Mielczarski: Wielkie problemy małych reaktorów. Czy uda się je przezwyciężyć?
Małe reaktory jądrowe to stary pomysł z lat 40. XX wieku. Pierwszy reaktor o mocy 5MW został zbudowany w byłym Związku Radzieckim w 1954 roku. Od tego czasu było prowadzone 57 projektów, z czego działa tylko pięć: w Rosji, Indiach i Pakistanie, a dwa są w trwającej od lat budowie. Porzucono 22 nieudane projekty. Czy obecna moda na małe reaktory sprawi, że w ciągu kilku lat zostaną pokonane problemy, których nie udało się rozwiązać przez ponad 70 lat? – pisze prof. Władysław Mielczarski z Politechniki Łódzkiej.
Początki małych reaktorów jądrowych to lata 40. ubiegłego wieku kiedy amerykańskie lotnictwo wojskowe (the US Air Force) oraz marynarka (the US Navy) zainicjowały badania nad różnymi typami małych reaktorów. Tylko the US Air Force wydały ponad miliard dolarów aby zbudować reaktor dla bombowców dalekiego zasięgu. Ten nieudany projekt został przerwany przez prezydenta J. F. Kennedy’ego.
Sukces odniosły projekty reaktorów dla łodzi podwodnych oraz dla lotniskowców, a w byłym Związku Radziecki rozpoczęto budowę lodołamaczy wyposażonych w reaktory jądrowe. Niepowodzeniem skończyły się niemieckie próby budowy reaktorów dla floty statków handlowych. Prototyp takiego statku po kilku latach badań został przekazany na złom, oczywiście już bez pechowego reaktora.
Mały reaktor jądrowy na poligonie the US Army
Szczególne zainteresowanie małymi reaktorami przejawiała armia USA jako potencjalnego źródła energii dla oddalonych garnizonów oraz baz położonych w warunkach arktycznych. Począwszy od 1959 roku zostało oddanych do użytku siedemnaście małych reaktorów jądrowych. Dziś nie pracuje żaden z nich.
Doświadczenia z eksploatacji nie są zachęcające. W reaktorze PM-3A w stacji McMurdo w Arktyce nastąpiły wycieki paliwa co spowodowało likwidację reaktora oraz konieczność usunięcia ponad 14 400 ton skażonej ziemi.
Pomimo niezbyt udanych doświadczeń z lat 60 i 70. narastające szybko koszty energii elektrycznej z dużych reaktorów jądrowych ożywiły w latach 80. i 90. pomysły budowy mały reaktorów o mocach poniżej 400MW. Pojawiły się nadzieje na zmniejszenie nakładów inwestycyjnych oraz kosztów produkcji energii. Koszty te miały być dodatkowo obniżone poprzez prefabrykację reaktorów i ich montaż z gotowych elementów.
Jednak w małych reaktorach elementy niezbędne do pracy każdego reaktora muszą być umieszczone w znacznie mniejszej przestrzeni, co powoduje wzrost nakładów inwestycyjnych. Proporcje kosztów kapitałowych małych i dużych reaktorów opisuje zależność poniżej.
gdzie K1 i K2 są kosztami kapitałowymi małych i dużych reaktorów, a S1 i S2 odpowiednio mocami . Czasami wielkość wykładnika jest przyjmowana na poziomie 0,6 . Obliczenia relatywnych kosztów małych i dużych reaktorów pokazują, że mały reaktor kosztuje proporcjonalnie znacznie więcej – Tabela.
Jeżeli przyjmiemy, że koszt dużego reaktora o mocy 1000MW wynosi 100 procent, to koszt małego reaktora o mocy 400MW (40 procent mocy dużego reaktora) kosztuje aż 58 procent kosztu dużego reaktora i podobnie mały reaktor o mocy 100MW (10 procent mocy dużej jednostki) kosztuje 25 procent tego co duży reaktor, pomimo, że jego moc, a zatem i zdolności produkcyjne są dziesięciokrotnie mniejsze. Koszty kapitałowe małych reaktorów liczone na jednostkę mocy są znacznie większe w porównaniu z dużymi reaktorami dla których już te koszty są bardzo wysokie. Nadzieje na proporcjonalne obniżenie kosztów okazały się złudne.
Oczekiwania na zmniejszenie kosztów poprzez prefabrykację i masową produkcję, w której koszt zostałyby zmniejszone na skutek efektu skali również nie spełniły się. Efekt skali wymaga masowej produkcji, co zdarza się tylko przy dużym popycie. Zamówień na małe reaktory jest niewiele, a zatem i efekt skali nie występuje. Powstaje rodzaj błędnego koła: nie ma zamówień, a więc nie można uruchomić masowej produkcji, co powoduje, że koszty są duże, a te duże koszty zniechęcają potencjalnych nabywców.
Dwa największe problemy małych reaktorów to duże koszty oraz trudności zapewnienia odpowiedniego stopnia bezpieczeństwa. W USA jest prowadzone kilka projektów zmierzających do zaprojektowania i uruchomienia małych reaktorów jądrowych. Jednak tylko jeden projekt uzyskał wstępną akceptację amerykańskiego urzędu nadzoru jądrowego we wrześniu 2021 roku. Planuje się wybudować testowe reaktory tego typu w stanie Idaho w latach 2029-2030.
Biorąc pod uwagę początek tego projektu w roku 2011 można szacować, że powstanie testowej instalacji wymaga około 20 lat prac projektowych i testów laboratoryjnych. Komercjalizacja takich rozwiązań, o ile zostaną pokonane wszystkie problemy techniczne, będzie z pewnością wymagała kolejnych 10-20 lat, o ile znajdą się chętni na takie elektrownie. Czyli licząc optymistycznie można spodziewać się komercyjnych rozwiązań małych reaktorów w latach 2040-2050.
Na tym tle wyróżnia się konstrukcja rosyjskich pływających reaktorów jądrowych typu Łomonosow 1 oraz Łomonosow 2 przeznaczonych do zasilania miast położnych w Arktyce. Budowa rozpoczęła się w roku 2007. Planowane oddanie do użytku w roku 2010 opóźniło się, tak że reaktory rozpoczęły działanie dopiero w maju 2020 roku. Nie jest to jednak mała konstrukcja. Barka na której jest umieszczony reaktor ma wyporność 21500 ton, jej długość to 144m, a szerokość 30m.
Doświadczenie z dotychczasowymi projektami małych reaktorów nie napawa optymizmem. Wielu ekspertów jest bardzo sceptycznych . Uważają, że małe reaktory nie spowodują ożywienia w budowie elektrowni jądrowych. Duże koszty również nie wróżą powodzenia tych konstrukcji poza zastosowaniami specjalnymi, jak militarne czy w oddalonych miejscach w Arktyce.
Już na przełomie wieków magazyn The Economist zauważał, że energia z elektrowni jądrowych była propagowana jako zbyt tania aby ją mierzyć, a zostanie zapamiętana jako zbyt kosztowna, aby nią się zajmować [nuclear power which early advocates throught would be „too cheap to meter” is more likely to be remembered as too costly to matter].
1. Ramana V. „The forgotten history of small reactor. Economics killed small nuclear power plants in the past – and probably will keep doing so”, IEEE Spectrum, April 2015.
2. Bierman P., „The US Army tried portable nuclear reactors power at remote bases 60 years ago – it didn’t go well. www.theconversation.com
3. Jak (1)
4. Sovacool B., Ramana M.V., “Back to the future: Small modular reactors, nuclear fantasies, and symbolic convergence”, Science, Technology & Human Values, Nov. 2016.
5. Moore M. „The economics of very small modular reactors in the North”, International Nuclear Information System, 2016
6. National Research Council, „Nuclear waste: technologies for separations and transportation”, (p.421), Washington DC National Academy Press, 1996
7. www.power-technology.com
8. Ramana M. V. „ Small modular and advanced nuclear reactors: A Reality Check”, IEEE Access, 2021.
9. The Economist, „A new dawn for nuclear power”, The Economist, May, 2001
