Kicsi a reaktor, de erős: új korszak kezdődik az atomenergiában

Ez itt az on the other hand, a portfolio vélemény rovata.

Ez itt az on the other hand, a portfolio vélemény rovata. A cikkek a szerzők véleményét tükrözik, amelyek nem feltétlenül esnek egybe a Portfolio szerkesztőségének álláspontjával. Ha hozzászólna a témához, küldje el cikkét a velemeny@portfolio.hu címre. A megjelent cikkek itt olvashatók.

Mik azok a kis moduláris reaktorok?

A kis moduláris reaktorok (angolul: small modular reactor, SMR) olyan fejlett technológián alapuló atomreaktorok, amelyek elektromos teljesítménye legfeljebb 300 MW (léteznek ugyanis 1–10 MW-os mikroreaktorok is), és alkalmasak arra, hogy alacsony szén-dioxid-kibocsátás mellett nagy mennyiségű villamos energiát termeljenek. Az SMR-ek elnevezésében a „kis” szó arra utal, hogy méretük töredéke egy hagyományos atomerőműének, a „moduláris” szó arra, hogy ezeket a rendszereket, illetve rendszerelemeiket egy gyártóüzemben összeszerelik, és egységként szállítják a telephelyre, a „reaktor” pedig nyilvánvalóan arra, hogy itt is egy, a maghasadásból származó hőenergiát hasznosító technológiáról van szó.

Melyek a technológia fejlesztésének mozgatórugói?

A kis moduláris reaktorok fejlesztésének fő célja

a kiszámítható, alacsony széndioxid-kibocsátású villamos energia előállítása.

Piaci szempontból óriási előnyük a hagyományos reaktorokhoz képest, hogy sokkal jobban tudnak alkalmazkodni az árampiaci kereslet-kínálat fluktuációihoz. Az atomerőművek teljesítményét ugyanis nehéz rugalmasan változtatni, mivel ez kedvezőtlen hatással lehet azok rendszereire, rendszerelemeire és üzemanyagára. Ráadásul azt sem lehet egyértelműen kimutatni, hogy a teljesítmény-változtatásokból származó rendszerszintű előnyök és megtakarítás tényleg nagyobbak-e, mint a fenti kockázatok megelőzésére és mérséklésére fordított kiadások.

Az SMR-eket ezzel szemben eleve a rugalmas működésre tervezik. Egyetlen telephelyen általában több egységet is üzembe helyeznek, az egyes egységek teljesítménye és leállási ütemezése pedig jobban igazítható az aktuális energiaszükségletekhez. Az amerikai NuScale 77 MW-os modelljéből például egy adott helyszínen akár tizenkét egység is elhelyezhető lesz. E rugalmas üzemmód előnye, hogy

a változékony termelésű szél- és napenergiát költséghatékonyabban lehet az energiamixbe integrálni,

ezáltal mérsékelhető lesz a megújulók előretörése miatt jelentkező negatív áramárak gyakorisága és súlyossága.

Az SMR-ek másik fontos előnye, hogy nem csupán a már meglévő hálózatokba integrálhatóak, hanem olyan elszigetelt területekre is telepíthetőek, ahol nincs elegendő átviteli hálózati kapacitás, így olyan régiók is hasznosíthatják, amelyekben nincs más, tiszta, megbízható és megfizethető energiaforrás. Az általában 10 vagy 20 MW alatti teljesítményű, úgynevezett mikroreaktorok helyigénye még a többi megoldásnál is kisebb, és fontos funkciójuk, hogy vészhelyzeti tartalék-áramellátást szolgáltathatnak, ezáltal pedig még a dízelgenerátorokat is ki tudják váltani.

Az egyik legígéretesebb fejlesztési irány a hálózaton kívüli hő- és energiatermelés. Ennek köszönhetően az SMR-ek akár távoli régiókban – például a hálózati infrastruktúrán kívül eső bányákban – is helyettesíteni tudnák a dízelgenerátorokat. A kis moduláris reaktorok emellett alternatívát kínálhatnak a fosszilis üzemanyagok kiváltására a központi fűtés területén és a nehéziparban.

Az SMR-eket az úgynevezett kapcsolt energiatermelésben – vagyis amikor egyazon technológiai folyamat keretében történik a hő- és a villamos energia előállítása – is hasznosítani lehet. Erre példa a műtrágyaiparban az ammónia- és a káliumgyártás. Az SMR-ek az energiaforrásként, üzemanyagként és ipari alapanyagként is használható hidrogén termelésére is alkalmasak lehetnek, sőt a tengervíz sótalanítására is megoldást kínálnak.

Elterjedésüket az is elősegítheti, hogy olyan helyszínekre is telepíthetőek, ahol már van valamilyen infrastruktúra. Az Egyesült Államok energiaügyi minisztériuma (Department of Energy, DoE) egy 2022-es tanulmányában több száz olyan bezárt vagy még üzemelő széntüzelésű erőművet azonosított az országban, amelyek telephelye fejlett atomreaktorok befogadására is alkalmas lenne. A meglévő ingatlanok és épületek, illetve a már kiépített hálózati csatlakozás és egyéb infrastruktúra használata révén akár 15-35%-kal is csökkenhet az új reaktorok építésének tőkeköltsége. További előny lehet, hogy ezáltal meg lehetne tartani a helyi munkahelyeket, illetve újakat lehetne létrehozni, valamint az üvegházhatású gázok kibocsátását is csökkenteni lehetne.

Kik a főszereplők?

SMR-ek jelenleg csak Kínában és Oroszországban üzemelnek, illetve van még egy tesztreaktor Japánban is. Ám a világ többi részén – például Argentínában, Dél-Koreában, az Egyesült Államokban, az Egyesült Királyságban, Franciaországban és Svédországban – is terveznek vagy építenek ilyen létesítményeket, a technológia igazi felfutása pedig az előrejelzések szerint a 2030-as évektől várható majd. Az Egyesült Államokban például egy piacvezető nukleáris ipari csoport által 2022-ben végzett felmérés szerint az ország vállalatai a következő években háromszáz kisreaktor építését tervezik.

A Nemzetközi Atomenergia-ügynökség adatbázisa szerint több mint 80 SMR-design és koncepció létezik:

• Ezek egy része a világon már üzemelő vízhűtésű reaktorok továbbfejlesztett változata. Ennek a megoldásnak az előnyét a jelenlegi reaktorflotta üzemeltetéséből származó több évtizedes tapasztalat jelenti.
• Számos SMR viszont már az úgynevezett negyedik generációs technológiát képviseli, ezért a környezeti fenntarthatóság célkitűzését szem előtt tartva kedvezőbb üzemanyagciklussal rendelkezik, jobb hűtési megoldásokat alkalmaz, és fokozottabb biztonságot nyújt.
• Léteznek magas hőmérsékletű, gázhűtésű reaktordesignok (High-temperature gas-cooled reactor, HTGR), amelyeket elsősorban a kapcsolt energiatermelésre és különböző ipari igények kiszolgálására lehetne felhasználni.
• Ígéretes iránynak tűnnek a sóolvadékos reaktorok, amelyek kedvező tulajdonsága, hogy üzemelésük során a hagyományos atomerőművekhez képest kevesebb radioaktív hulladékot termelnek.
• Az úgynevezett „gyorsreaktorokat” (például az ólomhűtésű reaktorokat) fejlett hűtési rendszerrel látják el. A típus tagjai emellett „tenyésztőreaktorként” akár hasadóanyagot is elő tudnak állítani, így lehetővé teszik az erőforrások hatékonyabb felhasználását.

A nukleáris technológia terén piacvezető Oroszország az SMR-piac teljes szegmensét is lefedi. Fejlesztéseiket a bel- és a külpiacokon egyaránt tervezik értékesíteni. Az orosz nukleáris portfólióban szerepelnek azok a már jégtörő hajókon is üzemelő RITM-sorozatú reaktorok, amelyek szárazföldi telepítésre és a tengervíz sótalanítására is alkalmasak. A kisebb (10 MW) teljesítményű Shelf-M mikroreaktor a decentralizált energiaellátású távoli területek és ipari létesítmények számára biztosíthat energiát. A IV. generációs SVBR-100 ólom-bizmut hűtésű gyorsreaktor újrahasznosított MOX-üzemanyaggal (mixed oxide fuel) képes üzemelni. Ez azt jelenti, hogy

a reaktor a saját maga által termelt hasadóanyagot használja fel újra, és így lényegében önfenntartóvá válik.

A versenytárs Kína is intenzíven növeli a nukleáris kutatás-fejlesztésre szánt összegeket. Ezt jól mutatja, hogy 2023-ban a nukleáris K+F befektetések terén 22 listavezető vállalatból hét kínai volt. A kínaiak által fejlesztett 250 MW-os HTR-PM (magas hőmérsékletű, hélium-gázhűtésű) kis moduláris reaktor előnye, hogy villamos energia mellett magas hőmérsékletű gőzt is elő tud állítani, ezáltal pedig a vegyiparban kiválthatja a fölgázt és a szenet. Egy másik kínai fejlesztés a már „bevett” könnyűvizes technológián alapuló ACP100 reaktor. Ez elkészülte után évi 1 milliárd kWh villamos energiát állít majd elő, vagyis nagyjából 526 ezer háztartást tud majd ellátni. A reaktort villamosenergia- és gőztermelésre, fűtésre, vagy a tengervíz sótalanítására tervezték.

Az ACP-100 reaktorhoz hasonlóan a folyamatban lévő nyugati fejlesztések közül több a már most is üzemelő könnyűvizes (forralóvizes vagy nyomottvizes) reaktorok kicsinyített verziója lesz. Ilyenek például az Egyesült Államokban a NuScale, a Westinghouse és a Holtec International designjai. Közülük a legelőrehaladottabb állapotban a NuScale reaktora van, ez ugyanis az USA nukleáris hatóságától már megkapta a designengedélyt (design certification), vagyis a reaktor kialakítása megfelel a vonatkozó biztonsági, védettségi, környezetvédelmi és egyéb követelményeknek, s így nincs akadálya annak, hogy kereskedelmi forgalomba kerüljön (a konkrét létesítést megelőzően viszont igazolni kell, hogy valóban biztonságosan felépíthető a kiválasztott telephelyen).

A NuScale projektje azonban több tervezési, hatósági és pénzügyi nehézséggel is szembesült. Ez egyfelől óvatosságra int a technológia iránti túlzott lelkesedés tekintetében, másfelől pedig arra hívja fel a figyelmet, hogy a nukleáris beruházások összetettsége miatt a megfelelő kockázatkezelési mechanizmus kialakítása is elengedhetetlen része a projektek végső sikerének.

Az európai nagyvállalatok közül a brit Rolls Royce, valamint a nagy nukleáris múlttal rendelkező francia EDF és az olasz Ansaldo is dolgoznak SMR-eken. Emellett vannak kisebb, innovatív cégek is, amelyek az elmúlt években jöttek létre az új technológia fejlesztésére. Ilyen például az olasz–francia Newcleo, amelynek projektjei egy negyedik generációs folyékonyólom-hűtésű reaktor, valamint újrahasznosított nukleáris üzemanyag előállítását célozzák.

A Newcleóval együttműködő svéd Blykalla szintén ólomhűtésű, passzív biztonsági rendszerrel üzemelő 55 MW-os kisreaktorának (SEALER-55) prototípusát a tervek szerint idén helyezik majd üzembe. A modell előnye, hogy élettartama alatt nem szükséges benne üzemanyagot cserélni, és emiatt alkalmazása a hagyományos reaktorokhoz képest jelentősen csökkenti az üzemanyag-kezelésével kapcsolatos költségeket. A francia Framatome ugyancsak egy új generációs, magas hőmérsékletű, gázhűtésű reaktort fejleszt. Lengyelországban tervben van egy GE Hitachi BWRX-300 (forralóvizes) reaktorokból álló flotta építése, amelynek kivitelezője a lengyel Orlen Synthos Green Energy konzorcium. Romániában a NuScale építhet kisreaktorokat, míg Csehország a Rolls Royce-t választotta potenciális SMR-beszállítójának.

A fő kérdés: a biztonság

Az atomerőművekkel szemben támasztott legfontosabb elvárás a biztonság, tehát az, hogy a balesetek megelőzhetőek legyenek, a kockázatokat pedig minimálisra lehessen csökkenteni. Az SMR-ek ebben a tekintetben is új fejezetet nyithatnak az atomenergia felhasználásának történetében. Felépítésük ugyanis a hagyományos reaktorokhoz képest egyszerűbb, és úgynevezett passzív biztonsági rendszer működik bennük. Ez azt jelenti, hogy

a normálistól eltérő körülmények vagy üzemzavar esetén nincs szükség emberi beavatkozásra a leállításukhoz.

Ehelyett az üzemzavarok és balesetek lehetőségét, illetve következményeit olyan egyszerű fizikai jelenségekre támaszkodva tudják csökkenteni, mint a gravitáció vagy a természetes hővezetés. Baleset esetén a passzív rendszerek ráadásul megakadályozzák vagy jelentősen mérséklik a környezetbe jutó radioaktív szennyeződést is.

Bár az egyes országok nukleáris biztonsági keretrendszere nemzetközi kötelezettségeken és sztenderdeken, illetve az Európai Unió tagállamai esetében kötelező előírásokon alapul, az engedélyezési folyamatokban nemzeti szinten jelentős eltérések vannak. Éppen ezért az SMR-ek nagyarányú elterjedése szempontjából az egyik legfontosabb feltételt ezeknek a folyamatoknak a felgyorsítása és „áramvonalasítása” jelenti. Egyes designok (a magas hőmérsékletű, gázhűtésű reaktorok) esetében például még nem is léteznek üzemeltetési és biztonsági követelmények.

A gyártási folyamatok terén pedig a sikeres piacra lépéshez, a sorozatgyártás megkezdéséhez és a nukleáris projekteket jellemző késések elkerüléséhez elengedhetetlen az SMR-ek rendszerelemeinek szabványosítása. Jelenleg több nemzetközi szervezet és platform is dolgozik már e kérdések multinacionális megoldásán – sikerüktől nagymértékben függ az SMR-ek globális elterjedése.

Mi a helyzet az üzemanyaggal?

Az SMR-ek kedvező tulajdonsága, hogy a hagyományos reaktorokhoz képest kisebb az üzemanyagigényük. Míg ugyanis az előbbiek esetében évente egy-két alkalommal cserélni kell a kiégett fűtőelemeket, az SMR-ek esetében erre csak három-hét évenként lesz szükség, sőt – mint láttuk – néhány típus akár élettartama végéig is elüzemel üzemanyagcsere nélkül.

Mindez jelentősen csökkentheti az üzemeltetési költségeiket.

A kis moduláris reaktorok egy jelentős hányadának üzemanyagához kismértékben magasabb dúsítású uránra szükség lesz, mint amilyet a hagyományos atomerőművek üzemanyaga tartalmaz. Az ilyen, magas koncentrációjú alacsony dúsítású uránt (szaknéven: High-Assay Low-Enriched Uranium, HALEU) azonban jelenleg Oroszországot kivéve sehol a világon nem tudják előállítani kereskedelmi mennyiségben. Igaz ez az európai kontinensre is, ahol pedig a legnagyobb vállalatok világszínvonalú kapacitásokkal rendelkeznek az urándúsítás területén. A mostani 6%-os dúsítási képességükhöz használt technológiát azonban akár öt éven belül el tudnák juttatni oda, hogy HALEU-t állításanak elő. Az SMR-ek megjelenése tehát fontos próbatételt jelenthet a globális üzemanyagpiacnak, ugyanakkor új fejlesztési irányt is teremthet az európai nukleáris szektor és az üzemanyagyártók számára.

Piaci kilátások

Pénzügyi szempontból a hagyományos atomerőművek létesítésével kapcsolatos legnagyobb nehézséget a magas beruházási költség jelenti, így ezeket a projekteket nehéz piaci alapon, állami támogatás nélkül megvalósítani. Az elmúlt évek új telepítései ráadásul rendre átlépték az előre megszabott költségkeretet. Az SMR-eket viszont sorozatgyártásra tervezik, ezért a fejlesztő cégek igyekeznek a nemzetközi szintű szabványosítás irányába haladni, ettől ugyanis azt remélik, hogy az engedélyezési folyamatok gyorsabbak, a költségek pedig alacsonyabbak lesznek. A kis reaktorok a rövidebb – mindössze két-három évig tartó – építési idő miatt is olcsóbbak és vonzóbbak lehetnek, mint a nagyobb típusok, hiszen ez utóbbiak esetében a létesítés átlagosan hat-nyolc évet vesz igénybe, Európában pedig 12-14 évnyi késedelemre is volt már példa.

A kis moduláris reaktorok megjelenése új lehetőségeket hordoz a magánpiaci befektetők számára

- mivel megdöntheti azt a paradigmát, amely szerint a nukleáris alapú villamosenergia-termelés csak állami irányítású, centralizált, nagy rendszerekben működhet hatékonyan. Emellett olyan piaci szegmensek (például adatbankok) szükségleteit is ki tudja elégíteni, amelyre a hagyományos atomerőművek nem lennének képesek. Bár az SMR-ek prototípusai (first-of-a-kind, FOAK) esetében a tőkeköltség a „klasszikus” erőművekéhez hasonlóan magas lesz, a villamos teljesítmény viszont kisebb, a későbbiekben ezt a kedvezőtlen arányt a már kereskedelmi forgalomban lévő, érett designok (nth-of-a-kind, NOAK) esetében a standardizáció, a sorozatgyártás és a rövidebb építési időtartam kompenzálhatja, s emiatt a tőkeköltség mellett az élettartamra vonatkoztatott fajlagos energiaköltség is csökkenhet.

A magánszektor részvétele szempontjából mind az SMR-ekről, mind a hagyományos, nagyobb létesítményekről elmondható, hogy amint a design eléri a megfelelő érettséget, és lecsökkennek a hozzá fűződő kockázatok, a befektetők is fokozottabb hajlandóságot mutathatnak a projektek finanszírozására.

A jelenlegi trendek alapján adatközpontjaik, illetve szerverparkjaik energiaéhsége miatt a nemzetközi óriásvállalatok figyelme egyre inkább az atomenergia felé fordul, az új fejlesztések számára pedig ez is segíthet kedvező beruházási környezetet teremteni. 2024-ben például a Google bejelentette, hogy jövőbeli működése során a Kairos Power nevű startup által fejlesztett kis moduláris reaktorokban termelt energiát is felhasználná. A vállalat első reaktorai 2030-ra várhatóak. Az Amazon pedig a hírek szerint egy másik induló vállalkozásba, az X-Energybe kíván befektetni. Az atomenergia a Microsoft figyelmét is felkeltette, bár a cég egyelőre a hagyományos atomerőművek irányába lépett, mivel a Constellation Energy nevű vállalattal tavaly ősszel arról egyezett meg, hogy újraindítják a Three Mile Island-i telephely egyik korábban leállított reaktorát.

Az új reaktortípusok és az informatikai fejlesztések közötti kapcsolat azonban nem egyoldalú. Az SMR-ek is kiaknázhatják ugyanis a mesterséges intelligencia fejlődésében rejlő lehetőségeket. Az ipari alkalmazásokban már ismert az úgynevezett „digitális iker” (digital twin) fogalma; ennek létrehozása révén modellezhető egy jövőbeli termék viselkedése. Ugyanezt az atomreaktorok esetében is meg lehet tenni: virtuális hasonmásukat megalkotva fel lehet mérni, hogy különböző forgatókönyvek esetén az atomerőmű hogyan viselkedne, ez pedig hatékonyan segítheti a rendszerterhelést követő rugalmas üzemeltetést, a segítségével kiszámítható egy-egy alkatrész karbantartásáig hátralévő idő, és sőt az üzemeltető időben értesülhet bizonyos rendszerelemek cseréjének szükségességéről is.

A NAAREA nevű francia SMR-fejlesztő tavaly jelentette be, hogy a Dassault Systèmes 3DX platformján olyan „digitális ikerreaktort” hoz létre, amely az erőműre vonatkozó összes adatot tartalmazza, és ezt a projekt teljes életciklusa során – a tervezéstől az üzemeltetésen át az újrafeldolgozásig – felhasználják majd. Az ilyen „okosfunkciók” révén az atomerőművek működtetésében a preventív helyett a prediktív paradigma válhat uralkodóvá, és ez jelentősen csökkentheti az üzemeltetés költségeit.

A kis moduláris reaktorok használatával járó előnyökből azok az országok profitálhatnak majd a leggyorsabban, amelyek már rendelkeznek fejlett nukleáris iparral, illetve az azt kiszolgáló helyi ellátási lánccal. Kanada például nagyívű tervekkel rendelkezik az SMR-ek fejlesztése terén, és egyes becslések szerint öt darab 300 MW teljesítményű reaktor létesítése akár 17 milliárd kanadai dollár értékű (körülbelül 0,5%-os) GDP-növekedést is eredményezhet az ország számára. A technológia a nukleáris infrastruktúrájukat most kiépítő országok számára is vonzó; Üzbegisztán orosz közreműködéssel hat kisreaktort tervez építeni. Az afrikai országok közül Ghána tavaly írt alá megállapodást az amerikai Regnum Technology Grouppal egy NuScale VOYGR-12 kisreaktor létesítéséről. Ha az amerikaiak belépnek az afrikai piacra, akkor az más potenciális SMR-exportőrök, így Oroszország és Kína e téren tett erőfeszítéseit is felgyorsíthatja.

Mire van szükség az SMR-ek sikeréhez?

Mint utaltunk rá, a múltban az atomerőmű-beruházások jelentős állami szerepvállalás mellett, korlátozott magánbefektetői részvétellel valósultak meg.

A nukleáris projektek sikeréhez továbbra is elengedhetetlen a megfelelő kormányzati támogatás és a szakpolitikai keretrendszer,

hiszen egy új technológia életképességének demonstrálása és a „designérettség” elérése magas kockázattal jár, jelentős forrásokat igényel, és éveket vesz igénybe. Az SMR-ek esetében viszont a magánszektor szereplőinek részvételét nemcsak a tőkebevonás miatt érdemes ösztönözni, hanem azért is, mert ezáltal támaszkodni lehet e szereplőknek az ösztönzőkkel, nagyberuházásokkal és költségcsökkentési módszerekkel kapcsolatos tapasztalataira, továbbá közreműködésük a nukleáris projektek társadalmi támogatottságát is növelheti.

A nemzeti nukleáris biztonsági hatóságoknak és szakértőiknek fel kell készülniük arra, hogy az eddigitől jelentősen különböző, új, fejlett technológiák és designok esetében kell megállapítaniuk, hogy azok megfelelnek-e a biztonsági, védettségi, környezetvédelmi és egyéb követelményeknek. A mesterséges intelligencia integrációjával összefüggésben külön kihívást jelent a kiberbiztonság, illetve ezeknek a magas kockázatú létesítmények a rosszindulatú beavatkozásokkal szembeni védelme.

Mindezek mellett a kisreaktorok iránt a társadalom bizalmát is meg kell nyerni, és az atomenergiával szembeni előítéleteket megcáfolva hangsúlyozni kell, hogy az ilyen reaktorok üzemeltetése biztonságos, szerepük pedig fontos a stabil energiaellátásban. Eközben nemzetközi szinten folytatni kell az együttműködést az engedélyezési folyamatok „áramvonalasítása”, a szabványosítás és a sikeres piaci értékesítés érdekében. A multinacionális megoldások keresésének a fűtőelemek gyártásától a radioaktív hulladékok kezeléséig a teljes üzemanyagciklusra ki kell terjednie.

Az atomenergia megítélése az elmúlt évtizedekben nem alakult túl kedvezően. Ez elsősorban a csernobili és a fukusimai katasztrófának, emellett pedig az induló projektek magas költségeinek és hosszú építési idejének volt tulajdonítható. A nukleáris iparág emiatt gyakran szembesült a társadalom bizalmának hiányával, ráadásul a magas pénzügyi kockázatok miatt a befektetők számára sem volt vonzó. Az SMR-ek viszont biztonságos üzemeltetésüknek, kompakt méretüknek, gyors telepíthetőségüknek és alacsonyabb költségeiknek köszönhetően segíthetnek eloszlatni a hagyományos atomerőművekkel kapcsolatos aggályokat, és új perspektívát nyithatnak az iparág számára. A technológia a mellette döntő országokban hozzájárulhat az stabil és alacsony szén-dioxid-kibocsátású villamosenergia-ellátáshoz, elősegítheti az ipari fejlődést, és új munkahelyeket teremthet.

A címlapkép illusztráció. Címlapkép forrása: Getty Images