Pierwszy reaktor jądrowy powstał 81 lat temu, w tym czasie rozwinięto kilka generacji reaktorów, eksploatowano 646 bloków jądrowych oraz wprowadzono szereg nowych rozwiązań projektowych i systemów bezpieczeństwa, zarówno aktywnych jak i pasywnych (pasywne systemy bezpieczeństwa wykorzystują prawa natury np. siły ciężkości, które spełniają funkcje kontroli i zabezpieczeń samorzutnie, bez doprowadzenia energii z zewnątrz). Obecnie eksploatowanych jest 411 reaktorów na świecie (302 reaktory w technologii wodno-ciśnieniowej PWR (z ang. pressurized water reactor). Natomiast w budowie jest 58 bloków jądrowych, a 49 z nich jest reaktorami PWR.
Reaktory jądrowe można klasyfikować na podstawie szeregu kryteriów, takich jak:
• przeznaczenie reaktorów,
• energia neutronów powodujących rozszczepienie,
• rodzaj paliwa reaktorowego,
• rodzaj moderatora,
• rodzaj chłodziwa,
• konstrukcja reaktora.
Obecnie znacząca większość reaktorów służy do wytwarzania energii elektrycznej i są fundamentem podstawy krajowych systemów energetycznych, jako że są stabilnymi, planowanymi i przewidywalnymi źródłami wytwórczymi. Dodatkowo reaktory jądrowe mogą świetnie się sprawdzić jako źródła ciepłownicze lub wspierające procesy wysokotemperaturowe. Rolls Royce jako podstawę projektową wybrał najbardziej sprawdzony koncept – reaktor typu PWR. W tego typu reaktorach, woda chłodząca reaktor, znajduje się pod dużym ciśnieniem (około 15.5 MPa), które zapobiega wrzeniu. Następnie woda podgrzana w rdzeniu reaktora, jest kierowana do wytwornicy pary.
W reaktorze tego typu lekka woda spełnia 3 funkcje: chłodziwa, moderatora i reflektora. Znane i przebadane właściwości termodynamiczne i fizyczne wody sprawiają, że jest ona bardzo dobrym moderatorem. Warto zaznaczyć, że skutecznie spowalnia neutrony, jednak narzuca konieczność stosowania uranu lekko wzbogaconego (3-4% 235U). Natomiast poważną wadą wody jako chłodziwa, jest silne oddziaływanie korozyjne. Pierwsze reaktory typu PWR zostały zastosowane w obiektach wojskowych (napęd atomowych okrętów podwodnych), min. projektowanych i produkowanych przez firmę Rolls Royce od 1966 roku. Reaktory typu PWR pracują w systemie dwuobiegowym. Podstawowymi elementami obiegu pierwotnego są: zbiornik reaktora wraz z rdzeniem, wymiennik ciepła (wytwornica pary), główna pompa obiegowa oraz stabilizator ciśnienia.
Z kolei podstawowymi elementami obiegu wtórnego są: wytwornica pary, turbina parowa, skraplacz, pompa wody zasilającej oraz podgrzewacze regeneracyjne. Zarówno w obiegu pierwotnym jak i wtórnym czynnikiem roboczym jest woda. W wytwornicy pary woda obiegu pierwotnego przepływa przez tysiące rurek, zamieniając opływającą je wodę obiegu wtórnego w parę pod wysokim ciśnieniem. Wytworzona para rozpręża się w turbinie parowej napędzając turbogenerator, skrapla się w skraplaczu i jako woda zasilająca jest pompowana znów do wytwornicy pary. Reaktor SMR firmy Rolls-Royce, jest projektem reaktora PWR. Blok energetyczny, oparty na tym reaktorze ma generować 470MWe. W skład bloku ma wchodzić pojedynczy reaktor chłodzony przez 3 pętle. Paliwem będzie najbardziej rozpowszechniona jego forma – UO2. Konstrukcja posiada wiele aktywnych i pasywnych systemów bezpieczeństwa, z których każdy ma znaczną wewnętrzną redundancję (nadmiarowość). Rolls-Royce SMR generuje 1358 MW mocy cieplnej w temperaturze ~300oC. Elektrownia może wytwarzać do 470 MW mocy elektrycznej netto, a energia cieplna może zostać wykorzystana w systemach ciepłowniczych lub w zakładach przemysłowych.
Modularyzacja jako nowoczesne podejście do budownictwa
Proces budowy modułowych bloków jądrowych jest często porównywalny do budowania z klocków lego – gotowe moduły na stalowych konstrukcjach przy pomocy dźwigów i suwnic, układane są w konkretnym układzie, który tworzy całość instalacji. Prefabrykacja ma również ogromną przewagę nad klasycznym modelem budowania – wysoka jakość dostarczanych elementów, poprzez kontrolę jakości w zakładach produkcyjnych. Innowacyjny koncept z zastosowaniem prefabrykacji i modularyzacji pozwala na stworzenie powtarzalnego projektu bloków jądrowych z unifikowanymi modułami, co przekłada się na krótszy czas realizacji projektu, szczególnie przy jednoczesnym prowadzeniu kilku inwestycji. Modularyzacja pozwala również na znaczne ograniczenie zasobów ludzkich oraz dokładniejsze zaplanowanie inwestycji poprzez dane dostaw i mocy przerobowych fabryk, jest również niezależna od czynników pogodowych takich jak opady atmosferyczne, wysokie i niskie temperatury bądź silny wiatr. Dodatkowo firma Rolls Royce na placu budowy elektrowni zaprojektowała tymczasową konstrukcję hali, która tworzy zewnętrzną osłonę.
Pod tą osłoną realizowane będą prace montażowe z wcześniej testowanych, przygotowanych i przetransportowanych modułów. Rozwiązanie to w razie potrzeb daje możliwość prac na placu budowy przez 24 godziny na dobę, 365 dni w roku. Co za tym idzie daje pewność zbudowania i uruchomienia SMR w zakładanym 4-letnim okresie. Standaryzacja ma również jedną ważną cechę – pozwala na obniżenie kosztów produkcji poprzez masową produkcję tych samych elementów wytwarzanych przez te same typy maszyn. Całościowy koncept SMR Rolls Royce umożliwia stworzenie niezawodnego, bezpiecznego i taniego źródła energii.
Obserwując rozwój technologii SMR w Polsce można zauważyć 4 duże projekty, oparte na różnych typach reaktorów, jednak z przeważającą ilością reaktorów PWR. Małe modułowe reaktory jądrowe mogą być odpowiedzią na wiele problemów obecnego systemu energetycznego. Nasza sieć elektroenergetyczna pracuje w centralizowanym systemie – co to oznacza? Główne (duże) źródła wytwórcze, produkujące energię elektryczną znajdują się na południu kraju, a następnie wytworzona energia jest transportowana przez sieci przesyłowe wysokich napięć do pozostałych części Polski. Niestety takie rozwiązanie wiąże się ze stratami mocy, a co za
tym idzie z większymi nakładami finansowymi, za co realnie płaci każdy konsument energii elektrycznej. Zastosowanie SMR w różnych częściach Polski pozwoli na zdecentralizowanie systemu energetycznego i stworzenie bardziej rozproszonego modelu sieci, a odbiorca będzie znacznie bliżej wytwórcy. Jednocześnie w przeciwieństwie do odnawialnych źródeł energii, elektrownie jądrowe są bardzo stabilnym źródłem energii, co pozwala planować dostępną moc w systemie elektroenergetycznym z o wiele mniejszym marginesem błędu, a bilans systemu jest o wiele prostszy i wydajniejszy. Dywersyfikacja oraz decentralizacja, zeskalowanych mniejszych jednostek wytwórczych będzie mieć również ogromny wpływ na ograniczenie prawdopodobieństwa blackoutu.
Zdecydowanie tak! SMR podlegają identycznym wymaganiom technicznym jak reaktory dużych mocy. Podstawowym celem bezpieczeństwa jest ochrona ludzi i środowiska przed szkodliwymi skutkami promieniowania jonizującego. Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej (MAEA) sformułowała trzy zasadnicze cele w dziedzinie bezpieczeństwa jądrowego: Ogólne bezpieczeństwo jądrowe: Należy chronić ludzi, społeczeństwo i środowisko przed szkodami przez utworzenie i utrzymywanie w instalacjach jądrowych skutecznej obrony przeciw zagrożeniom radiologicznym;
Ochrona radiologiczna: Należy zapewnić, aby we wszystkich stanach eksploatacyjnych narażenie radiacyjne wewnątrz instalacji lub powodowane przez planowane uwolnienia materiałów radioaktywnych z instalacji utrzymywane było poniżej wyznaczonych limitów i było tak niskie, jak tylko jest to praktycznie rozsądne.
Należy także zapewnić ograniczanie (minimalizację) skutków radiologicznych wszelkich wypadków;
Bezpieczeństwo techniczne: Należy przedsięwziąć wszelkie środki dla zapobiegania wypadkom w instalacjach jądrowych i ograniczania ich następstw. Jeśli jednak do awarii dojdzie, należy zapewnić, aby dla wszystkich możliwych awarii branych pod uwagę w projekcie instalacji, łącznie z tymi o bardzo małym prawdopodobieństwie,
wszelkie skutki radiologiczne były niewielkie i poniżej określonych limitów, a także zapewnić krańcowo małe prawdopodobieństwo awarii z poważnymi skutkami radiologicznymi.
Wszystkie te cele mają zostać uwzględnione już na etapie projektu budowy elektrowni jądrowej. Natomiast w procesie licencjonowania udowadnia się, że zastosowane w projekcie środki bezpieczeństwa zapewniają realizację wymienionych celów. Dzięki takiemu podejściu energetyka jądrowa może pochwalić się drugą najmniejszą ilością wypadków na jednostkę wyprodukowanej energii tzw. death rate, jednocześnie jest bez emisyjnym źródłem energii. Wymagania bezpieczeństwa uwzględniane są już na początku projektowania i budowy elektrowni jądrowej. Na inwestorze natomiast spoczywa obowiązek wprowadzenie kultury bezpieczeństwa do swojej organizacji. W celu zapewniania jak najwyższego poziomu bezpieczeństwa wprowadzono zasadę „głębokiej obrony, zwanej także obroną w głąb”.
Dodatkowo w ramach oceny bezpieczeństwa, opracowanej dla każdej elektrowni jądrowej, rozpatruje się wszystkie możliwe awarie i wpływ na cztery bariery (pastylka paliwowa, koszulki elementów paliwowych, ściany rurociągów obiegu pierwotnego, obudowa bezpieczeństwa, obejmująca cały obieg pierwotny). Reaktor SMR firmy Rolls-Royce stosuje stalową powłokę obudowy bezpieczeństwa, która została zaprojektowana tak, aby umożliwić uproszczoną budowę modułową, która ma krótszy czas budowy w porównaniu z konwencjonalną konstrukcją z kablobetonu. Na wysoce nieprawdopodobny przypadek awarii skutkującej stopieniem rdzenia, zastosowano system retencji stopionego rdzenia w zbiorniku ciśnieniowym reaktora, aby zminimalizować ryzyko naruszenia jego integralności. Zatrzymywanie stopionego rdzenia w zbiorniku uzyskuje się za pomocą zewnętrznego chłodzenia dolnej głowicy zbiornika poprzez zalanie studni reaktora wodą, utrzymując jego integralność strukturalną. Para wodna generowana w studni zbiornika reaktora jest skraplana za pomocą wymienników ciepła biernego systemu chłodzenia obudowy bezpieczeństwa, a ciepło jest przekazywane do końcowego układu odbioru ciepła i ostatecznie usuwane do środowiska.
System obudowy bezpieczeństwa zawiera również funkcje minimalizujące i łagodzące postulowane zjawiska ciężkich awarii. Obejmuje on pasywne rekombinatory wodoru zapobiegające eksplozjom wodoru oraz ochronę przed nadciśnieniem poprzez filtrowany upust pary i gazów z obudowy bezpieczeństwa. Stalowa powłoka obudowy bezpieczeństwa chroniona jest przed zagrożeniami zewnętrznymi, takimi jak uderzenie samolotu, za pomocą budynku osłaniającego przed zagrożeniami, który otacza powłokę, a także inne kluczowe struktury, takie jak budynek pomocniczy
Małe reaktory jądrowe mogą wziąć znaczący udział w transformacji systemu energetycznego Polski, jednocześnie energetyka jądrowa wydaje się jedyną realną szansą na przezwyciężenie światowego kryzysu energetycznego. Poprzez zdecentralizowanie obecnego systemu elektroenergetycznego ograniczone zostaną straty mocy oraz koszty z tym związane. Większość dostawców technologii proponuje zeskalowane projekty większych bloków jądrowych, jednocześnie utrzymując narzucone zasady bezpieczeństwa przez Międzynarodową Agencję Atomistyki. Energetyka jądrowa jest jednocześnie najbezpieczniejszym, bez emisyjnym źródłem energii.
