Mikulski: Reaktory jądrowe w USA, czyli jak to robi Westinghouse
– Małe reaktory jądrowe są w Stanach Zjednoczonych powszechnie uważane za następców energetyki opartej na węglu i to było motywem przedstawienia przez Amerykanów nowej konstrukcji, jak najbliżej związanej z obecnie budowanymi reaktorami wielkoskalowymi. Jak to jest z tymi SMR-ami od Westinghouse’a i co ma do zaoferowania – zastanawia się Andrzej Mikulski, emerytowany pracownik instytutów w Świerku i Państwowej Agencji Atomistyki.
Na początku maja 2023 roku koncern Westinghouse podał do wiadomości publicznej informację o prowadzeniu prac nad małym reaktorem jądrowym AP300, a na jednym polskim portalu [wnp.pl] napisano wręcz, że „takiego projektu w energetyce jądrowej jeszcze nie było”. Jednak jak sięgniemy trochę wstecz do dawnych doniesień prasowych to stwierdzamy, że jest to już czwarty reaktor tej firmy należący do kategorii małych reaktorów. Pierwszym, najstarszym był reaktor określany, jako „Westinghouse SMR”, następne dwa reaktory to „Westinghouse LFR” i „eVinci”, oba należące do innowacyjnych reaktorów IV generacji. A ten czwarty, właśnie „AP300” jest powrotem do reaktorów generacji III+ wpisującym się w ciąg dwóch poprzednich projektów tej firmy tj. reaktora AP600, który nigdzie nie został zbudowany i reaktora AP1000, którego cztery bloki (Haiyang nr 1 i 2 oraz Sanmen nr 1 i 2) pracują w Chinach (uruchomione w latach 2018-2019), piąty (Vogtle nr 3) w USA został podłączony do sieci w marcu 2023 roku, a szósty (Vogtle nr 4) też w USA jest w fazie uruchamiania. Dalsze reaktory AP1000 mają być budowane w Polsce (podpisano porozumienie rządowe), na Ukrainie (podpisano list intencyjny) oraz rozważane są w Czechach, Finlandii i Szwecji (rozpoczęto prowadzenie analiz techniczno-ekonomicznych).
Prace nad reaktorem Westinghouse SMR rozpoczęły się w późnej fazie projektowania reaktora AP1000 i oficjalnie ogłoszone zostały w 2011 roku. Podjęto wtedy decyzję, że Westinghouse rozpocznie prace nad małym reaktorem przeznaczonym do produkcji energii elektrycznej. Zaplanowano, że będzie to zintegrowany reaktor wodno-ciśnieniowy o mocy 200 MWe (zwiększonej później do 225 MWe), tzn. elementy obiegu pierwotnego umieszczone zostaną wewnątrz zbiornika ciśnieniowego eliminując możliwość powstania awarii przez rozerwanie rurociągu obiegu pierwotnego, co uważane było jako istotny postęp w zakresie zwiększenia bezpieczeństwa. Zaprojektowano umieszczenie kompaktowej wytwornicy pary powyżej rdzenia reaktora, ośmiu poziomych pomp obiegu pierwotnego z silnikami wyprowadzonymi na zewnątrz zbiornika i u samej góry stabilizatora ciśnienia. Planowano wykorzystać skrócone zestawy paliwowe z reaktora AP1000, a pozostałe elementy zostały proporcjonalnie zmniejszone, a w tym pasywne systemy bezpieczeństwa. Reaktor miał być tak zaprojektowany, że poszczególne elementy będą wykonywane w fabryce i gotowe dostarczane na plac budowy, co pozwoliło określić go jako reaktor modułowy. Niestety projekt tego reaktora nie uzyskał w 2013 roku finansowania ze Departamentu Energii USA i prace nad nim zostały spowolnione. Projekt koncepcyjny reaktora został ukończony w 2015 roku i w tym samym roku zatwierdzony został raport bezpieczeństwa. Niestety dalsze prace zostały wstrzymane i po latach można stwierdzić, że mogła to być ciekawa konstrukcja umieszczenia całego obiegu pierwotnego w jednym zbiorniku i dostarczania na zewnątrz pary wprost do turbiny.
Drugim, raczej klasie reaktorów średniej niż małej mocy jest reaktor Westinghouse LFR należący do przyszłościowej IV generacji. We wrześniu 2015 roku Westinghouse wystąpił do Departamentu Energii USA z propozycją budowy chłodzonego ciekłym ołowiem reaktora na prędkich neutronach o mocy 450 MWe i zasadniczo przeznaczonym do produkcji energii elektrycznej Chłodzenie ciekłym ołowiem pozwala na pracę w wysokich temperaturach przy ciśnieniu atmosferycznym i nie reaguje on egzotermicznie z powietrzem i chłodziwem obiegu wtórnego jakim może być nadkrytyczny dwutlenek węgla lub woda (w przeciwieństwie do reaktorów chłodzonych ciekłym sodem). W planach budowy elektrowni z tym reaktorem przewidywane jest zastosowanie magazynów energii cieplnej by zapewnić pracę reaktora na stałej mocy przy zmniejszonym zapotrzebowaniu na energię elektryczną. Poza tym zdolność do pracy w wysokich temperaturach sprawia, że może znaleźć zastosowanie, jako źródło ciepła przemysłowego lub do odsalania wody morskiej. Praca w widmie neutronów prędkich przyczynia się do lepszego wykorzystanie zasobów uranu i zmniejszenia ilości wytwarzania odpadów promieniotwórczych, co może potencjalnie zamknąć jądrowy cykl paliwowy. Oczywiście reaktor cechuje się modułową konstrukcją, co skraca czas budowy i obniża jej koszty. Przewiduje się uzyskanie licencji do 2025 roku i rozpoczęcia budowy w latach 2025-2026, a uruchomienie pierwszego reaktora o obniżonej mocy do 300 MWe ok. 2030 roku. Ogólnie rzecz biorąc ten typ reaktora wpisuje się w szeroki zakres mocy bloków jądrowych, od fabrycznie zbudowanych „baterii” o żywotności 15-20 lat dla małych sieci energetycznych lub krajów rozwijających się, po modułowe jednostki o mocy 300-400 MWe i duże pojedyncze elektrownie o mocy 1400 MWe”.
Trzecim, raczej w klasie mikroreaktorów jest reaktor eVinci o zupełnie nowatorskim sposobie odbioru ciepła przez tzw. rurki ciepła, które na zasadzie zamiany stanu skupienia (skraplanie i parowanie) transportują ciepło z jednego na drugi koniec rurki w temperaturze zależnej od zastosowanego czynnika. Dotychczas rurki ciepła znalazły zastosowania do odbioru ciepła w przemyśle kosmicznym, lotnictwie, klimatyzacji, chłodzeniu elementów elektronicznych itd. Informacja o tym reaktorze pojawiła się w literaturze na początku 2019 roku. Intrygująca jest sama nazwa reaktora „eVinci”, którą konstruktorzy wyprowadzają od Leonarda da Vinci, jednego z największych umysłów w historii, który powiedział „Prostota jest szczytem wyrafinowania” i tak jest z transportem ciepła z wnętrza rdzenia reaktora do wymiennika ciepła. Artykuł zakończony jest następującym stwierdzeniem „Z samoregulującym rdzeniem i innymi nieodłącznymi oraz pasywnymi elementami bezpieczeństwa, Westinghouse przewiduje, że projekt, mikroreaktora eVinci będzie jednym z najbezpieczniejszych i najbardziej niezawodnych reaktorów jądrowych, które staną się dostępne.”
Przełomowe funkcje bezpieczeństwa mikroreaktora eVinci wynikają z prostoty jego konstrukcji pozbawionej wszelkich ruchomych części powodujących przepływ chłodziwa. Konstrukcja rdzenia jest wyjątkowa: składa się z solidnego monolitycznego bloku z trzema rodzajami kanałów, które mieszczą paliwo, moderator neutronów i rurki ciepła. Każda rura cieplna zawiera niewielką ilość ciekłego sodu jako czynnika roboczego służącego do transportu, który jest zamknięty w szczelnej rurze, a jego temperatury parowania i skraplania ustalają temperaturę pracy reaktora. Jedyną ruchomą częścią są bębny kontrolujące reaktywność, które umożliwiają pasywne wprowadzenie absorbera neutronów do rdzenia w przypadku utraty zasilania zewnętrznego oraz oczywiście na żądanie operatora. Rdzeń reaktora sam w sobie jest podkrytyczny; nie może osiągnąć krytyczności bez reflektora neutronów. W obecnej wersji moc reaktora wynosi 5 MWe i aż do 13 MWt. Załadunek paliwa ma pozwolić na minimum 8 lat pracy na pełnej mocy. Wielkość reaktora i modułowość konstrukcji pozwalają na jego łatwy transport i czas instalacji w dowolny miejscu określono na 30 dni. Projektant wystąpił do kanadyjskiego urzędu dozoru jądrowego (CNSC) o udzielenie pozwolenia na budowę, a równolegle prowadzone są prace konstrukcyjne. Ostatnim ważnym osiągnięciem (luty 2023 roku) było wykonanie pierwszej rurki ciepła o długości 3,7 m, jednej z największych na świecie, których potrzeba kilkaset do jednego reaktora. Obecnie koncern Westinghouse planuje uruchomić pierwszy reaktor w 2026 roku.
Czwartym i ostatnim reaktorem małej mocy koncernu Westinghouse jest reaktor AP300 pokazany publicznie na początku maja 2023 roku. Na jednym z polskich portali napisano nawet „Takiego projektu w energetyce jądrowej jeszcze nie było. Amerykanie pokazali nowy reaktor”. Niestety jest to stwierdzenie z serii dużo na wyrost, bo jest to czwarty reaktor z serii małych modułowych. Warto, zatem prześledzić sekwencje zmian, jakie zaszły w projekcie reaktora typu AP (ang. Advanced Passive) od AP600 do AP1000 i dalej AP300.
Reaktor AP300 ze względu na moc i sposób budowy zaliczany jest do kategorii małych reaktorów modułowych. Jego konstrukcja uzyskana została drogą zmniejszenia liczby pętli z dwóch do jednej w porównaniu do jego poprzednich wersji i proporcjonalnego obniżenia mocy. Jest zaprojektowany w taki sposób, że możliwa jest produkcja całych modułów w fabryce, a w miejscu lokalizacji pozostają tylko roboty budowlane i montaż gotowych elementów. Pozostają oczywiście wszystkie wymagania reaktorów generacji III+ pod względem bezpieczeństwa, a w tym pionierskie, zaawansowane pasywne systemy bezpieczeństwa rozwijane przez koncern Westinghouse. Systemy te zapewniają automatyczne wyłączenie reaktora w sytuacji zagrożenia, bez konieczności podejmowania działań przez operatora przez 72 godziny oraz korzystania z awaryjnego (zapasowego) zasilania w energię elektryczną i wody z zewnętrznego źródła do chłodzenia reaktora. Wykorzystanie doświadczeń z uzyskaniem licencji i certyfikacji dla podobnych reaktorów (AP600 i AP1000) przez urzędy dozorowe w USA, Wielkiej Brytanii i Chinach daje nadzieję, że dla tego reaktora, zgodnie z przewidywaniami koncernu Westinghouse taka certyfikacja uzyskana zostanie w 2027 roku, a licencja na budowę pierwszego bloku pod koniec tej dekady.
Reaktor AP300 będzie korzystał z rozwiązań technologicznych reaktora AP1000 w zakresie głównych urządzeń, komponentów konstrukcyjnych, pasywnych systemów bezpieczeństwa, sprawdzonej technologii produkcji paliwa. W budowie i eksploatacji wykorzystany zostanie rozwinięty łańcuch dostaw, doświadczenie zdobyte przy realizacji wcześniejszych budów, zdolność reaktora do pracy w warunkach szybkich zmian obciążenia, a także sprawdzone procedury eksploatacji i konserwacji – najlepsze praktyki pozyskane w trakcie dotychczasowej eksploatacji reaktorów AP1000 zarówno w Chinach jak i w USA. Podobnie jak inne reaktory został zaprojektowany do eksploatacji przez 80 lat.
Na zakończenie warto zauważyć, że małe reaktory jądrowe SMR-y są w Stanach Zjednoczonych powszechnie uważane za następców energetyki opartej na węglu i to było motywem przedstawienia przez koncern Westinghouse nowej konstrukcji jak najbliżej związanej z obecnie budowanymi reaktorami wielkoskalowymi. To nie wyklucza pracy koncernu nad innymi nowymi reaktorami jak: Westinghouse LFR przeznaczonym do dostarczania energii elektrycznej i wysokotemperaturowego ciepła oraz eVinci dla odosobnionych lokalizacji bez sieci energetycznej. Szkoda tylko, że praca nad nową konstrukcją pierwszego reaktora Westinghouse SMR została przerwana, gdyż zdaniem autora byłaby to najwłaściwsza konstrukcja nowoczesnego reaktora o mocy rzędu 300 MWe.
*Skrócona wersja artykułu z kwartalnika Postępy Techniki Jądrowej, nr 2/2023, s.25-29
Mikulski: Co dozór sądzi o małym reaktorze jądrowym Orlenu i Synthosa? (ANALIZA)
