Jak będzie działał mały reaktor jądrowy SMR KGHM?

KGHM zdecydował się na wykorzystanie reaktora SMR do zasilania swoich zakładów. Odpowiadamy na pytanie, czym reaktory SMR różnią się od innych reaktorów branych pod uwagę w polskim miksie energetycznym.

.KGHM Polska Miedź SA to kolejny po Orlenie polski podmiot strategiczny, który postawił na energetykę jądrową. KGHM Polska Miedź jest drugim, po PKP, największym odbiorcą energii elektrycznej w Polsce. Roczne zapotrzebowanie spółki wynosi 3 TWh. Skalę zużycia obrazuje roczny koszt energii elektrycznej dla KGHM, który według szacunków przekracza 1 mld zł. Niewiele mniej, bo 2,7 TWh, wynosi zużycie PKN Orlen. Obie firmy zdecydowały się więc na budowę własnej infrastruktury energetycznej, opartej na jądrowych reaktorach SMR (small modular reactors).

Nie oznacza to jednak, że oba podmioty będą korzystać z reaktorów jądrowych tego samego producenta. Elektrownie miedziowej spółki będą zasilane reaktorami SMR VOYGR, od amerykańskiej firmy NuScale. Z kolei Orlen wykorzysta japońską elektrownię BWRX-300, od GE Hitachi Nuclear Energy. Ponieważ pojawiają się pytania o ryzyko związane z ewentualną awarią elektrowni tego typu,

Zalety i wady reaktora wybranego przez KGHM

.Główną zaletą reaktorów SMR jest ich modułowość i wielkość. Reaktory tego typu są składane u producenta i transportowane w trzech segmentach bezpośrednio na miejsce budowy. Mniejsze rozmiary, w porównaniu z klasycznymi elektrowniami jądrowymi, pozwalają również na bezpieczniejszą eksploatację i minimalizują skutki awarii reaktora, do których należy brak zasilania odbiorców.

Kolejnym zagadnieniem wynikającym z wielkości jest tolerancja ciśnienia. W naczyniu jest ono odwrotnie proporcjonalne do jego średnicy, więc fizyczne zmniejszenie pojemnika zabezpieczającego pozwala mu wytrzymać wyższy impuls ciśnienia niż w przypadku dużego naczynia. Naczynie zabezpieczające NuScale ma ciśnienie obliczeniowe 10 razy wyższe niż obecne bloki jądrowe.

Po drugie, objętość wewnątrz obudowy znajduje się w warunkach próżni, co zapewnia skuteczną izolację termiczną zbiornika reaktora. Eliminuje to potrzebę stosowania materiału izolacyjnego na zbiorniku reaktora, który był przedmiotem zatykania miski olejowej w istniejących zakładach. Próżnia zwiększa również szybkość kondensacji pary na wewnętrznej powierzchni obudowy zanurzeniowej w sytuacjach, gdy para jest uwalniana ze zbiornika reaktora, co z kolei zapewnia bardzo efektywne odprowadzanie ciepła z systemu pierwotnego. Wreszcie brak tlenu wewnątrz obudowy w warunkach próżniowych znacznie zmniejsza prawdopodobieństwo tworzenia się palnej mieszaniny tlenu i wodoru w sytuacjach awaryjnych, czytamy na stronie NuScale.

Czym jest SMR NuScale?

.Firma NuScale powstała na bazie badań prowadzonych w Oregon State University i Idaho National Laboratory. Od początku były one finansowane przez Departament Energii USA.

Obawy związane z kosztami i bezpieczeństwem spowodowały zahamowanie rozwoju energetyki jądrowej pomimo rosnącego zapotrzebowania na energię elektryczną wytwarzaną bez emisji dwutlenku węgla. Środkiem zaradczym firmy NuScale jest radykalnie nowa konstrukcja. W konwencjonalnym reaktorze woda chłodząca przepływa przez rdzeń i jest transportowana do generatora pary za pomocą ogromnych pomp i rur. W reaktorze NuScale – który miałby mniej niż 25 metrów wysokości, mieściłby około jednej ósmej ilości paliwa, jak duży reaktor energetyczny, i wytwarzałby mniej niż jedną dziesiątą ilości energii elektrycznej – cyrkulacja wody opierałaby się na naturalnej konwekcji (patrz diagram powyżej), pisze na łamach Science, Adrian Cho.

Reaktor jądrowy firmy NuScale to PWR (pressurised water reactor), co w tłumaczeniu na język polski oznacza reaktor wodny ciśnieniowy. Na stronie producenta nie znajdziemy tego oznaczenia, a jedynie LWR, co jest ogólną nazwą reaktorów lekkowodnych. PWR to najczęściej spotykany typ reaktora, w którym chłodziwem jest wspomniana lekka woda, moderatorem jest woda, a paliwem wzbogacony dwutlenek uranu (UO2).

Woda w wyniku otrzymania energii cieplnej z reaktora nagrzewa się, ale nie odparowuje, ponieważ znajduje się w obiegu zamkniętym, w którym ciśnienie sięga kilku megapaskali. Skażona woda przekazuje ciepło czystej wodzie w drugim obiegu.

Reaktor, który będzie zastosowany przez KGHM to VOYGR SMR. Docelowo podpisana przez polską spółkę umowa zakłada zakup sześciu reaktorów o mocy 462 MW. Pierwszy z nich ma trafić do Polski w roku 2029.

Według producenta, największą zaletą reaktora jest samoczynne chłodzenie, które nie wymaga energii elektrycznej ani interwencji człowieka. Kolejną zaletą elektrowni jest zastosowanie spiralnych wytwornic pary, które mają bardzo niski spadek ciśnienia i dobrą sprawność termiczną.

Obudowa z wysokowytrzymałej stali zanurzona w basenie chłodzącym będzie chronić reaktor NuScale przed awarią powodującą utratę chłodziwa (LOCA).

Działa jako wymiennik ciepła, zapewniając środki do przekazywania ciepła reaktora do wody w basenie reaktora w celu ograniczenia ciśnienia w containmencie, eliminując wymóg stosowania systemów natryskowych containmentu do chłodzenia. Zbiornik rozdzielający jest zanurzony w basenie reaktora, co zapewnia pasywny radiator do odprowadzania ciepła w warunkach awarii związanej z utratą chłodziwa (LOCA), pisze na swojej stronie NuScale.

Ponadto, wykorzystanie próżni w zbiorniku izolacyjnym ogranicza wymianę ciepła podczas normalnej pracy. Minimalizuje straty ciepła zbiornika reaktora, ogranicza zawartość tlenu, zapobiega korozji komponentów i eliminuje wymóg fizycznej izolacji zbiornika reaktora.

Do zalet reaktora SMR firmy NuScale zalicza się również wielkość paliwa, które w przypadku reaktora amerykańskiego producenta stanowi 1/20 paliwa jądrowego reaktora wielkoskalowego.

Jego niewielkie ciepło rozpadu, nieodłączna stabilność i fizyka reaktora eliminują uszkodzenia paliwa we wszystkich postulowanych zdarzeniach bazowych, w tym w tych, w których nie udało się umieścić wszystkich prętów regulacyjnych. W przypadku postulowanych zdarzeń wykraczających poza podstawę projektową, promieniowanie związane z uszkodzeniami paliwa jest znacznie niższe od limitów określonych przepisami na granicy elektrowni, dodaje NuScale.

Czym różni się reaktor PWR od tego w Czarnobylu?

.Jak pisze Narodowe Centrum Badań Jądrowych, główną zaletą reaktorów PWR, w przeciwieństwie do zastosowanych w Czarnobylu RBMK, jest bezpieczeństwo. Wyraża to ujemny współczynnik reaktywności temperaturowej (reaktywności przestrzeni parowych) instalacji PWR. Oznacza to samorzutny spadek mocy, w momencie gdy wzrasta temperatura wewnątrz reaktora.

Do efektywnego rozszczepienia jąder uranu zawartego w paliwie, dochodzi w momencie, kiedy neutrony krążące w reaktorze, są spowolnione (moderowane) dziesiątki milionów razy.

Odparowanie wody oznacza wielokrotne zmniejszenie jej gęstości, więc podgrzanie i odparowanie wody zmniejsza liczbę spowolnionych neutronów; część szybkich neutronów ucieka z rdzenia i jest pochłaniana przez otoczenie, a te które wrócą do rdzenia, raczej nie spowodują kolejnych rozszczepień jąder uranu. Liczba rozszczepień w rdzeniu zmniejszy się i nastąpi samorzutne wygaszanie reakcji łańcuchowej rozszczepienia, pisze Narodowe Centrum Badań Jądrowych (NCBJ).

Kolejna kwestia to opisana wyżej separacja obiegów wody, w których radioaktywnie skażona woda nie ma dostępu do żadnych urządzeń poza turbiną. Ponadto, w przypadku utraty zewnętrznego zasilania, co także było jedną z przyczyn awarii podczas testu reaktora czarnobylskiego reaktora RBMK, reaktor PWR zostaje pasywnie wyłączony. W praktyce oznacza to samorzutne opadnięcie prętów kontrolnych, które przerywają reakcję jądrową. Warto wspomnieć, że służące wygaszaniu pręty w elektrowni czarnobylskiej były źle skonstruowane, bowiem posiadały grafitowe zakończenia. W efekcie, podczas ich awaryjnego opuszczania, w pierwszej chwili zwiększały dodatnią reaktywność.

Jak każde urządzenie, także i reaktor PWR posiada wady. Jednak w przeciwieństwie do Czarnobyla, w którym wady wynikały z oszczędności, w przypadku PWR główną wadą jest jego koszt, wynikający z zastosowanych technologii mających zapewnić bezpieczeństwo. Więcej na ten temat pisze Narodowe Centrum Badań Jądrowych.

Woda chłodząca w obiegu pierwotnym (aby nie wrzała) musi pozostawać pod bardzo dużym ciśnieniem 150-160 atm. Wymaga to grubościennego zbiornika i grubościennych rur, co podnosi koszty budowy. (…) Wysoka temperatura chłodziwa z rozpuszczonym kwasem borowym powoduje korozję stali węglowej (ale nie nierdzewnej) w wyniku czego w obiegu pierwotnym zaczynają krążyć radioaktywne produkty korozji. Systemy odfiltrowujące (również – przyp. red.) są kosztowne, dodaje NCBJ.

Reaktory typy PWR stosuje się powszechnie w krajach takich jak Francja (elektrownia Cruas), Wielka Brytania (Hinkley Point), Finlandia (Olkiluoto), Słowacja (Mochovce) i wiele innych.

SMR NuScale i Fukushima

.Wiele z systemów, które uległy awarii, powodując uszkodzenie kilku jednostek reaktora Fukushima Daiichi, nie istnieje w projekcie NuScale. Ponadto poziom odporności elektrowni NuScale jest znacznie wyższy, niż w przypadku japońskiej elektrowni. Najważniejsza jest wielkość pojedynczego reaktora, którego moc wynosi 77 MW.

Gdyby Fukushima Daiichi była pojedynczą elektrownią o mocy 4550 MWe, a nie 6 oddzielnymi i niezależnymi mniejszymi jednostkami o mocy od 440 do 1070 MWe, konsekwencje tsunami byłyby prawdopodobnie bardziej dotkliwe. Fakt, że elektrownia została podzielona na 6 mniejszych jednostek o niższych poziomach mocy, ograniczył całkowite konsekwencje; w rzeczywistości 2 z 6 jednostek nadal działają.

Trzęsienie ziemi, po którym nastąpiło tsunami, zniszczyło zasilanie rezerwowe do odprowadzania ciepła rozpadu w Fukushimie. W reaktorze NuScale wyeliminowano potrzeby zasilania prądem stałym do uruchamiania DHRS i ECCS. Budynek reaktora jest zaprojektowany dla widm wejściowych o szczytowych przyspieszeniach 1,15 g (1078 gal) dla częstotliwości w zakresie 3-12 Hz. Jest to większym maksymalnym przyspieszeniem naziemnym, niż to obserwowane podczas wydarzenia w Fukushimie.

Czy paliwo jądrowe można poddać recyklingowi?

.Odpady jądrowe, czyli zużyte paliwo usunięte z reaktora, nadal zawiera około 96 procent oryginalnego paliwa, które można odzyskać.

Całe zużyte paliwo jądrowe wyprodukowane przez przemysł jądrowy w ciągu prawie 60 lat – gdyby było ułożone od końca do końca – pokryłoby obszar wielkości boiska piłkarskiego na głębokość mniejszą niż 10 metrów, pisze producent reaktorów jądrowych.

Po trwającym 5 lat schłodzeniu, wypalone paliwo umieszczane jest w certyfikowanych, stalowych pojemnikach z betonową powłoką na terenie elektrowni. Recykling zużytego paliwa oszczędza 25 procent naturalnych zasobów uranu, zmniejsza o 75% objętość odpadów wysokoaktywnych przeznaczonych do składowania w składowisku i zmniejsza toksyczność odpadów o około 90 procent.

W reaktorze NuScale można wykorzystać paliwo pochodzące z recyklingu lub mieszane paliwo uranowo-plutonowe (MOX).

Recykling jest z powodzeniem stosowany od dziesięcioleci na kilku rynkach, np. we Francji. Istnieją również projekty nowej generacji, które mogą wykorzystać to zużyte paliwo w swoich reaktorach jako sposób na zmniejszenie ogólnej ilości.

Jak podaje producent, elektrownia NuScale o mocy 924 MWe eliminuje ponad 8 milionów ton emisji CO2 rocznie (w porównaniu z węglem) co odpowiada usunięciu z dróg 1,7 miliona samochodów rocznie. Zbudowanie elektrowni NuScale o mocy 924 MWe zamiast elektrowni na gaz ziemny eliminuje prawie 4 miliony ton emisji CO2 rocznie, co jest równoznaczne z usunięciem z dróg ponad 800 000 samochodów na rok. 

Projekt reaktora NuScale był modyfikowany w oparciu o opinię międzynarodowych ekspertów takich jak amerykański urząd dozoru jądrowego – Nuclear Regulatory Commission (NRC), o czym na łamach portalu Science pisał Adrian Cho. [LINK].

Szczegóły związane z pracą reaktora NuScale omówione są także na filmie przygotowanym przez amerykańskiego producenta. [LINK]

Oprac. MAC