Röviden a kis moduláris reaktorokról

Mérnöki nézőpontból ezek legfőbb értéke a skálázható lépték: nem kell egyetlen, több mint gigawattos blokkot ráterhelni a villamos rendszerre, hanem több, kisebb egységgel lehet illeszkedni a hálózati korlátokhoz, a fogyasztói profilokhoz (ipari park, adatközpont, távhő) és a beruházói kockázat-tűréshez. A nagy gyári készültség és a szabványosítás rövidebb, kiszámíthatóbb helyszíni kivitelezést ígér, a moduláris építés pedig tervezhető, csúszásoktól mentesebb bevételkezdést tesz lehetővé. Ugyanakkor nem kerülhetjük ki a kérdést, hogy jelenleg nyugati működő példány még nincs, azaz az első példányoknál az ár- és határidő-bizonytalanság nagyobb: a fajlagos költségek és a kivitelezési idők tipikusan csak sorozatban „állnak be”, ezért a siker feltétele a beszállítói lánc időben történő felépítése, valamint a projekt sikeres menedzsmentje a tervezett helyszíneken. Környezeti oldalról az életciklus-kibocsátás a nagy reaktorokéhoz hasonlóan nagyon alacsony; a kisebb telephelyi igény és a barnamezős területek hasznosíthatósága e szempontból előnyt jelent, míg a radioaktív hulladék abszolút és relatív aránya típus- és modellfüggő, amit a kampány (így nevezik a reaktor üzemét egy feltöltési ciklus idején), az anyagválasztás és a kémiai összetétel befolyásol.

A piacon ma két működő kisméretű referencia létezik. Kínában a HTR-PM kereskedelmi üzemben termel: két, grafittal moderált, héliummal hűtött, magas hőmérsékletű modul (2×250 MW(t)) egyetlen közös, kb. 210 MW(e) turbinát hajt. Ez a megoldás nem vízhűtésű, hanem gázhűtésű, és a magas kilépő hőmérséklet miatt ipari hő szempontjából  is komoly potenciált mutat. (A moduláris reaktorok előnye lehet a kisebb méret és a modulszerű felépítés mellett, hogy ipari területek mellé telepítve a villamos áramigény mellett az ipari hő iránti igényt is képesek kielégíteni)   Oroszországban a Lomonoszov Akadémikus úszó erőmű (két kis teljesítményű nyomottvizes reaktorral) 2019 óta termel izolált fogyasztókra; ez inkább különleges ellátási helyzetekre szabott példa.

Ezzel szemben a Belojarszk-600 (BN-600) gyakran felmerül ugyan a közbeszédben, de nem SMR: 600 MWe teljesítményű, nátriummal hűtött gyorsreaktor, amely eredendően tenyésztési profilra készült, nagy, egyedi blokk, eltérő célrendszerrel és üzemeltetési logikával. A BN-600 ezért rossz összevetés az SMR-ekkel: más fizikai közeg, más neutronenergia-spektrum, más biztonsági és gazdasági szempontok jellemzik, ugyanakkor a BN típus komoly figyelmet igényel, mert az orosz mérnökök munkája nyomán záródik az eleddig nyílt üzemanyagciklus és ezzel a hulladék kezelése szintet léphet. Ugyanígy fontos a BN reaktorcsalád esetén, hogy tenyésztőreaktor, azaz működése során az üzemanyag eleddig nem hasznosuló részét átalakítja hasadóképes üzemanyaggá.

A nyugati világ első valóban sorozatra érett SMR-referenciáját jelenleg Kanada és az USA felől várjuk (BWRX-300 és AP300), ebből Magyarország szempontjából a Westinghouse AP300 külön figyelmet érdemel. Az AP300 még nem épült meg, ez tehát „első-példány” kockázatot jelent, ugyanakkor nem zöldmezős ötlet: lényegében az AP1000 egyszerűsített, kisebb teljesítményű leszármazottja. Ez a rokonság mérnöki értelemben nagy előny, mert az alapvető berendezések és rendszerek koncepciója, a gyártási és üzemeltetési tapasztalat, valamint a hatósági dokumentáció jelentős része egy jól ismert, ma is üzemelő nagyreaktorból származtatható. Fontos tisztázni a technológiát: az AP300 vízzel hűtött és vízzel moderált nyomottvizes reaktor, nem gázhűtésű és nem nátriumhűtésű. A hőelvitel és a szabályozás fizikai alapja tehát a jól ismert könnyűvizes (egyes kanadai reaktorok nehézvizet használnak, ilyen a CANDU)  technika, amelyhez a Westinghouse a nagy testvérből ismert, passzív biztonsági rendszereket rendeli. Az AP1000 kiforrott technológiának tekinthető, 6 reaktor üzemel belőle, ebből kettő az USA-ban, négy Kínában.

1. ábra. Az AP300 sematikus robbantott ábrája. Forrás: westinghousenuclear.com

Itt jutunk el az „inherens biztonság” kérdéséhez, amelyet az energetikai vitákban gyakran kevernek a „passzív biztonsággal”. Inherensnek azokat a tulajdonságokat hívjuk, amelyek a fizika törvényei miatt a veszélyt „magától tompítják”, nem igényelnek külső beavatkozást vagy aktív eszközt: ilyen a nagy vízkészlet hőtehetetlensége; az alacsony fajlagos teljesítmény a hőfelhalmozódással szemben; a negatív visszacsatolások (például ha a hőmérséklet nő, a láncreakció természetes módon gyengül); a természetes keringés, amely szivattyú nélkül is elszállít hőt, ha van hőmérséklet-különbség. A passzív biztonság ezzel rokon, de rendszer-szinten értelmezett: olyan berendezések és folyamatok összessége, amelyek külső energia, operátori beavatkozás és aktív mozgatóelemek nélkül, önmagukban képesek a reaktormagot és a védőépületet biztonságos állapotban tartani.

Az AP300 – az AP1000 örökségét követve – mindkettőből tartalmaz elemeket. Inherens oldalról a könnyűvizes technika nagy vízvolument és negatív visszacsatolásokat ad; a reaktortartály és a primer kör kialakítása olyan, hogy hőmérséklet-emelkedés esetén a láncreakció természetes módon csillapodik, a víz sűrűségi változása pedig elősegíti a természetes cirkuláció beindulását. Passzív oldalról a döntő elemek a gravitációs víztartályok és a tartályba integrált vízkészlet, amelyek „maguktól”, a nehézségi erő segítségével juttatnak hűtővizet a maghoz; a hőelvonást a természetes áramlás viszi végbe, nem kell hozzá hálózati árammal működtetett szivattyú. A védőépület külső felületét úgy alakították ki, hogy veszteség esetén a tetejéről lefolyó víz filmként hűtse a burkolatot, miközben a felmelegedett levegő kéményeffektussal távozik – ez az egész folyamat szintén külső energia nélkül működik. A tervezés lényege, hogy előbb az inherens fizikai hatások lassítanak és stabilizálnak, majd a passzív rendszerek átveszik a hőelvonást, és csak ezek kimerülése esetén lépnének be aktív rendszerek vagy operátori intézkedések. Mérnöki szemmel ez radikálisan csökkenti az üzemzavari események valószínűségét, különösen villamosenergia-kimaradás vagy külső veszélyhelyzet esetén.

Rendszert szempontból elemezve az AP300 előnye az, hogy a kis lépték és a moduláris építés jól illeszthető változatos helyszínekhez – ipari parkok, nagyfogyasztók, magyarországi nagyvárosok esetén távhő – miközben a technológiai alap egy nagyerőművi, világszerte ismert könnyűvizes modell. A hő-áram kombinált hasznosítás különösen fontos, mert a villany-csúcsterhelések és az ipari hőigények együtt optimalizálhatók, ami a teljes rendszer hatásfokát és bevétel-stabilitását javítja. Meg kell jegyezni, hogy egy nagyerőmű esetén a hő kisebb része hasznosulhat, mert egyszerűen nincs akkora hőigény az erőmű környékén, ami képes lenne a hőt felvenni. Üzletileg ugyanakkor egyértelmű: első példányról van szó, tehát reális az ütem- és költségkockázat. A siker feltétele, hogy a nagy blokktól örökölt gyártási és üzemeltetési kompetenciát valóban átfordítsák sorozat-logikába.

2. ábra. Az AP300 rendszerben. Forrás: westinghousenuclear.com

Összegzésként: az SMR nem egyszerűen „kicsi nagyerőmű”, hanem iparrendszer-innováció, amely a gyári előkészítésre, a szabványosításra és az inherens-passzív biztonsági rétegekre építve finomabb illesztést és potenciálisan gyorsabb kivitelezést kínál. A BN-600-hoz hasonló nátriumos gyorsreaktorok más technológiai és stratégiai irányt képviselnek; a kínai HTR-PM bizonyítja, hogy kisméretű reaktor termelhet kereskedelmi üzemben; a Westinghouse AP300 pedig azért komoly jelölt, mert a jól ismert könnyűvizes iskolán, az AP1000 örökségén áll, és a biztonságot nem külön berendezésekre, hanem a fizika törvényeire és az ezeket kihasználó, energiafüggetlen rendszerekre bízza. A mi feladatunk az, hogy ezt a műszaki ígéretet fegyelmezett kockázatkezeléssel, licenc-stratégiával és beszállítói ökoszisztémával valós piaci teljesítménnyé alakítsuk.

A szerző az NKE egyetemi docence.