Współpraca inwestora z konstruktorami SMR i władzami państwowymi jest bardzo istotna. Nowe konstrukcje reaktorów, np. reaktorów z rdzeniem kulowym, reaktorów z ciekłymi solami, reaktorów z nowym typem paliwa wymagają opracowania nowych metod weryfikacji bezpieczeństwa. Tu jest sporo spraw do, jak to się obecnie mówi, ogarnięcia – stwierdza Krzysztof Rzymkowski, ekspert MAEA, wiceprzewodniczący Komitetu Energii Jądrowej SEP.
Marek Meissner (MM): Mamy podpisaną umowę z Westinghouse, czyli projektantem elektrowni atomowej. Wiadomo, że obecnie firma ta rozszerza działalność na budowę modułowych reaktorów małej i średniej mocy SMR. KGHM podpisał w lutym zeszłego roku umowę z NuScale właśnie na reaktor SMR i tego typu reaktor ma działać już w 2029 r. Czyli już obecnie można powiedzieć, że w Polsce prawdopodobnie powstaną reaktory SMR. Jaka jest różnica między nimi a reaktorami dużych mocy?
Krzysztof Rzymkowski (KR): Mniejszy reaktor – większa moc. Taka zasada leży u podstaw konstrukcji reaktorów SMR, bo modułowa konstrukcja umożliwia zwiększenie mocy ich zestawu reaktorowego. Projekty SMR powstają nie tylko w USA, ale w wielu innych krajach głównie w Rosji, Chinach, Kanadzie, Wielkiej Brytanii, Japonii. No, może na nasze potrzeby – i chyba obecnie sporej części świata – Rosję wykluczmy, ale wiadomo, że na świecie powstało około 55 projektów.
Zgodnie z klasyfikacją przyjętą przez MAEA, małe reaktory to reaktory o mocy elektrycznej mniejszej niż 300 MW(e). Reaktory średniej wielkości to reaktory o mocy elektrycznej 300-700 MW(e). Konstrukcje reaktorów SMR są bardzo różnorodne. Oprócz lądowych reaktorów stacjonarnych pojawiły się projekty reaktorów przewoźnych zarówno lądowych, jak i morskich. Są to elektrownie na barkach a nawet zdalnie sterowane reaktory umieszczane pod wodą. Planowane są także instalacje wielomodułowe – od 2 do 12 połączonych indywidualnych energetycznych modułów reaktorowych o mocy 10-300 MW(e) na moduł. Różnorodność wynika z przeznaczenia reaktora i ma wpływ na konstrukcję, sposoby chłodzenia, wprowadzenie automatyzacji, a nawet stosowanie zdalnego sterowania.
Systemy chłodzenia reaktorów są bardzo zróżnicowane począwszy od klasycznych metod chłodzenia wodą, aż po chłodzenie gazem i metalami ciekłymi jak sód, ołów czy mieszaniny-ołowiowo bizmutowe. Co istotne różnorodność koncepcji budowy reaktorów SMR wymaga wdrożenia bardziej wyrafinowanych metod ich kontroli dostosowanych indywidualnie do danego typu reaktora. Problem bezpieczeństwa i kontroli tych reaktorów jest znacznie bardziej skomplikowany niż reaktorów dużej mocy.
MM: Westinghouse podaje, że konstrukcyjnie ich reaktor nie bardzo różni się od klasycznych reaktorów PWR…
KR: Bo to prawda. To są reaktory iPWR, a tak naprawdę ich modułowy wariant. Zintegrowane reaktory modularne iPWR moderowane i chłodzone wodą rzeczywiście są podobne do energetycznych reaktorów typu PWR. Większość sprawdzonych w reaktorach PWR metod kontroli materiału jądrowego można dostosować do nowych konstrukcji. Wynika to głównie z podobieństwa budowy elementów paliwowych, które są elementami policzalnym. Są to sztuki. Zestawy paliwowe mają podobną konstrukcję do zestawów PWR tylko są krótsze. Cały materiał jądrowy używany w obiekcie jest zawarty w poszczególnych elementach paliwowych przed i po wypaleniu. Kontrola materiału jądrowego sprowadza się do sprawdzenia deklaracji o składzie izotopowym materiału po wypaleniu, który jest przypisany do poszczególnych elementów paliwowych. Nowym problemem związanym z reaktorami iPWR jest załadowanie paliwa do rdzenia reaktora i jego zaplombowanie co ma nastąpić u producenta. Wszystkie operacje dotyczące materiału jądrowego – zarówno w fabryce jak w miejscu instalacji reaktora – powinny być wykonywane pod kontrolą dublowanych systemów obserwacyjno-rejestrujących. Ale na ogół systemy bezpieczeństwa, jego kontroli i kontroli samego systemu są bardzo podobne do tych stosowanych w reaktorach PWR dużej mocy.
Przykład budowy modularnej przedstawiony przez firmę NuScale, moduł reaktora NSSS (Nuclear Steam Supply System), reaktor ciśnieniowy PWR
MM: Ale pozostaje konstrukcja NuScale, w jakiś sposób pionierska.
KR: Może nie sama zasada działania, bo jak wiadomo „wszystko już było”, nawet w energetyce jądrowej. Na naprawdę nowe projekty oparte na nowych zasadach działania musimy poczekać, być może nawet dość długo (śmiech). Raczej chodzi o sposób organizacji. Projekt modularnej elektrowni jądrowej przedstawiony przez firmę NuScale składa się z indywidualnych bloków energetycznych o określonej mocy łączonych w zestawy zależnie od potrzeb energetycznych. Każdy moduł stanowi zintegrowany blok np. lekko-wodnego reaktora jądrowego podłączonego z własnym zestawem urządzeń, włącznie z turbiną parową i generatorem. Basen wypalonego paliwa jest wspólny dla wszystkich modułów. Wymiana paliwa w każdym z modułów następuje po kolei zgodnie zaplanowanym czasem wypalenia paliwa. Podczas operacji wymiany reaktor zostaje fizycznie przesunięty ze swojego roboczego pola do stanowiska, gdzie następuje przeładowywanie paliwa. Wypalone paliwo jest transportowane do basenu. Przy większej liczbie reaktorów proces wymiany zbliża się do stanu pracy ciągłej, ponieważ jeden reaktor lub kilka zawsze są otwarte. Wymaga to stałej, całodobowej obecności inspektora MAEA. Jednocześnie przenoszenie reaktora do innego pomieszczenia związane jest z przepływem materiału jądrowego w obiekcie, co też wymaga kontroli. Dodatkową trudność identyfikacji elementów paliwowych stanowi sposób ich składowania. Powiem wprost: małe wymiary paliwa ułatwiają ukrycie większej liczby elementów do niekontrolowanego wykorzystania materiału jądrowego.
MM: Ma Pan na myśli zastosowania militarne?
KR: To może być wszystko łącznie z nieautoryzowanym wypływem materiału jądrowego. Jeśli oczywiście nie zachowa się zasad bezpieczeństwa i kontroli, a te muszą być rygorystyczne. Ale to nie jest akurat taka konstrukcja reaktorów SMR, która powodowałaby specjalne problemy bezpieczeństwa i kontroli. Problemy mogą być na przykład z reaktorami HTR, w których wykorzystuje się nowy typ paliwa kulowego – TRISO…
MM:… jakie to reaktory?
KR: Wysokotemperaturowe modularne reaktory HTR, lub VHTR – Very High Temperature Reactor, HTGR – High Temperature Gas Reactor. Należą one do reaktorów IV generacji. Wykorzystują właśnie tę nową kulową konstrukcję elementów paliwowych, czyli paliwo TRISO. Paliwo ma postać nieoznakowanych kulek o średnicy mniejszej niż milimetr. Każda kulka zawiera jądro wielkości ok. 0,5 mm z tleno-węglika uranu U235 lub dwutlenku uranu, wzbogaconego do 20%. Paliwo jest otoczone warstwami węgla i węglika, który w warunkach awaryjnych może przetrwać wzrost temperatury do 1600°C. Duża ilość nieoznakowanych, bo bez własnych numerów identyfikacyjnych, elementów paliwowych, sposób wymiany tego paliwa i składowania paliwa wypalonego, nie pozwala na bezpośrednią adaptację systemu zabezpieczeń ze stosowanego w reaktorach energetycznych.
Tam jest potrzebny zupełnie nowy system bezpieczeństwa. Zresztą kompletnie nowe zalecenia dotyczące zasad bezpieczeństwa i licencjonowania SMR powstały w marcu 2015 r., przy współpracy ekspertów w Międzynarodowym Forum Regulatorów powołanym przez MAEA. Forum to skupia specjalistów opracowujących krajowe normy regulujące zasady wykorzystania nowej klasy reaktorów o mocy nie przekraczającej 300 MW(e). Budowa modularna i zwartość konstrukcji są istotą SMR i ma to zasadniczy wpływ na bezpieczeństwo. Modularność budowy pozwala na rozbudowę obiektu poprzez dołączanie nowych jednostek reaktorowych w tej samej lokalizacji lub tej samej infrastrukturze przy zapewnieniu połączeń między modułami. Problemy związane z bezpieczeństwem jednego z modułów nie powinny wpływać na pracę obiektu.
Teoretycznie tak ma być. Ale… zwartość konstrukcji reaktora wprowadza nowe wymagania bezpieczeństwa w czasie projektowania, budowy, uruchamiania, eksploatacji i jego likwidacji. Co prawda przegląd obecnych przepisów bezpieczeństwa sugeruje, że nie ma potrzeby tworzenia całkowicie nowych standardów, jednak widzimy coraz więcej innowacyjnych projektów, do których MAEA musi opracować elastyczne ramy regulacyjne, aby dostosować je do obowiązujących norm bezpieczeństwa.
Ja nie mówię oczywiście „będziemy budowali w Polsce reaktory, które mogą być niebezpieczne”, ja mówię „będziemy w Polsce budowali reaktory, które wymagają nieco odmiennych rozwiązań bezpieczeństwa niż do tej pory konstruowane reaktory dużych mocy. Dobrze by inwestor o tym wiedział”.
MM: Jakie są te odmienności?
KR: System zabezpieczeń reaktorów SMR musi uwzględniać różnorodność stosowanych konstrukcji reaktorów jak na przykład budowa rdzenia, rodzaj paliwa, sposób postępowania z wypalonym paliwem, odpadami radioaktywnymi, transportem. Dlatego tak ważne jest rozpoczęcie opracowania systemu bezpieczeństwa i kontroli na wczesnym etapie projektowania reaktora. Weryfikacja materiałów powinna być przeprowadzana w najbardziej efektywny sposób przy minimalnym obciążeniu operatora. Takie przygotowanie na etapie projektowania pozwoli uniknąć późniejszych, kosztownych modyfikacji w eksploatowanych reaktorach. Dlatego współpraca inwestora z konstruktorami SMR i władzami państwowymi jest bardzo istotna. Nowe konstrukcje reaktorów, np. reaktorów z rdzeniem kulowym, reaktorów z ciekłymi solami, reaktorów z nowym typem paliwa wymagają opracowania nowych metod weryfikacji bezpieczeństwa. Tu jest sporo spraw do, jak to się obecnie mówi, ogarnięcia.
Na przykład zmiana wzbogacenia uranu w paliwie reaktora. Może od razu wyjaśnię, że wzbogacenie to stosunek sumarycznej wagi izotopów U233 i U235 do całkowitej wagi używanego uranu wyrażany w procentach. Dotychczas stosowano paliwo o niskim wzbogaceniu, do 4% LEU (Low Enrichment Uranium). W niektórych reaktorach badawczych wykorzystywane jest paliwo o wyższym wzbogaceniu HEU (High Enrichment Uranium), nawet powyżej 20%. Przy wykorzystywaniu paliwa HEU stosowane są zaostrzone kryteria kontroli, a niektóre konstrukcje SMR działają na paliwie HEU. Następna kwestia to wymiana paliwa. Proces newralgiczny. W niektórych konstrukcjach SMR ta wymiana w każdym z modułów następuje po kolei zgodnie z zaplanowanym czasem wypalenia paliwa, Podczas operacji wymiany reaktor zostaje fizycznie przesunięty ze swojego stanowiska roboczego do stanowiska wymiany. Przy większej liczbie małych reaktorów proces wymiany zbliża do stanu pracy ciągłej, ponieważ jeden reaktor lub kilka zawsze są otwarte. Wymaga to stałej obecności inspektora MAEA i silnych procedur bezpieczeństwa, stale zachowywanych, bo także przepływ materiału jądrowego spowodowany przenoszeniem reaktora z paliwem i wypalonego paliwa do innego pomieszczenia w obiekcie, wymaga kontroli. Dalej pozostają kwestie techniczne jak nieprzezroczystość chłodziwa. Przy innym chłodziwie niż woda, np. ciekły metal, utrudniona jest identyfikacja elementów paliwowych wymagająca specjalizowanego legalizowanego urządzenia.
Dalej mamy identyfikację elementów paliwowych w czasie ich składowania. Mniejsze rozmiary rdzenia i automatycznie mniejsze i krótsze elementy paliwowe, które zwykle składowane są w pozycji pionowej w celu chłodzenia basenie wypalonego paliwa SMR. Ze względów ekonomicznych i zmniejszenia powierzchni przechowywania paliwo układane jest warstwami, co utrudnia jego identyfikację. Sposób kontroli takiego paliwa wymaga uzgodnień. Jednym z proponowanych rozwiązań jest umieszczenie sprawdzonych elementów paliwowych w zaplombowanym koszu. Późniejsze kontrole polegają na sprawdzeniu nienaruszalności plomby.
Wreszcie kontrola załadowania paliwa w fabryce, wynikająca z samej konstrukcji i przyjętych zasad, takich że reaktor i cały zestaw urządzeń będą produkowane w warunkach fabrycznych, a następnie przetransportowane do przygotowanego miejsca pracy. W proponowanych rozwiązaniach dąży się do większego upakowania elementów automatyki sterującej i pomiarowej wewnątrz obudowy reaktora, czyli znowu mamy pewne utrudnienie dostępu do ważnych urządzeń na przykład pomiarowych w razie awarii.
MM: Sporo tych odmienności. Jak w tej sytuacji widzi pan rozpowszechnienie reaktorów SMR zamiast jednostek dużej mocy?
KR: Z punktu widzenia osoby zajmującej się bezpieczeństwem i kontrolą jestem sceptyczny. Szerokie wprowadzenie reaktorów SMR do energetyki wymagałoby bowiem opracowania umów międzypaństwowych dotyczących ochrony i transportu wysoko wzbogaconego paliwa, opracowania i analizy możliwych scenariuszy sabotażu i ataków terrorystycznych na SMR oraz instrukcji ich zapobiegania. Konieczne byłoby opracowanie nowych koncepcji zabezpieczeń, nowych detektorów, i systemów obserwacyjno-rejestrujących sterowanych zdalnie, opracowania rozwiązań systemu zabezpieczeń dla transportu elementów paliowych zawierających pluton… To wszystko to nie są drobiazgi, a nad szczegółami takich umów można debatować latami!
MM: Czyli budowanie elektrowni wykorzystującej rozwiązania modułowe nie wydaje się celowe?
KR: Nie. Moc takiej elektrowni nie przekracza kilkuset megawatów a wysiłek włożony w jej budowę jest porównywalny z budową elektrowni wielkoskalowej. Wykorzystanie SMR do celów przemysłowych jest uzasadnione, bo powstała przy okazji energia elektryczna może być wykorzystywana lokalnie, ale nie warto budować sieci takich reaktorów tylko dla potrzeb energetyki. Zakłady wykorzystujące reaktory modułowe powinny posiadać własną infrastrukturę socjalną i administracyjną oraz system bezpieczeństwa wymagający dostosowania do wymagań bezpieczeństwa jądrowego. Owszem, będą miały własną energię, ale koszty takiej instalacji i jej utrzymania będą dość wysokie.
Dr inż. Krzysztof Rzymkowski od początku swojej kariery zawodowej był związany z techniką jądrową. Pracował w Zakładzie Doświadczalnym Biura Urządzeń Techniki Jądrowej – późniejszy POLON. Odbywał staże naukowe i praktyki przemysłowe w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych w Dubnej, Comitato Nazionale per l’Enegia Nucleare Centro Ricerche della Casaccia. Pracował w Instytucie Badań Jądrowych Świerk oraz Państwowej Agencji Atomowej. Przez 15 lat był inspektorem Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej w Wiedniu w rejonie inspekcyjnym Dalekiego Wschodu w szczególności Japonii, KDRL – Korei Płn. – i Indonezji. Aktualnie jest Sekretarzem Generalnym SEREN – Stowarzyszenia Ekologów na Rzecz Energii Nuklearnej i wiceprzewodniczącym Komitetu Energii Jądrowej SEP.
