Czy mały atom stanowi alternatywę dla OZE? Czy w perspektywie długoterminowej ilość generowanych odpadów - chociażby jak w przypadku trudnych w recyklingu komponentów turbin wiatrowych, lub niezbędnej i wymagającej infrastruktury zarówno w kontekście przesyłu i magazynowania w przypadku paliw syntetycznych takich jak zielony wodór czy e-metanol, spowoduje, że świat się zwróci jednak ku małym reaktorom?

Od kilku lat z zainteresowaniem śledzimy losy brytyjskiego startupu Core Power. Założona w 2018 firma zyskała finansowanie i rozgłos dzięki proponowanym rozwiązaniom opartym o modułowy reaktor ze stopioną solą (Molten Salt Reactor  - MSR) do napędzania statków i dostarczania energii do produkcji niebieskich i zielonych paliw. To wyjątkowe rozwiązanie, jest coraz bliżej demonstracji i komercjalizacji - które zgodnie z harmonogramem mają się wydarzyć kolejno w 2026 i 2030 roku.

Jednym z rozwiązań proponowanych przez firmę, są pływające reaktory. Nie jest to nowe rozwiązanie, a pierwsze przykłady sięgają 1968 roku, kiedy to armia amerykańska wykorzystała pływającą elektrownię jądrową (FNPP) Sturgis w Kanale Panamskim. Obecnie istnieje tylko jeden aktywny przykład, Akademik Lomonosov, zbudowana przez Rosję pływająca elektrownia jądrowa położona u wybrzeży Pevek na Syberii, która została pomyślnie wdrożona w 2019 roku. Ten trudno dostępny region ma klimat, który jest jednocześnie zbyt surowy, aby wspierać wykorzystanie zmiennej produkcji energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych (zależnych w dużej mierze od warunków atmosferycznych) i zbyt wrażliwy, aby nadal polegać na paliwach kopalnych. Dlatego też wdrożenie pływającej elektrowni wykorzystującej małe reaktory jądrowe było najbardziej realnym i stabilnym rozwiązaniem w celu zaspokojenia potrzeb energetycznych.

Dotychczasowe wdrożenia, pomimo wykorzystania morskich reaktorów opartych na rozwiązaniu ciśnieniowo-wodnym (pressurised water  reactors - PWR), pokazują opłacalność pływającej produkcji energii jądrowej w przyszłości, zwłaszcza w miarę dalszego rozwoju zaawansowanej technologii jądrowej.

Technologia i wdrożenie

Core Power proponuje wdrożenie zespołu elektrowni FNPP, mieszczących do czterech modułów reaktorów MSR, o mocy do 1,2 GW przy wykorzystaniu czterech reaktorów i współczynniku wydajności do 95 procent. FNPP zasadniczo wykorzystywałaby koncepcję konstrukcji SPAR o średnicy kadłuba do 90 m. Reaktor i wszystkie komponenty o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa będą umieszczone w kadłubie, z dużą ilością przedziałów i przestrzeni buforowych, wzmocnionymi konstrukcjami i osłonami, aby chronić je przed kolizją i zalaniem oraz dodatkowo zmniejszyć EPZ. Reaktor i obudowa będą również znajdować się częściowo poniżej tafli wody, dając tym samym dodatkową ochronę ze wszystkich stron, umożliwiając wykorzystanie wody morskiej jako praktycznie nieskończonego końcowego radiatora.

Obiekty zostaną zbudowane w całości w stoczni i dostarczone na miejsce, które zostanie zacumowane na stosunkowo głębokiej wodzie (>100 m) na wodach krajowych lub w wyłącznej strefie ekonomicznej danego kraju. W związku z tym, każdy obiekt będzie podlegał nadzorowi organów dozoru jądrowego danego kraju. Obiekty zostaną podłączone do krajowej sieci energetycznej za pomocą podmorskich kabli przesyłowych. 

Takie wdrożenia mogłyby odegrać rolę w łagodzeniu obecnego stresu w globalnych systemach elektroenergetycznych, zapewniając jednocześnie obciążenie podstawowe i konkurencyjne cenowo źródło zrównoważonej energii elektrycznej, aby sprostać przyszłemu wzrostowi popytu. W obliczu szybkiej elektryfikacji, ten rodzaj wytwarzania energii będzie miał kluczowe znaczenie przy odchodzeniu od paliw kopalnych, zwłaszcza jeśli zmienne odnawialne źródła energii mają być z powodzeniem zintegrowane z przyszłym koszykiem energetycznym.

Gates o krok do przodu

W 2021 roku w ślad za międzynarodowym szczytem klimatycznym COP26, wspieranym przez ONZ, podjęto kolejny krok w kierunku umieszczenia reaktorów na pokładach statków handlowych.

Wtedy też Southern Company, amerykańskie przedsiębiorstwo, podpisało umowę z Departamentem Energii USA, w celu demonstracji pilotażowego projektu pierwszego na świecie reaktora MSR we współpracy z TerraPower kierowanym przez Billa Gatesa oraz Idaho National Laboratory.

Terra Power ściśle od kilku lat współpracuje z Core Power nad wdrożeniem technologii MSR do sektora żeglugi.

Wytwarzanie energii jądrowej będzie miało kluczowe znaczenie dla osiągnięcia celów dekarbonizacyjnych zarówno przez żeglugę jak i inne gałęzie przemysłu  - dostarczając niezawodną, odporną na warunki atmosferyczne i dostępną czystą energię. MCFR, nowatorska koncepcja wytwarzania energii jądrowej, jest jedną z najbardziej zaawansowanych opracowywanych technologii jądrowych IV generacji. Oferuje ona wiele korzyści użytkowych i ekonomicznych, w tym elastyczne, wysoce wydajne wytwarzanie czystej energii elektrycznej jako uzupełnienie zwiększonego wykorzystania nieciągłych źródeł odnawialnych w sieci. Technologia ta może również potencjalnie zapewnić bezemisyjne ciepło procesowe wysokiej jakości oraz jego magazynowanie dla trudnych do dekarbonizacji rynków przemysłowych.

Japończycy widzą potencjał w małym pływającym atomie

Japońskie firmy wezmą udział w projekcie prowadzonym Core Power, którego celem jest budowa pływającej elektrowni jądrowej. Około 13 firm, w tym Onomichi Dockyard i Imabari Shipbuilding, zainwestowało w ten przyszłościowy projekt około 80 milionów dolarów.

Reaktory stosowane w pływających elektrowniach jądrowych mają kilka zalet w porównaniu z konwencjonalnymi reaktorami:
1. Wpływ tsunami i trzęsień ziemi może zostać złagodzony, jeśli nie całkowicie wyeliminowany.
2. Duża ilość wody morskiej w pobliżu zapewnia "nieograniczony" radiator.
3. Niewielka strefa EPZ (<1 km) związana ze średniej wielkości reaktorem MSR pozwala na zlokalizowanie pływającej elektrowni jądrowej na morzu, z dala od siedlisk ludzkich, ale nie tak daleko, że czyni ją niepraktyczną, co skutkowałoby bardzo długim i kosztownym podwodnym kablem zasilającym lub zarządzaniem załogą.
4. Korzyści ekonomiczne wynikające z wydajności i redukcji kosztów modułowej konstrukcji.
5. Zmniejszenie złożoności i kosztów elektrowni (np. elektrownie FNPP nie wymagają rozległych i kosztownych prac budowlanych w przypadku tradycyjnych reaktorów lądowych) dodatkowo obniża koszty i skraca czas wdrożenia.
6. Oddzielenie budowy elektrowni od jej lokalizacji oznacza, że:
  a.   Budowa FNPP może rozpocząć się niezależnie od etapu licencjonowania lokalizacji, skracając czas wdrożenia, szczególnie w porównaniu z odpowiednikami lądowymi.
  b.    FNPP mogą być budowane szeregowo - nie są ograniczone przez lokalizację.
7. Elastyczność lokalizacji: Podczas gdy elektrownie o konstrukcji szkieletowej są nieruchome, elektrownie FNPP mogą być przenoszone do nowych lokalizacji w odpowiedzi na średnio- i długoterminowe zapotrzebowanie rynku. Również kluczowym aspektem jest utylizacja - ponieważ FNPP nie zostanie wycofana z eksploatacji na miejscu, ale w specjalnie zaprojektowanym i wyposażonym zakładzie likwidacyjnym. 

Japońskie firmy mają nadzieję na większe zaangażowanie w rozwój technologiczny w obszarach, w których zagraniczne firmy mają przewagę, takich jak modułowe reaktory jądrowe.

Pływające elektrownie jądrowe można teoretycznie umieścić w dowolnym miejscu na morzu, a ponieważ unoszą się na wodzie, nie będą narażone na trzęsienia ziemi. Eksperci twierdzą, że mogą one również wytrzymać tsunami, jeśli zostaną umieszczone na morzu. Wytworzona energia elektryczna może być przesyłana na ląd i wykorzystywana do produkcji wodoru i amoniaku. To rozwiązanie jest uważane za szczególnie atrakcyjne rynkowo w Japonii jako kraju wyspiarskim.

Japońskie firmy zainwestowały w Core Power, i subskrybowały przydział nowych akcji przez startup. Brytyjska firma zebrała około 100 milionów dolarów i jest obecnie w większości własnością firm z kraju kwitnącej wiśni.

Core Power opracuje pływającą elektrownię jądrową we współpracy z TerraPower z siedzibą w USA, która jest częściowo własnością założyciela Microsoftu Billa Gatesa, Southern Company z USA, firmą zajmującą się energią elektryczną i gazem oraz Orano z Francji, firmą zajmującą się jądrowym cyklem paliwowym.

Reaktory opracowane przez te cztery firmy będą reaktorami prędkimi ze stopionym chlorkiem. System ten wykorzystuje ciekłe paliwo o wysokiej temperaturze wrzenia, które może pracować pod normalnym ciśnieniem w celu generowania energii elektrycznej. Eliminuje to potrzebę stosowania urządzeń ciśnieniowych wykorzystywanych w konwencjonalnych elektrowniach jądrowych na paliwo stałe i pozwala na skalowalność elektrowni. Zmniejsza to również ryzyko wypadków, takich jak stopienie lub eksplozja.

Reaktory mają moc 300 000 kilowatów każdy, a trzy lub cztery jednostki byłyby równoważne konwencjonalnej elektrowni jądrowej, która ma około 1 miliona kilowatów.

Pływające elektrownie jądrowe nie będą wymagały specjalnej ochrony przed trzęsieniami ziemi i tsunami, a większość komponentów może być produkowana masowo w fabrykach. Szacuje się, że koszt budowy jest aż o połowę niższy w porównaniu do elektrowni zlokalizowanych na lądzie, a sam czas budowy można skrócić o 70 procent. Core Power jest również zainteresowana japońską technologią budowy statków i ma nadzieję na współpracę z tamtejszymi firmami w celu opracowania niezbędnych jednostek instalacyjnych i serwisowych dla projektu.

Japońska polityka na rzecz realizacji zielonej transformacji (GX), która została zatwierdzona przez rząd w lutym, stanowi, że kraj będzie pracować nad rozwojem i budową reaktorów jądrowych nowej generacji, w tym małych jednostek modułowych. W obliczu globalnego kryzysu energetycznego Japonia postawiła na zrównoważone wykorzystanie energii jądrowej. W rzeczywistości jednak kraj ten nie był w stanie ponownie uruchomić istniejących elektrowni jądrowych bez zgody samorządów lokalnych, w których są one zlokalizowane.

"Chcemy nadążać za najnowszymi światowymi trendami technologicznymi" - powiedział członek zarządu Onomichi Dockyard, który zdecydował się zainwestować 1 miliard jenów w Core Power.

Oczekuje się, że małe reaktory modułowe będą łatwe w użyciu w pływających elektrowniach, a japońskie firmy mają nadzieję na zdobycie specjalistycznej wiedzy poprzez udział w projekcie.

Powrót na pokład i czas na atomową żeglugę

Już w 2026 roku Core Power planuje uruchomić pierwszy statek demonstracyjny i skomercjalizować go w latach 2030-2032. Firma zamierza kontynuować budowę doświadczenia za granicą, a następnie rozszerzyć swoją działalność na terenie Japonii. Szacuje się, że jednostka demonstracyjny będzie wymagała nakładów w wysokości około 50 miliardów euro.

CZYTAJ: Kamień milowy dla małego atomu na statkach

Zarówno pływające elektrownie jądrowe jak i statki "na atom" stoją jednak przed wieloma wyzwaniami wykraczającymi poza kwestie techniczne, takimi jak tworzenie łańcuchów dostaw do masowej produkcji komponentów i wyzwania regulacyjne w krajach, w których będą działać. Japońskie firmy przyciągają uwagę ze względu na duże zapotrzebowanie na nośniki wodoru i amoniaku oraz powiązane produkty.

Inne warte uwagi projekty z zakresu atomistyki morskiej mają miejsce w Korei Południowej, gdzie największa firma stoczniowa Samsung Heavy Industries nawiązała współpracę z Korea Atomic Energy Research Institute, podczas gdy Seaborg Technologies w Danii buduje pływające barki zeroemisyjne, a Kanadyjczycy współpracują z NuScale nad rozwojem elektrowni morskich. Rosjanie natomiast już teraz mają rynek krajowy, a jako kolejny dowód swoich kompetencji w dziedzinie atomistyki morskiej przedstawiają ogromny lodołamacz nowej generacji o napędzie jądrowym. Nie można też pominąć chińskich naukowców, którzy opracowują własne technologie napędów atomowych zarówno dla statków handlowych, jak i obiektów morskich.