Velké modulární problémy
Význam jaderné energie v posledním čtvrtstoletí klesá. Její podíl na celosvětové výrobě elektrické energie se snížil ze 17,5 % v roce 1996 na přibližně 9,8 % v roce 2021. Pokročilé jaderné reaktory a malé modulární reaktory (SMR) jsou navrženy jako potenciální způsoby řešení problémů –ekonomické konkurenceschopnosti, rizika havárií, vazby na šíření a produkci odpadu – kterým technologie jaderná energetika čelí. Zatím se jedná ale především o plány.
První SMR byly zabudovány v letadlových lodích a ponorkách. Od roku 2019 je v provozu v Ruské federaci plovoucí SMR pro civilní použití Akademik Lomonosov, který pozůstává ze dvou reaktorů o elektrickém výkonu 70 MW a 300 MW tepelného výkonu, odvozených od reaktorů používaných na ledoborcích. Další reaktory se v současnosti budují v Číně a Rusku. Výstavba prvního komerčního pozemního SMR na světě začala v červenci 2021 čínskou elektrárnou Linglong One a provoz by měl být zahájen do konce roku 2026.
Výhody, nevýhody a rizika SMR
Na SMR existuje mnoho pohledů: jsou vychvalovány jako nástroj boje s klimatickou změnou, či renesance bezpečnější jaderné technologie a na straně druhé jsou zatracovány jako zbytečně drahé, když existují levnější varianty, je kritizována potřeba jejich hromadné výroby (SMR by podle toho měl být na každém rohu) i nedořešené technologické otázky.
Uvádí se, že hlavní výhodou SMR jsou výrazně snížené stavební náklady. Ty ovšem závisejí na tom, zda a kdy bude zahájena hromadná výroba.
Zastánci malých modulárních reaktorů tvrdí, že modularita a tovární výroba by mohly kompenzovat horší ekonomiku malých reaktorů. K tomu je třeba vytvořit dodavatelský řetězec pro hromadnou výrobu součástí reaktorů a zřídit montážní linky, aby se tyto komponenty postavily před přepravou na místo, kde by urychlily výstavbu. Cesta k masové výrobě nebude jednoduchá. I s optimistickými předpoklady o rychlosti učení by se muselo vyrobit několik stovek nebo dokonce tisíců těchto reaktorů, aby cena za kilowatt byla srovnatelná s velkými reaktory. Pakliže se podíváme do historie, cena nemusí vůbec klesat. Míra učení ve Spojených státech a Francii – dvou zemích s nejvyšším počtem jaderných elektráren – byla na úrovni celé flotily negativní. Negativní křivka učení znamená, že reaktory, které byly postaveny později, stojí více než ty, které byly postaveny dříve.
Ačkoliv bylo podepsáno mnoho dohod a memorand, stále neexistují žádné plány na skutečnou výstavbu. Příkladem jsou Jordánsko, Ghana a Indonésie, které byly propagovány jako slibné trhy, ale žádný z nich SMR nekupuje. Dalším potenciálním trhem, který je často nabízen jako důvod pro vývoj SMR, jsou malé a vzdálené komunity. Neexistuje ale dostatek vzdálených komunit s odpovídající kupní kapacitou, aby bylo možné finančně realizovat výrobu SMR po tisících tak, aby byly konkurenceschopné. Ani společnosti zabývající se jadernými reaktory, ani vlády, podporující jadernou energii, nejsou ochotny utratit stovky milionů, ne-li několik miliard dolarů, na zřízení SMR jen proto, aby malé a vzdálené komunity měly jadernou elektřinu.
Zde jsou sumarizovány některé předpokládané obtíže pro realizaci projektů SMR. Především se jedná o problémy s financováním, investiční riziko, nedostatek zkušeností s provozem, nedostupnost dodavatelského řetězce a dostupnost levnějších alternativních technologií pro výrobu elektřiny.
Uvádí se ale i výhody: SMR mohou lépe využívat pasivní bezpečnostní prvky, které nevyžadují lidský zásah. Jádro reaktoru bude menší, a bude produkovat méně tepla, což odstraní závislost reaktoru na spolehlivém chladivu, aby se zabránilo roztavení jádra. Konstrukce mohou odvádět teplo přes samotnou tlakovou nádobu reaktoru pomocí přirozené konvekce udržující cirkulaci. Snížená závislost na chladivu – typicky vodě – znamená, že SMR by mohly být umístěny mimo pobřežní lokality a přesunuty do blízkosti velkých průmyslových komplexů nebo měst.
Cenové odhady SMR
V materiálu NEA je uvedena investiční cena SMR, která má činit 58 USD/MWh. K této ceně je ovšem nutné ještě připočítat náklady na palivo a operační a provozní náklady (O&M) ve výši 30–75 USD/MWh, v závislosti na výkonu. Celková cena za MWh by tedy byla cca v rozmezí 90–135 USD, a je nižší než současné rozmezí ceny pro nové jaderné elektrárny podle banky Lazard (131–204 USD/MWh).
V posledních letech byly publikovány další odhady nákladů na výrobu elektřiny z SMR. Nejnovější odhad je z americké NextEra Energy na Investor Conference 2022 představil hodnotu 105-135 USD/MWh z nových SMR; pro srovnání rovněž uvedl cenu větrné a solární energie v průmyslovém rozměru se čtyřmi hodinami akumulace v ceně 25–32 USD/MWh a 32–37 USD/MWh.
Australská organizace pro vědecký a průmyslový výzkum Commonwealthu (CSIRO) přichází s mnohem větším rozsahem odhadu cen: 136–326 A$ (92–220 USD) za MWh.
Integrovaný plán zdrojů (IRP) z roku 2019 Idaho Power odhaduje 125 USD/MWh pro závod NuScale a pracuje s 90procentním kapacitním faktorem. Předpoklad tak vysokého kapacitního faktoru je ovšem nepravděpodobný, pokud se SMR použijí k vyrovnávání variability obnovitelných zdrojů. Tím by ovšem vzrostly náklady na jednotku elektrické energie.
Rizika projektu SMR podle IEEFA – Institutu pro energetickou ekonomiku a finanční analýzu zahrnují především nízký cenový předpoklad. NuScale tvrdí, že může postavit SMR za méně než 3 000 dolarů za kW. Celá desetiletí nebyla žádná jaderná elektrárna nebyla postavena tak levně.
Americké ministerstvo energetiky odhadlo, že náklady přesáhnou 6 800 dolarů za kW. Pochybnosti vzbuzuje rovněž časový předpoklad výstavby, kdy NuScale uvádí, že výstavba SMR bude dokončena za méně než 36 měsíců. Žádný reaktor v USA nebyl 60 let postaven za tak krátkou dobu. Společnost NuScale v roce 2018 uvedla, že plánuje mít svůj SMR online do roku 2026. Nyní nebude vyrábět elektřinu dříve než v polovině roku 2029. NuScale také tvrdí, že bude pracovat s 95 % kapacitním faktorem po celou dobu své životnosti. Žádný z 93 reaktorů pracujících v USA ale tento cíl nesplňuje. Během prvních deseti let provozu pouze tři z nich dosáhly v průměru lepšího faktoru než 85 % a medián kapacity všech amerických reaktorů během těchto let byl pouze 67 %. Protože SMR byly a budou, stejně jako velké reaktory, podléhat zpožděním a překročením nákladů, není možné identifikovat scénář, podle kterého by se mohly stát ekonomickými i za těch nejlepších okolností.
Argentinský SMR Carem o výkonu 32 MW, ve výstavbě u Buenos Aires, si podle národní komise CNEA vyžádá celkovou investici ve výši 750 milionů USD a zahájení provozu mělo být do června 2020, což ovšem nebylo splněno. Podle WNISR má být dokončen až v roce 2027. I kdybychom počítali s nižším odhadem 520 mil. USD, činila by cena 170 USD/MWh, což odpovídá dvojnásobku nejdražších reaktorů III generace.
Předpokládá se, že SMR budou mít vyšší náklady na palivo, než velké reaktory. Zejména integrální tlakovodní reaktory by mohly mít podle údajů trhu s jadernými palivy z roku 2014 o 15 až 70 % vyšší náklady na palivo než velké lehkovodní reaktory.
Odhadované náklady na výstavbu NuScale SMR v Utahu s výkonem 600 MW (návrh nejblíže k realizaci ve Spojených státech) se zvýšily z přibližně 3 miliard USD v roce 2014 na 6,1 miliardy USD v roce 2020. Následkem bylo, že nejméně 10 členů z Utah Associated Municipal Power Systems zrušilo své smlouvy. NuScale pak změnil navrhovanou konfiguraci elektrárny na méně reaktorů, které budou produkovat pouze 462 megawattů za cenu 5,32 miliardy dolarů. Na kilowatt výrobní kapacity elektřiny je tento odhad přibližně o 80 % vyšší než náklady na kilowatt projektu Vogtle v Georgii – předtím, než náklady explodovaly ze 14 miliard dolarů na více než 30 miliard dolarů. Na základě historických zkušeností s výstavbou jaderných reaktorů je tedy velmi pravděpodobné, že SMR budou stát mnohem více, než se původně očekávalo.
U SMR se předpokládá využití jiných typů reaktorů, než jsou dnes běžně používány. Uvažuje se o variantách – sodíkem chlazené rychlé reaktory (SFR), vysokoteplotní plynem chlazené reaktory (HTGR) a reaktory poháněné roztavenou solí (MSR). Palivo pro většinu nelehkovodních reaktorů NLWR se liší od paliva LWR. Pro některé NLWR byl navržen uran obohacený mezi 10 a 20 % uranu-235, známé jako „high-assay – nízko obohacený uran“ (HALEU). Zatímco HALEU je považováno za nepraktické pro přímé použití v jaderných zbraních, je více atraktivní pro vývoj jaderných zbraní než LEU používané v LWR. Jiné typy NLWR by využívaly plutonium oddělené od vyhořelého jaderného paliva chemickým přepracováním. Přepracování ovšem znamená 3 navazující kroky: rychlý reaktor, chemický proces oddělení a výrobu nového paliva. Jiné konstrukce by použily izotop uran-233 získaný ozařováním thoria. Jak plutonium, tak uran-233 jsou velmi atraktivní pro použití v jaderných zbraních.
Při koncepci energetických plánů nelze přehlížet skutečnost, že obnovitelné zdroje z nových větrných a slunečních zdrojů budou podle mezinárodní organizace IRENA do roku 2030 nejméně na polovině dnešní ceny.
Radioaktivnější odpad ze SMR
Studie porovnává tři různé konstrukce SMR (chlazené vodou, roztavenou solí a sodíkem) se současnými tlakovodními reaktory o výkonu 1 100 MW z hlediska energeticky ekvivalentního objemu, radiochemie, rozpadového tepla a štěpného izotopového složení vysoko, středně a nízkoaktivních odpadů. Uvažované návrhy SMR zvýší objem jaderného odpadu, který potřebuje nakládání a likvidaci, o faktory 2 až 30. Zvýšený objem odpadu se připisuje použití neutronových reflektorů a/nebo chemicky reaktivních paliv a chladicích kapalin v provedení SMR. Objem není nejdůležitější metrikou hodnocení; výkonnost geologických úložišť spíše závisí na rozpadové tepelné energii a radiochemii vyhořelého paliva. SMR nesníží výrobu geochemicky mobilních 129I, 99Tc a 79Se štěpných produktů, které jsou důležité pro návrhy úložišť. Vyhořelé palivo SMR bude obsahovat relativně vysoké koncentrace štěpných nuklidů, což bude vyžadovat nové přístupy k hodnocení kritičnosti během skladování a likvidace. Vzhledem k tomu, že vlastnosti odpadu jsou ovlivněny únikem neutronů, přinesou SMR další problémy při nakládání s jaderným odpadem a jeho ukládání.
Závěr
Sedmdesát let staré poznámky admirála Hymana Ricovera, otce americké jaderné námořní i civilní technologie, neztratily ani dnes nic na své aktuálnosti: Akademický reaktor nebo reaktorová elektrárna má téměř vždy následující základní charakteristiky: Je jednoduchý. Je malý. Je levný. Je lehký. Lze jej velmi rychle postavit. Je účelově velmi flexibilní ("souhrnný reaktor"). Je zapotřebí velmi malého vývoje. Bude používat většinou běžné komponenty. Reaktor je ve fázi studie. Nyní se nestaví.
Na druhou stranu, praktická reaktorová elektrárna se vyznačuje následujícími charakteristikami: Právě se staví. Je to zpožděná. Vyžaduje obrovské množství vývoje zdánlivě triviálních položek. Problémem je zejména koroze. Je velmi drahá. Stavba trvá dlouho kvůli problémům s inženýrským vývojem. Je velká. Je těžká. Je složitá.
Navzdory uvedeným zkušenostem a předpokladům se Česká republika rozhoduje vystavět prakticky v každém kraji jednu SMR; zatím nevěnuje rozvoji obnovitelných zdrojů náležitou pozornost a v některých místech zastupitelstva plošně zakazují výstavbu větrných elektráren. Je velmi pravděpodobné, že tato rozhodnutí budou mít mimořádně negativní dopad na ekonomiku země a jejích obyvatel. Je rovněž nesrozumitelné spoléhat na něco, co existuje jen v plánech a nekoncipovat energetiku na tom, co již existuje, je levnější a bezpečnější.
Psáno pro Ekolist.cz
