NUWARD™ – europejska technologia SMR dla polskiej transformacji energetycznej?

Artykuł sponsorowany, materiał partnerski opracowany we współpracy z EDF

Ostatnie doniesienia o pierwszej umowie o wspólnym rozwoju w Polsce projektów opartych na tym SMR NUWARD™ zawartej 13 stycznia tego roku między EDF a polską spółką Respect Energy powinny skłonić nas do bliższego przyjrzenia się jego konstrukcji. Zwłaszcza że, jak słychać, nie jest to jedyna współpraca tego typu planowana przez EDF. Francuski państwowy koncern, zaangażowany na całym świecie (a teraz także i w Polsce) w rozwój i komercjalizację SMR NUWARD™, ubiega się także o zamówienie na wielkoskalowe reaktory EPR w ramach Programu Polskiej Energetyki Jądrowej.

SMR NUWARD™ to właściwie mała elektrownia jądrowa składająca się z dwóch niezależnych modułowych reaktorów, o łącznej mocy 340 MWe (2 x 170 MWe), umieszczonych w jednym budynku i obsługiwanych za pośrednictwem wspólnej sterowni. Projekt rozwijany jest od 2017 r. przez EDF z udziałem innych dużych europejskich spółek: francuskich TechnicAtome (firmy odpowiedzialnej za projektowanie i budowę morskich napędowych reaktorów jądrowych), Naval Group (grupy stoczni marynarki wojennej, projektującej i budującej okręty podwodne i lotniskowce o napędzie atomowym), Framatome (spółki zależnej EDF, odpowiedzialnej za projektowanie reaktorów jądrowych i produkcję ich głównych komponentów, w tym systemów dostarczania pary, a także za projektowanie i wytwarzanie paliwa) i CEA(Komisariatuds. Energii Atomowej i Alternatywnych Źródeł Energii– urzędu odpowiedzialny za badania nad energią jądrową) oraz belgijskiego koncernu Tractebel Engineering (doświadczonego w projektowaniu i budowie elektrowni jądrowych). Międzynarodowy wymiar projektu został dodatkowo wzmocniony poprzez powołanie International NUWARD™ Advisory Board (INAB) – wielonarodowej rady ekspertów, będącej w założeniu odzwierciedleniem przyszłego „rynku", w skład której wchodzą operatorzy elektrowni jądrowych TVO, Fortum i Ontario Power Generation, firmy inżynierskie takie jak UJV r.e.s. i Tata Consulting Engineers, instytucje badawcze takie jak amerykański MIT, Politecnico Milano i wreszcie administracje rządowe, takie jak Department of Atomic of Energy z Indii i CEA. Głównym celem rady jest poddawanie w wątpliwość cech projektowych i mapy drogowej rozwoju NUWARD™, tak by upewnić się, że końcowy produkt w pełni spełniać będzie oczekiwania rynku.

Strategicznym celem opracowania NUWARD™ przez EDF jest uzupełnienie oferty technologii reaktorów koncernu o rozwiązanie typu SMR, co ma pomóc w przeciwdziałania zmianom klimatycznym w następnej dekadzie, gdy wiele węglowych źródeł wytwarzania energii elektrycznej i ciepła o mocy od 200 do 400 MWe będzie musiało zostać wyłączonych i zastąpionych źródłami energii zdekarbonizowanej. Odbiorcami  mogą być w tym przypadku duże zakłady energetyczne, odbiorcy ciepła jak i duże zakłady przemysłowe, które stoją obecnie przed koniecznością znalezienia stabilnych, sterowalnych, niskoemisyjnych źródeł energii o niskich i przewidywalnych kosztach. Małe reaktory jądrowe mogą spełnić te warunki, m.in. dzięki swojej dyspozycyjności na poziomie ponad 90% i możliwości elastycznego sterowania mocą (pracy w trybie load following), mimo że trudno – na dzień dzisiejszy – określić dokładny poziom kosztów budowy reaktorów i kosztu wytwarzanej przez nie energii. Z pewnością będzie on jednak bardziej przewidywalny i mniej podatny na nagłe zmiany niż w przypadku źródeł energii wykorzystujących paliwa kopalne, zgodnie z naszym obecnym rozumieniem ekonomiki tej nowej niszy rynkowej. Ponadto „małe" i „duże" reaktory jądrowe są rozwiązaniami komplementarnymi i nie należy ich sobie przeciwstawiać, gdyż dostarczają rozwiązań dla innego typu potrzeb.

SMR NUWARD™ wykorzystuje dwa niezależne reaktory PWR o mocy 170 MWe i modułowej konstrukcji, przystosowanej do seryjnej produkcji. Układ dwóch reaktorów odpowiada na potrzeby elastyczności ze strony użytkowników SMR takich jak zakłady przemysłowe. Taki układ umożliwia bowiem nieprzerwaną pracę jednego reaktora w pełnym zakresie mocy, podczas gdy drugi reaktor jest wyłączony w celu przeprowadzenia planowanych prac serwisowych (np. wymiany paliwa). Może to mieć kluczowe znaczenie dla ciągłości pracy danego zakładu przemysłowego. W ramach możliwego zakresu zastosowań SMR NUWARD™, EDF kładzie nacisk nie tylko na wytwarzanie energii elektrycznej, ale też na kogenerację prądu i ciepła, jak również możliwość produkcji zdekarbonizowanego wodoru.

Konstrukcja NUWARD™ jest mieszanką sprawdzonych i „prostych" (jak na przemysł jądrowy) rozwiązań technicznych i kilku innowacji. Sam układ konstrukcyjny reaktora jest tradycyjny, z rdzeniem umieszczonym w dolnej części stalowego zbiornika i prętami kontrolnymi w górnej jego części. Innowacyjne rozwiązania pozwalają zaś na pełne zintegrowanie obiegu pierwotnego reaktora wewnątrz jego zbiornika, co zwiększa bezpieczeństwo konstrukcji. Jest to możliwe m.in. dzięki umieszczeniu stabilizatora ciśnienia w górnej części zbiornika, a ośmiu płytowych „kompaktowych" wytwornic pary po jego bokach (przy czym sześć z nich służy przy normalnej pracy reaktora, a dwie wykorzystane są do odbioru ciepła powyłączeniowego). Tak samo, na ścianach zbiornika reaktora, choć już po jego zewnętrznej stronie, rozmieszczono sześć pomp zasilających obiegu pierwotnego.

Patrząc na zintegrowany układ konstrukcyjny SMR NUWARD™, wyraźnie widać że wykorzystuje on duże doświadczenie TechnicAtome i Naval Group w projektowaniu, budowie, eksploatacji i serwisowaniu morskich jądrowych reaktorów napędowych. Obie te firmy odpowiedzialne są za wykorzystanie takich reaktorów na pokładach francuskich okrętów podwodnych i lotniskowca od nieco ponad 50 lat. Napędowe morskie reaktory PWR mogą być traktowane poniekąd jako protoplaści SMR, przynajmniej ze względu chociażby na kompaktowy charakter ich konstrukcji, chociaż inne jest ich przeznaczenie i priorytety w projektowaniu (takie jak np. zdolność do szybkiej zmiany mocy, odporność na wstrząsy i wydłużenie okresów pomiędzy wymianą paliwa. Przy okazji należy zauważyć, że 100% obecnie wykorzystywanych na świecie morskich reaktorów napędowych marynarki wojennej używanych obecnie na świecie to reaktory wodne ciśnieniowe (PWR). Inne układy konstrukcyjne reaktorów, takie jak reaktory wodne wrzące (BWR), nie sprawdziły się w tego typu zastosowaniach i dlatego nie mogą korzystać z doświadczeń zbieranych przy bezproblemowej eksploatacji reaktorów napędowych wykorzystywanych na świecie od 1955 roku. Nie należy jednak traktować SMR NUWARD™ jako prostego rozwinięcia reaktorów z francuskich okrętów podwodnych. NUWARD™ opracowany został od początku jako reaktor energetyczny, różniący się od napędowego nie tyko oczekiwanymi parametrami i poziomem bezpieczeństwa obsługi, ale także ważnymi założeniami konstrukcyjnymi, takimi jak np. zastosowanie standardowego paliwa jądrowego o niewielkim stopniu wzbogacenia.

Szczególną uwagę przy projektowaniu SMR NUWARD™ zwrócono również na uproszczenie obsługi reaktora, stąd też np. wyeliminowanie wody borowanej do kontroli reakcji, zapewnionej przez odpowiednie dodatki i trucizny reakcyjne pełniące podobną rolę. Oprócz prostszej obsługi rozwiązanie to ma także wpływ na znaczne ograniczenie ilości płynnych uwolnień promieniotwórczych wytwarzanej przez reaktor.

Bezpieczeństwo pracy reaktora i ograniczenie skutków jego awarii ma zapewniać system sterowania i automatyki oraz szereg rozwiązań konstrukcyjnych samego reaktora, zaprojektowanych zgodnie z filozofią „obrony w głąb" (defense in-depth), takich jak chociażby ograniczenie ilości rurociągów zasilających obiegu pierwotnego w taki sposób by możliwy wyciek miał maksymalnie średnicę 30 mm (by zmniejszyć szybkość wycieku w przypadku utraty chłodziwa, tzw. LOCA). W tym celu także reaktor wraz z systemami pomocniczymi w jego zewnętrznej stalowej obudowie (pełniącej rolę obudowy bezpieczeństwa, tzw. containment) umieszczono w zbiorniku z wodą. Zbiornik ten pełni rolę pasywnego systemu bezpieczeństwa w przypadku poważnej awarii reaktora, odbierając ciepło z jego wnętrza przez minimum 72 godziny po wyłączeniu reaktora, bez konieczności innej obsługi lub zapewnienia zewnętrznego zasilania. Woda w zbiorniku, stanowi także przy okazji barierę chroniącą przed uwolnieniem substancji radioaktywnych. W połączeniu z pasywnym systemem odbioru ciepła z obiegu pierwotnego rozwiązanie to pozwala również na zachowanie korium wewnątrz zbiornika reaktora w przypadku stopienia jego rdzenia. Pozostałe systemy bezpieczeństwa to m.in. niskociśnieniowe akumulatory wodne do wykorzystania w przypadku utraty chłodziwa, wysokociśnieniowy system wtrysku wody borowanej w przypadku nagłych zmian reaktywności, pasywne pochłaniacze wodoru czy też system gazowy podający azot by zmniejszyć, ciągle w celu zmniejszenia, jeszcze w razie wypadku, prawdopodobieństwa zapłonu wodoru.

Zbiornik wody, w którym zanurzony jest reaktor stanowi jednak tylko jedną z wielu ochronnych barier bezpieczeństwa: pierwsze trzy to, tak jak we wszystkich lądowych reaktorach PWR, koszulki prętów paliwowych, zbiornik reaktora i jego zewnętrzna obudowa (containment - w tym przypadku zewnętrzny zbiornik zewnętrzny reaktora). Kolejne to zbiornik z wodą, w którym zanurzony jest reaktor, żelbetowa konstrukcja budynku reaktora (odporna m.in. na uderzenie samolotu), i w końcu ziemia wokół tego budynku, jako że jest on częściowo umieszczony pod poziomem gruntu. Te wszystkie bariery zostały zaprojektowane w taki sposób by strefa planowania awaryjnego ograniczona była dla SMR NUWARD™ jedynie do granicy samego obiektu. SMR ten może więc być zlokalizowany na terenie zakładów przemysłowych lub na obrzeżach miast.

Zarządzanie paliwem jądrowym niezbędnym do pracy SMR zostało oparte na wzorcach znanych z wielkoskalowych reaktorów jądrowych. NUWARD™ wykorzystuje 76 zestawów po 289 prętów paliwowych (17 x 17) o standardowej formie, standardowym poziomie wzbogacenia paliwa (poniżej 5%) i standardowym składzie. Projektowy cykl pracy reaktora wynosi 24 miesiące, po tym czasie konieczna jest wymiana połowyzestawów paliwowych z jego rdzenia, co wymaga wyłączenia reaktora na kilkanaście dni, razem z bieżącymi pracami serwisowymi. Wypalone paliwo przechowywane będzie początkowo w oddzielnym „basenie" zlokalizowanym pomiędzy dwoma reaktorami SMR NUWARD™. Wielkość basenu pozwala na przechowywanie paliwa pochodzącego z okresu do 10 lat eksploatacji reaktorów. Dodać tu jeszcze należy, iż francuski przemysł (EDF we współpracy z Framatome i Orano) obecny jest na wszystkich etapach jądrowego cyklu paliwowego, od wydobycia rudy uranu aż po recykling wypalonego paliwa, jest więc w stanie zaoferować zapewnienie paliwa klientom SMR NUWARD™.

SMR z definicji musi być zaprojektowany pod kątem modułowości konstrukcji, jej standaryzacji, produkcji seryjnej i łatwości montażu. Połączenie wszystkich tych elementów ma ostatecznie w założeniach decydować o wystarczająco atrakcyjnym poziomie kosztów energii wytwarzanej przez mniejsze reaktory. W przypadku NUWARD™ jego twórcy zapewniają o uwzględnieniu wszystkich tych zagadnień. Modułowość, i co za tym idzie uproszczenie i przyspieszenie montażu, przewidziano na poziomie zewnętrznego zbiornika reaktora (containment), składanego na miejscu montażu z dwunastu elementów, jak również w konstrukcji głównych budynków wchodzących w skład części jądrowej i konwencjonalnej elektrowni. Wszystkie wymienione komponenty zostały zaprojektowane zostały pod kątem możliwie łatwego transportu ponadgabarytowego. Standaryzacja i produkcja seryjna możliwe będą do osiągnięcia, zdaniem EDF, przede wszystkim poprzez ujednolicenie wymagań stawianych reaktorom SMR na poziomie dozorów jądrowych poszczególnych krajów europejskich państw. Na dziś przepisy i wymagania te są generalnie takie same dla „małych" i „dużych" reaktorów, natomiast różnią się od siebie znacznie w poszczególnych krajach. To co jednak jest możliwe do każdorazowego dostosowania w przypadku wielkoskalowych reaktorów może okazać się przeszkodą nie do pokonania dla reaktorów SMR, których model biznesowy opiera się na produkcji seryjnej. Aby tego uniknąć, w 2022 roku z inicjatywy EDF uruchomiono wspólny proces wczesnego przeglądu projektu, prowadzony przez francuski dozór jądrowy (ASN), z udziałem dozorów z Finlandii (STUK) i Czech (SÚJB), które wspólnie pracują nad przeglądem założeń bezpieczeństwa reaktora SMR NUWARD™. Prace te mają jednocześnie na celu skonfrontowanie podejścia regulacyjnego poszczególnych uczestniczących w nich urzędów dozoru w celu zharmonizowania praktyk regulacyjnych stosowanych w odniesieniu do reaktorów SMR. W przyszłości grupa ta może zostać rozszerzona o urzędy dozoru z innych krajów. Ostatecznym celem jest przejście do bardziej zharmonizowanego podejścia do certyfikacji projektów i licencjonowania SMR, co pomoże w standaryzacji komponentów i ułatwieniu ich seryjnej produkcji, po to by osiągnąć związane z tym  korzyści. Wspólne prace nad oczekiwaniami wobec reaktorów SMR formułowanymi na poziomie europejskim to jedna z kluczowych innowacji w rozwoju projektu NUWARD™.

Harmonogram projektowania, a następnie budowy pierwszego zestawu reaktorów typu (First Of A Kind – FOAK) oparty został na bardziej konserwatywnych, by nie powiedzieć realistycznych, założeniach niż niektóre inne aktywnie promowane projekty SMR. Na początku 2023 r. zakończyć mają się prace nad projektem koncepcyjnym, a następnie rozpocząć opracowywanie dokumentacji podstawowej. Począwszy od 2026 r. opracowany ma zostać projekt szczegółowy i rozpoczęte prace nad wstępnym licencjonowaniem SMR, tak aby budowa pierwszego jego egzemplarza we Francji rozpoczęła się w 2030 r. Takie sprawdzone i oparte na doświadczeniach podejście do rozwoju projektu może okazać się bardziej realistyczne, a przez to bardziej wiarygodne niż trudne do spełnienia marketingowe zapowiedzi niektórych spośród konkurencyjnych, zwłaszcza amerykańskich i brytyjskich, dostawców technologii SMR.

Tak duże ambicje dotyczące rozwoju SMR NUWARD™ będą jednak wymagały odpowiedniego finansowania, aby mogły stać się rzeczywistością. Po początkowym etapie prac, do 2020 r. finansowanych przez zespół firm pod przywództwem EDF, finansowanie dalszego rozwoju zapewnione zostało w większości przez państwo francuskie. I tak w 2020 r. przyznano 50 mln euro na prace koncepcyjne, a w lutym 2022 r. rząd Francji ogłosił dalszy przydział 500 mln euro środków do 2030 r. Zatem również w tym wymiarze harmonogram rozwoju NUWARD™ wydaje się bezpieczny. Finansowanie publiczne wynika też z chęci posiadania w pełni europejskiego rozwiązania technologicznego SMR, co przyczyniać się ma do wzmacniania suwerenności energetycznej naszego kontynentu. Strategiczną ambicją projektu NUWARD™ jest opracowanie rozwiązania tego typu produkowanego w Europie, przez europejskie firmy i w oparciu o europejską technologię.

Podsumowując, stwierdzić można że NUWARD™ jest reaktorem SMR technicznie prezentującym sprawdzone podejście, z przemyślaną liczbą innowacji, których rozwój nie powinien opóźnić prac nad całym projektem. W połączeniu z realistycznym harmonogramem rozwoju projektu, zapewnionym finansowaniem, uwzględnieniem na możliwie wczesnym etapie uwag organów dozoru jądrowego kilku europejskich państw, operatorskim doświadczeniem firm uczestniczących w projekcie oraz solidnym zapleczem przemysłowym jest obiecującym rozwiązaniem SMR o ograniczonym ryzyku. Czy takie podejście przyniesie wyniki i zdobędzie zaufanie klientów – okaże się w najbliższych latach. Umowa EDF z Respect Energy pokazuje, że również na polskim rynku jest miejsce na inne konstrukcje SMR, w tym rozwijane przez europejski przemysł i dla europejskiego przemysłu.

Artykuł sponsorowany, materiał partnerski opracowany we współpracy z EDF