A megújuló energiaforrások csak újfajta atomerőművekkel együtt menthetik meg a Földet

A politikusokat tényekkel kell szembesíteni. A tudomány tényeket gyárt. Segíts minél többet publikálni belőlük!

Az, hogy energiatermelési célra kisméretű reaktorokat is lehet alkalmazni, nem új ötlet, már a múlt század második felének közepén is felmerült ilyesmi. Bár akkor még elsősorban az volt a cél, hogy távol eső, elszigetelt területeken, például Kanada északi területein vagy óceáni szigeteken  alkalmazzák őket, végül – elsősorban gazdasági okokból – lényegében sehol sem valósult meg az elképzelés, egészen a legutóbbi időkig, amikor Szibéria északkeleti partján Oroszország üzembe helyezte az első úszó atomerőművét. Az ilyen speciális és marginális alkalmazási lehetőségekkel bíró megoldásoknak azonban nincs jelentősége a világ energiatermelése és a klímavédelem szemszögéből.

Az elmúlt évtizedben viszont számos olyan tervet dolgoztak ki, amelyek alapvetően megváltoztathatják az atomenergiához való viszonyunkat, és az atomenergia alkalmazásának egyfajta reneszánszát hozhatják el – ezek az úgynevezett kisméretű moduláris reaktorok (Small Modular Reactor, azaz SMR). 

Az ilyen tervek legfőbb közös jellemzői az alábbiak:

  • több, egyenként viszonylag kis teljesítményű reaktoregységből, modulokból épülnek fel;
  • az egyes modulok függetlenül szabályozhatók;
  • a modulok egymás mellé helyezésével a nagyerőművekkel azonos teljesítményű rendszer építhető fel;
  • az egyes modulok gyári, ipari körülmények között gyárthatók, és minimális helyi szerelés után üzembe helyezhetők;
  • a reaktormodulok passzív biztonsági tulajdonságokkal bírnak, azaz bármilyen üzemzavar, baleset esetén emberi beavatkozás és külső energiaigény nélkül is a környezet szempontjából biztonságos állapotban maradnak;
  • a területigényük és a környezetre gyakorolt lábnyomuk – egységnyi teljesítményre viszonyítva is – kisebb, mint a hagyományos, nagyerőművi blokkoké.

Több országban számos különböző vagy részben hasonló terv áll rendelkezésre. Ezek különböző készültségi fokon állnak: vannak reaktorok, amelyek már üzemelnek vagy már épülnek; vannak, amelyekre már részletes tervek készültek, és legalább egy ország hatósága már típusengedélyt adott rájuk, vagy jelenleg is vizsgálja a beadott dokumentációt; és vannak, amelyek még a tervezés korai fázisában, a koncepcióterv vagy az alapterv készítésénél tartanak. A legkorábbi alkalmazás és elterjedés azoktól a tervektől várható, amelyek alapvetően a működő erőművek tervein alapulnak, de az azokból nyert tapasztalatok eredményeként lényeges egyszerűsítéseket és egyben a biztonságot fokozó megoldásokat alkalmaznak.

Az SMR-ek típusai és biztonsági jellemzői

Mielőtt a biztonsági jellemzőkre rátérnénk, röviden meg kell ismerkednünk az SMR-ek fő típusaival. E tekintetben négy kategóriát különböztetünk meg: 

A fenti kategóriák a világon jelenleg működő és a tervezett erőműveket is nagyrészt lefedik, a kivételeket csak a hírhedt csernobili típus (RBMK) és a brit gázhűtéses reaktorok képezik. A működő 442 atomerőmű közül 413 a vízhűtéses-vízmoderátoros kategóriába tartozik, amelyek közül 342 nyomottvizes típusú (a jelenlegi paksi blokkok és a tervezett újak is ilyenek). Ezekről nagyon sok tapasztalatot gyűjtöttek már, és a biztonsági mutatóik is nagyon kedvezők. A második kategóriába tartozó erőművekből jelenleg csak Oroszországban és Kínában működik három, de korábban számos más ország végzett kísérleteket ilyen reaktorokkal, az Egyesült Államoktól Franciaországon át Indiáig. A harmadik kategória prototípusai már korábban üzemeltek Németországban vagy az USA-ban is, de jelenleg csak a közelmúltban üzembe helyezett kínai prototípus működik. Az utolsó kategória ugyan nagyon ígéretes, de jelenleg csak Kínában épül egy demonstrációs prototípus. A 2–4. kategóriák mindegyikének nehézsége anyagtechnológiai természetű, de a problémák megoldódni látszanak. 

Az első igazán moduláris kiserőművek minden valószínűség szerint a nyomottvizes kategóriába tartoznak majd, hiszen az USA nukleáris hatósága (NRC) 2020-ban kiadta az első ilyen erőműre a típusengedélyt, amelynek bírtokában lényegében már csak a telephelyet kell engedélyeztetni annak érdekében, hogy az erőmű létesítése megindulhasson. Ezt a típust a NuScale nevű cég fejlesztette ki az USA-ban, és ezen keresztül mutatjuk be az első kategóriába eső SMR-ek legfontosabb biztonsági tulajdonságait.

Az alábbi ábrán látható, hogy – ellentétben a nagy reaktorokkal – itt a reaktor és a hozzá kapcsolódó főberendezések egyetlen egységet alkotnak.

Az ilyen modulok legfontosabb tulajdonsága az, hogy nem tartalmaznak semmilyen aktív elemet (sem szivattyút, sem motoros szelepet), tehát a működtetésükhöz nincs szükség elektromos energiára. Mind a normál üzemi hőátadás, mind az üzemzavari vagy baleseti hőelvonás passzív módon, természetes cirkulációval valósul meg.

Egy ilyen modulokat tartalmazó erőmű metszeti képe látszik az alábbi ábrán.

Forrás: NuScale

Mint látható, ezek a modulok a földfelszín alatt, egy hatalmas medencében helyezkednek el. A metszeti képen a medence fele látható, amelyben 6 modul számára van hely, és 3 modul van beépítve – a tervek 12 modul elhelyezését teszik lehetővé. Az erőmű már akkor elkezdhet áramot termelni, amint az első modult beépítették és elindították. Az a megoldás, hogy a modulok egy hatalmas vízmedencébe merülnek, lehetővé teszi, hogy bármilyen műszaki probléma is lép fel valamelyik modulban, a medence vize hosszú időn át (akár 30 napig) mindenféle emberi beavatkozás, elektromos energiaigény nélkül biztosítja a szükséges hőelvonást.

Ez a biztonsági megoldás lényegesen eltér a mai atomerőművek biztonsági rendszereitől. Az atomerőművek esetén ugyanis a legfontosabb biztonsági kihívást a leállítás után fennmaradó, fékezhetetlen maradványhő elvonása jelenti. A hagyományos atomerőműveknél a maradványhő elszállítása szivattyúkkal történik, amelyek működéséhez villamos energia szükséges. Arra az esetre, ha az országos hálózat valamiért nem állna rendelkezésre, ezt az energiát biztonsági dízelgenerátorok szolgáltatják. A fukusimai zónaolvadásos balesetet éppen ezeknek a generátoroknak a nem megfelelő tervezése, elhelyezése okozta.

Azáltal, hogy az SMR-ek többségénél nincs szükség aktív biztonsági rendszerekre, a berendezés egyszerre válik egyszerűbbé és biztonságosabbá – ráadásul még olcsóbbá is.

A 2–4. kategóriába tartozó SMR-ek, illetve SMR-tervek esetében is az jellemző, hogy az üzemzavari és baleseti biztonsági hűtőrendszerek passzív módon működnek, nem igényelnek energiaellátást. A gázhűtéses, magas hőmérsékletű reaktorok üzemanyaga olyan, hogy eleve nem tud megolvadni, a sóolvadékos megoldások esetében pedig eleve olvadt állapotban van az üzemanyag, és minden rendszer ennek megfelelően van megtervezve. Mivel mindkét kategória magas hőmérsékleten működik, a passzív léghűtés már biztosítja a keletkező hő elszállítását.

Gazdaságosság

Ezek a megoldások lényegében mindegyik SMR tervezője szerint legalább annyira gazdaságosak, mint a nagy atomerőművek, de számos olyan kutatást is végeztek, amelyek eredményei alapján a kis moduláris reaktorok lényegesen gazdaságosabbak is lehetnek. Ez utóbbi helyzet azért állhat elő, mert 

  • az egyszerűsített és integrált megoldások miatt lényegesen kevesebb berendezésre van szükség;
  • a berendezések, modulok sorozatgyárthatók ipari körülmények között, és a viszonylag kis méretük miatt egészben szállíthatók a helyszínre;
  • a moduláris megoldás lehetővé teszi a fokozatos üzembevételt, ezáltal az erőmű létesítéséhez szükséges befektetések sokkal hamarabb megtérülnek, minimalizálva a kamatterheket.

Több nemzetközi és elfogulatlan vizsgálat is indult a gazdaságossági kérdések tisztázására, ezek között talán a legfontosabb a bécsi Nemzetközi Atomenergia-ügynökség (IAEA) projektje.

A NuScale egy SMR-erőmű-komplexumának terveForrás: NuScale

Hulladékkezelés

Az atomerőművek legnagyobb problémája sokak szerint az, hogy a kiégett fűtőelemeket (mint nagy aktivitású radioaktív hulladékot) beláthatatlan ideig kell tárolni, azaz biztonságosan eltemetni. Azt a megoldást, hogy az uránt kibányásszák, dúsítják, fűtőelemeket gyártanak belőle, kivesznek belőle annyi energiát, amennyit így lehet, majd a kiégett üzemanyagot eltemetik, „nyílt üzemanyagciklusnak” nevezik. Ennek a megoldásnak a hosszú életű radioaktív anyagok felhasználásán túl az a problémája, hogy a kibányászott uránból elvileg kivehető energiának csak néhány százalékát használja fel, a többi a hulladékba kerül. 

„Zárt üzemanyagciklust” ma is alkalmaznak több országban – ez azt a megoldást takarja, hogy a kiégett üzemanyagot kémiailag szétválasztják úgy, hogy eltávolítják belőle azokat az anyagokat, amelyek gátolják az urán hasadását. Az energiatermelésre alkalmas anyagokból újra fűtőelemeket gyártanak, és azokat tovább „égetik” atomerőművekben. Ezzel a módszerrel leginkább az a baj, hogy a jelenlegi uránbányászati árak mellett nem igazán gazdaságos.

A negyedik SMR-kategóriába eső sóolvadékos reaktoroknak egy speciális típusa erre a gazdaságossági problémára is megoldást kínál, mivel a tervezők szerint lényegesen olcsóbb a ma alkalmazott módszereknél. Ez a reaktor az úgynevezett Wasteburner, azaz hulladékégető. Egy ilyen erőmű amellett, hogy energiát termel, fokozatosan „el is égeti” a hagyományos atomerőművekkel korábban megtermelt „hulladékot”. Az ily módon kezelt kiégett üzemanyag 80–90 százalékkal kevesebb hosszú felezési idejű radioaktív anyagot tartalmaz, így lényegesen könnyebbé válik azok hosszú távú, biztonságos eltárolása. Ésszerű módon addig kell biztosítani az eltemetett radioaktív anyagok biztonságát, amíg azok radioaktivitása lényegesen túllépi a természetben egyébként is jelen lévő radioaktív anyagok (például az uránérc) aktivitását. Mivel a radioaktivitás magától, folyamatosan csökken, az így kezelt hulladék esetén elérhető, hogy nagyjából 1000 év után a tárolt anyag aktivitása összemérhető legyen egy átlagos uránérc aktivitásával. Ilyen időtávon viszont nem jelent komoly kihívást a biztonságos tárolás. A nyílt üzemanyagciklusból származó kiégett üzemanyag esetében ez körülbelül 100 000 év alatt lenne elérhető.

Klímavédelem

A tavaly megrendezett glasgow-i klímacsúcson (COP26) elhatározott célok eléréséhez ma már az országok jelentős része szerint nélkülözhetetlen az atomenergia felhasználásának lényeges bővítése is a megújuló energiaforrások mellett. Ezt azonban erősen gátolja, hogy a nagyméretű, hagyományos erőművek létesítése igen lassú, és a befektetés csak nagyon lassan térül meg. Könnyű belátni, hogy lényeges gyorsításra adna lehetőséget, ha elterjednének az SMR-ek. Úgy tűnik, hogy erre a technikai lehetőség már rendelkezésre áll, csak megfelelő politikai elhatározásra van szükség – és számos jel mutat arra, hogy ennek van is realitása. A politikai támogatás a legutóbbi időszakban az Európai Unióban is jelentősen növekedni látszik, hiszen nagyon valószínű, hogy hamarosan elfogadják azt a javaslatot, amely az atomenergiát és a földgázt is olyan fenntartható energiaforrásként ismeri el, amely jelentős szerepet vállalhat a szén-dioxid-kibocsátás csökkentésében.

Az atomenergia támogatásának nagy ellenzője Európában Németország, ennek azonban minden bizonnyal az az oka, hogy több mint egy évtizeddel ezelőtt az akkori elit politikai tőkét kovácsolt az antinukleáris mozgalomból, így jelenleg nem tud kilépni ebből a csapdahelyzetnek látszó pozícióból. Ezzel összhangban az SMR-ekről alkotott szkeptikus vélemények rendre német forrásokból származnak. A másik oldalon Franciaország áll, mint az atomenergia további, sőt növekvő támogatásának legerősebb támogatója, a kis moduláris reaktorokat is ideértve – a francia SMR-tervek szintén a nyomottvizes erőművek tapasztalatain alapulnak. 

A COP26-on elhangzott egyik előadásból az derült ki, hogy elvben el lehet érni a 2050-re kitűzött klímavédelmi célokat csupán a kiszámíthatatlan megújuló energiaforrásokra alapozva is (ez a német modell), de az elfogadhatatlanul magas költségekkel járna. A jelenlegi technológia alapján az egyetlen finanszírozható, tehát járható út az, ha a nukleáris és a megújuló energia termelését kiegyensúlyozottan, együtt fejlesztjük – ezt érzékeltetik az alábbi ábrák.

Az SMR-ek klímavédelmi hasznosságára további érv, hogy ezek az eszközök könnyen alkalmazhatók úgy, hogy a megújuló források változó termeléséhez alkalmazkodjanak, és az igényeknek megfelelően egyenlítsék ki az áramtermelést, míg a villamos hálózat által éppen nem igényelt energiamennyiséget hidrogéntermelésre vagy tengervíz-sótalanításra is tudják fordítani – várhatóan mindkettőre egyre nagyobb igény lesz.

Számos mérvadó szakértő szerint tehát a 2050-es klímacélok reálisan nem érhetők el gazdasági összeomlás nélkül, csak akkor, ha a megújuló energiaforrások mellett fokozott mértékben használjuk ki az atomenergiát, ez viszont a rendelkezésre álló időtávon csak az SMR-ek jelentős arányú felfuttatásával valósítható meg.

A szerző az Országos Atomenergia Hivatal nyugdíjas főtanácsadója, jelenleg független nukleáris biztonsági szakértő.

A Qubit szerkesztősége azért dolgozik, hogy a magyar nyilvánosság hiteles, alapos és közérthető tudományos ismeretekhez jusson. Tesszük ezt politikamentesen, közszolgálati hevülettel, száznál több kutató és tudós bevonásával. Égető kérdések, dermesztő válságok és zavaros álhírek sűrűjében igyekszünk tartani a fáklyát immár havi bő hétszázezer olvasónknak. Cikkeink ingyen olvashatók, de nem ingyen készülnek. Segítsd a munkánkat!

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: