclear – World Nuclear News (world-nuclear-news.org)
„Flamanville 3, France”, World Nuclear Association – https://www.world-nuclear.org/reactor/default.aspx/FLAMANVILLE-3
Increased Enrichment | NRC.gov
„Implications of HALEU fuel on the design of SMRs and micro-reactors”, Liam Carlson, James Miller, Zeyun Wu, Nuclear Engineering and Design, 2022 – Implications of HALEU fuel on the design of SMRs and micro-reactors – ScienceDirect
„DB Energy nawiązuje współpracę z amerykańską spółką Last Energy z rynku modułowych elektrowni jądrowych”, Strefa inwestorów, Feb. 16, 2023, DB Energy nawiązuje współpracę z amerykańską spółką Last Energy z rynku modułowych elektrowni jądrowych | StrefaInwestorow.pl
[1] MWe –Megawat elektryczny (jednostka mocy elektrycznej)
[2] MWt – Megawat termiczny (jednostka mocy termicznej)
[3] LWR – Light Water Reactor (reaktor lekkowodny, wykorzystujący H2O jako chłodziwo oraz moderator)
[4] Capacity factor – stosunek rzeczywistego uzysku energii elektrycznej do teoretycznie możliwego w ciągu roku.
[5] EU ETS – Europejski System Handlu Emisjami
