Hrvatski Fokus
Gospodarstvo

Mali modularni nuklearni reaktori – budućnost nuklearne energetike

Reaktori hlađeni tekućim metalom su brzi nuklearni reaktori kod kojih neutroni ne moraju biti moderirani

 

Razvoj i istraživanja malih modularnih nuklearnih reaktora (SMR) već su niz godina u fokusu znanosti i struke, a vodeće svjetske istraživačke ustanove i proizvođači ulaganjima. Razlog je jednostavan: budućnošću nuklearne energetike.

Već se niz godina u mnogim zemljama svijeta provode opsežni programi razvoja i istraživanja primjene malih modularnih nuklearnih reaktora (eng. SMR, small module reactor). Primjerice, prije više od desetljeća američko Ministarstvo energetike (US DoE) pokrenulo više programa financiranja i poticanja njihovog razvoja i istraživanja. No, osim Sjedinjenih Američkih Država, istraživanjima i razvojem novih rješenja malih modularnih reaktora i njihove primjene već se dulje vrijeme bave i sve druge svjetske nuklearne sile, prije svega Kanada, Velika Britanija, Rusija, Indija i Kina. Tako je sredinom studenoga 2019. godine Kanadski nuklearni laboratorij (CNL) raspisao natječaj u sklopu kojega su četiri tvrtke pozvane na ispitivanje svojih rješenja pa bi se do 2026. godine na lokaciji Chalk River trebao izgraditi takav novi reaktor. U izazovna istraživanja uključili su se gotovo svi svjetski proizvođači energetske opreme, a pokrenut je i niz ‘start up’ tvrtki koje danas po cijelom svijetu traže mogućnosti financiranja i gradnje pilot-postrojenja.

Što su to mali modularni reaktori?

Svjetsko nuklearno udruženje (WNA) pod pojmom malih modularnih reaktora podrazumijeva nuklearne reaktore električne snage do 330 MW koji, za razliku od velikih postrojenja koja se grade na licu mjesta, imaju modularnu izvedbu. Takvo rješenje omogućava izvođenje mnogih dijelova nuklearnog postrojenja već u tvorničkim pogonima i jednostavnije i brže izvođenje radova na lokaciji elektrane.

Zapravo, ideja malih modularnih reaktora u nuklearnoj tehnici nije ništa novo. Njihovi su prethodnici kompaktni reaktori koji se već desetljećima koriste za pogon plovila kao što su ledolomci, nosači zrakoplova i podmornice. Uz to, slične su reaktore SAD i nekadašnji Sovjetski Savez još od pedesetih godina prošlog stoljeća koristili za opskrbu energijom izoliranih vojnih baza. Na osnovi takvih reaktora razvijena je i današnja prva ploveća nuklearna elektrana na svijetu.To je NE Akademik Lomonosov koju čine dva takva reaktora pojedinačne snage 35 MW. Radi se o brodu koji je izgradila ruska nuklearnoenergetska tvrtka Rosatom i koji je od prosinca 2019. godine priključen na izolirani elektroenergetski sustav mjesta Pevek i okolnih naselja u Čukotskom Autonomnom okrugu na ruskom Dalekom istoku. Zanimljivo je i da je ta ploveća elektrana zamijenila dosadašnju NE Bilibino. To je ujedno bila najsjevernija nuklearna elektrana na svijetu. Koristila je tri reaktora pojedinačne snage 12 MW koji bi se danas mogli nazvati malim modularnim reaktorima prve generacije.

Kao podloga za razvoj i istraživanja malih reaktora u modularnoj izvedbi danas se koriste sve postojeće tehnike nuklearnih reaktora.

Reaktori hlađeni tekućim metalom

Reaktori hlađeni tekućim metalom (LMR) su brzi nuklearni reaktori kod kojih neutroni ne moraju biti moderirani. Kao rashladna sredstva koriste olovo, olovo-vizmut (LBE, eutektičku leguru olova i bizmuta) ili natrij. Niski tlak pare rashladnog sredstva pri tome omogućava izlazne temperature jezgre do oko 750 °C. Kao gorivo takvi reaktori koriste uran u kombinaciji s plutonijem i transuranom.

Radi se o rješenju reaktora koje je u maloj i modularnoj izvedbi već spremno za tržište. Tako je kineska nuklearnoenergetska tvrtka CNEIC razvila Kineski eksperimentalni brzi reaktor (CEFR).To je mali, natrijem hlađen reaktor električne snage 20 MW koji služi kao prototip za razvoj većeg reaktora CDFR-1000. Takve brzooplodne reaktore razvija i Indija. Primjerice, natrijem hlađen reaktor PFBR-500 razvijen je na Centru za nuklearna istraživanja Indire Gandhi (IGCAR) i kritičnost je trebao dosegnuti do kraja prošle godine.

Daleko su napredovali i koncepti koji se razrađuju u Rusiji. U Znanstvenoistraživačkom i konstruktorskom institutu energetskih tehnika N. A. Doležala (NIKIET) razvijen je olovom hlađen reaktor snage 300 MW pod nazivom Brest, za koji se očekuje skora gradnja pilot-postrojenja Tu je i ruski olovo-vizmutom hlađen reaktor SVBR-100, čije je pilot-postrojenje u pogon pušteno potkraj 2019. godine.

Naravno, ne treba zaboraviti SAD, gdje na razvoju natrijem hlađenog reaktora snage 311 MW pod nazivom Prism radi američko-japanski nuklearnoenergetski div GE Hitachi. Ujedno se radi o postrojenju koje je 2018. godine uključeno u ispitne programe DoE-a. Tome treba dodati i reaktor ARC-100 koji se osniva se na rješenju brzog natrijevog reaktora EBR-II koje je razvio Nacionalni laboratorij Argonne i koji je dobio konstrukcijsko odobrenje od Kanadskog povjerenstva za nuklearnu sigurnost (CNSC).

Reaktori hlađeni rastaljenom soli

Reaktori hlađeni rastaljenom soli (MSR) kao rashladno sredstvo i prijenosnik goriva koriste rastaljene soli koje su stabilne do 1400 °C,što omogućava velike stupnjeve djelovanja. Njihove su glavne značajke, između ostaloga, dobar prijenos topline, gotovo potpuna propusnost za neutrone i velika stabilnost u području zračenja. Takvi se reaktori mogu koristiti za istodobnu proizvodnju toplinske i električne energije za pokrivanje potreba u elektroenergetskim i toplinarskim sustavima, u desalinizacijskim postrojenjima i u visokotemperaturnim procesima u industriji, ali i za proizvodnju vojnog materijala.

Kao gorivo takvi reaktori mogu koristiti obogaćeni 235U, 232Th (torij) ili 239Pu. No, radi se o rješenju koje u maloj i modularnoj izvedbi još nije spremno za tržište. Tako je jedna američka ‘start-up’ nuklearnoenergetska tvrtka prošle godine ishodila predlicencu u Kanadi i pozvana je na ispitivanje svojeg koncepta električne snage 192 MW.

Doduše, takvi reaktori nisu novost i još od šezdesetih godina prošlog stoljeća istražuju se za primjenu kao termički oplodni reaktori u Nacionalnom laboratoriju Oak Ridge u SAD-u. Takvim se istraživanjima nedavno pridružila i Kina. U Njemačkoj je pak razvijen koncept oplodnog reaktora s dvostrukim fluidom kod kojeg se hlađenje ostvaruje u odvojenom rashladnom krugu pomoću rastaljenog olova, dok u unutarnjem spremniku struji smjesa goriva (npr. 235U ili 239Pu).

Lakovodni reaktori

Lakovodni reaktori (LWR) kao moderator i apsorber neutrona koriste ‘laku’ vodu.To je ‘normalna’ voda na osnovi protija – izotopa vodika s jednim protonom i jednim elektronom,ali bez neutrona u jezgri. U takvim je reaktorima temperaturna razina (oko 300 °C) ponajprije određena tlakom pare u rashladnom krugu. Kao gorivo se koristi obogaćeni 235U i zapravo se radi o dominantnoj tehnici reaktora u primjeni na svjetskom nuklearnoenergetskom tržištu, odnosno u konvencionalnim nuklearnim elektranama.

Takvi se reaktori već odavno pojavljuju u maloj modularnoj izvedbi. Dobar primjer je reaktor tipa CNP-300 električne snage 325 MW koji je razvila kineska nuklearnoenergetska tvrtka CNNC. Takvi su reaktori u pogonu u NE Qinshan u Kini i NE Chashma u Pakistanu. Uz to, potkraj 2019. godine CNNC je najavio početak razvoja takvog malog modularnog reaktora tipa ACP-100 električne snage 125 MW. Druga velika kineska nuklearnoenergetska tvrtka, China Guangdong Nuclear Power (CGNPC) razvila je takav reaktor tipa ACPR50S. Riječ je o plovećem malom modularnom reaktoru s električnom snagom do 60 MW.

Ne miruju ni druge nuklearne zemlje. Argentinsko Nacionalno povjerenstvo za nuklearnu energiju (CNEA) pokraj Buenos Airesa gradi prototipni reaktor tipa Carem električne snage 27 MW. Na drugom kraju svijeta, u Rusiji, na razvoju plovećih reaktora snage 325 MW radi Rosatomova podružnica OBM Afrikantov. Radi se, zapravo, o svojevrsnom nastavku projekta reaktora koji su ugrađeni u ranije spomenutu NE Akademik Lomonosov.

U SAD-u je razvijen mali modularni reaktor snage 60 MW s integralnim spremnikom, koji je kompaktan pa se bez problema može prevoziti teškim kamionima. Uz to, američki proizvođač nuklearnoenergetske opreme Holtec i kanadski inženjersko-graditeljski div SNC-Lavalin zajedno su razvili reaktor tipa SMR-160. 

Isto tako, treba spomenuti i korejski reaktor snage 100 MW pod nazivom Smart. Sporazum o suradnji na daljnjem razvoju i komercijalizaciji takvog rješenja još su u rujnu 2019. godine sporazum o suradnji potpisale Južna Koreja i Saudijska Arabija.

Plinom hlađeni reaktori

Plinom hlađeni reaktori (GCR) imaju mnogo više temperature rashladnog sredstva (do 1000 °C). Mogu se koristiti i za proizvodnju procesne topline, a prikladni su i za razne niskotemperaturne primjene. Kao gorivo koriste uran ili torij. Takvi su reaktori u izvedbi Magnox s hlađenjem ugljičnim dioksidom, zapravo, bili prvi reaktori koji su komercijalno korišteni u nuklearnoj tehnici. Bilo je to u NE Calder Hall u Velikoj Britaniji još 1956. godine. Isto tako, helijem hlađen reaktor tog tipa (THTR-300) bio je u pogonu u NE HammUentrop u Njemačkoj do 1989. godine.

Danas je takav reaktor u maloj i modularnoj izvedbi izgrađen u sklopu NE Shidaowan u Kini. Riječ je o reaktoru tipa HTR-PM električne snage 105 kW koji je razvijen na Institutu za nuklearne i nove energije (Inet) Sveučilišta Tsinghua i to na osnovi istraživačkog reaktora HTR-10.

Teškovodni reaktori

Teškovodni reaktori (HWR) koriste tešku vodu koju, umjesto dva atoma običnog vodika, čine dva atoma njegovog izotopa deuterija. Njegova se jezgra sastoji od jednog protona i jednog neutrona pa je deuterij bolji moderator od ‘običnog’ vodika budući da apsorbira manje neutrona.

Kao gorivo u takvim reaktorima koriste se prirodni uran ili torij.Takvi su reaktori za komercijalnu primjenu razvijeni u Kanadi, još pedesetih i šezdesetih godina prošlog stoljeća i to kao serija Candu. Danas se stoga najviše i dalje koriste u Kanadi, ali i u Argentini.

U modularnoj izvedbi i s malim dimenzijama takvi se reaktori koriste već gotovo pola stoljeća. Jedan od prvih u primjeni bio je tip PHWR-220 sa snagom 100 MW koji se još od 1972. godine koristi u NE Rajasthan u Indiji, a razvio ga je Nuklearni istraživački centar Bhabha (BARC). Do danas je u Indiji u pogonu čak 16 takvih reaktora i još ih je nekoliko u raznim fazama izgradnje, a kao gorivo koriste lako obogaćeni 235U (0,7 %). No, u BARC-u se radi i na prototipu reaktora AWHR300-LEU električne snage 300 MW koji radi s gorivnim elementima na torijevoj osnovi.

B. L., www.eneregetika-net.com

Povezani članci

Vlade dovode ECB u težak položaj

HF

Pogled na prosperitet u Hrvatskoj i SIE regiji

HF

Da, moguće je – Industrija 4.0!

HF

Svijet u XXI. stoljeću

HF

Ova web stranica koristi kolačiće za poboljšanje vašeg iskustva. Pretpostavit ćemo da ste s ovim u redu, ali ako želite možete se odjaviti i ne prihvatiti. Prihvati Pogledaj više...