Zespół ekspertów z Narodowego Centrum Badań Jądrowych bazując na doświadczeniach działającego od 50 lat w Świerku reaktora badawczego MARIA oraz japońskiego wysokotemperaturowego reaktora badawczego HTTR (High Temperature Engineering Test Reactor) opracował koncepcję polskiego badawczo-demonstracyjnego reaktora wysokotemperaturowego HTGR-POLA (POLski Atomowy). Projekt obecnie jest na wysokim poziomie gotowości technologicznej obejmującej projekt podstawowy wraz ze znaczną częścią tzw. Wstępnego Raportu Bezpieczeństwa (WRB) niezbędnego do jego licencjonowania i dalszych prac projektowych, rozpoczęcia budowy i uruchomienia. Reaktor ten stanie się bazą dla reaktorów komercyjnych wykorzystywanych w polskich zakładach przemysłowych.
Od porozumienia w Paryżu z 2015 roku rośnie presja społeczna dotycząca redukcji globalnego ocieplenia przez ograniczanie emisji gazów cieplarnianych. Oznacza to konieczność zmiany podejścia do generowania energii elektrycznej i cieplnej, które dotąd w większości są wytwarzane przy pomocy paliw kopalnych. Jednym z rozwiązań tego problemu jest przemysł jądrowy, który nie emituje do atmosfery gazów cieplarnianych poza parą wodną, która i tak krąży w atmosferze w obiegu zamkniętym. Paliwo jądrowe dla reaktorów HTGR jest niezwykle wydajne i w konsekwencji generuje małe ilości odpadów, które obecnie w bezpieczny sposób są składowane w odpowiednich miejscach lub też przetwarzane do ponownego użycia. Dla przykładu, całe odpady ze wszystkich elektrowni jądrowych we Francji mieszczą się na powierzchni jednego boiska piłkarskiego.
Zgodnie z Programem Polskiej Energetyki Jądrowej (PPEJ) do 2043 roku powinno w naszym kraju zostać zbudowanych 4-6 tzw. lekkowodnych bloków jądrowych produkujących 6-9 GW mocy prądu elektrycznego, co zapewnia ok. 25% obecnego zapotrzebowania. Jednak dekarbonizacja sektora energetycznego musi obejmować nie tylko produkcję prądu, ale także inne sektory, takie jak ciepło do ogrzewania domów i para o wysokiej temperaturze niezbędna w procesach przemysłowych. Osiągnięcie jej wymaga także wdrożenia mniejszych bloków jądrowych (tzw. małych reaktorów modularnych SMR). O ile ciepło komunalne może być wyprodukowane przez modularne reaktory lekkowodne, o tyle para o wysokiej temperaturze wymaga zastosowania reaktorów wysokotemperaturowych chłodzonych gazem (HTGR).
Produkcja wysokotemperaturowej pary wodnej dla polskiego przemysłu obarczona jest dzisiaj bardzo wysokim śladem węglowym. Piętnaście największych polskich zakładów chemicznych potrzebuje w sposób ciągły i sterowalny co najmniej 6,5 GW mocy cieplnej w postaci pary o temperaturze 400-550 stopni Celsjusza. W polskim systemie energetycznym pracuje ponad 60 bloków klasy 200 MW mocy elektrycznej wybudowanych jeszcze w latach 70-tych, z czego 47 nadal pracuje po modernizacjach: 38 na węgiel kamienny i 9 na węgiel brunatny. Średni wiek tych bloków to ponad 50 lat i wkrótce osiągną one swój technologiczny kres. Zgodnie ze zobowiązaniami Polski dotyczącymi redukcji emisji gazów cieplarnianych i w związku z wiekiem tych jednostek powinny one zostać zastąpione bardziej ekologicznymi rozwiązaniami do roku 2035.
Zgodnie z PPEJ wprowadzenie dużych elektrowni jądrowych z lekkowodnymi reaktorami oznaczać będzie wzmocnienie bezpieczeństwa energetycznego, gdyż skutecznie zdywersyfikuje bazę paliwową i kierunki dostaw nośników energii oraz zastąpi starzejący się park wysokoemisyjnych bloków węglowych. Autorzy programu podkreślają także, że elektrownie jądrowe są najtańszymi źródłami energii przy uwzględnieniu pełnego rachunku kosztów (inwestorskich, systemowych, sieciowych, środowiskowych, zdrowotnych itp.) oraz czynnika długiego czasu pracy po okresie amortyzacji. Dotyczy to zarówno odbiorców indywidualnych, jak i odbiorców biznesowych, a w szczególności zabezpiecza rozwój przedsiębiorstw energochłonnych w tym zakładów z obszaru przemysłu chemicznego i petrochemicznego wymagających wysokich temperatur pary, czyli reaktorów HTGR.
Polscy naukowcy i inżynierowie z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) już ponad dziesięć lat temu rozpoczęli prace naukowe i projektowe dotyczące koncepcji małego wysokotemperaturowego reaktora badawczego o mocy 30 MW cieplnych, który mógłby posłużyć jako demonstrator technologii. Taki reaktor po przeprowadzeniu odpowiednich testów eksploatacji i bezpieczeństwa byłby przeskalowany do mocy ok. 180 MW cieplnych i budowany seryjnie wypełniając zapotrzebowanie lokalnego przemysłu. Etap ten jest kluczowy, ponieważ nie istnieje w tej chwili w Polsce jednostka pozwalająca na zdobycie doświadczenia z obsługą reaktorów komercyjnych. Jest to też konieczne, bowiem jedyny działający obecnie komercyjny reaktor wysokotemperaturowy HTR-PM o mocy elektrycznej 210 MW znajduje się w Chinach i został uruchomiony dopiero w grudniu 2023 r., chociaż jednostki tego typu działały w latach 70-tych i 80-tych XX wieku w USA i Niemczech.
W celu opracowania nowej koncepcji polskiego reaktora wysokotemperaturowego NCBJ realizowało w latach 2012-2015 projekt badawczo-rozwojowy HTR-PL, który przygotował wstępne założenia projektu reaktora. W roku 2016 Minister Energii powołał „Zespół ds. Analizy i Przygotowania Warunków do Wdrożenia Wysokotemperaturowych Reaktorów Jądrowych”, który w 2018 roku przedstawił raport szacujący zapotrzebowanie naszego przemysłu na flotę kilkunastu reaktorów o średniej mocy cieplnej 180 MW w postaci 230 ton/godzinę pary o temperaturze 540 stopni Celsjusza i ciśnieniu 13,4 MPa. Te rezultaty były niezależnie potwierdzone przez europejski projekt Gemini+ koordynowany przez NCBJ w latach 2017-21 oraz przez Narodowy Program Strategiczny GOSPOSTRATEG-HTR współfinansowany ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w latach 2019-2022. Tematem tego ostatniego projektu było przygotowanie instrumentów prawnych, organizacyjnych i technicznych do zastosowania reaktorów wysokotemperaturowych w Polsce. W jego wyniku powstała tzw. przedkoncepcja projektu reaktora badawczego o mocy cieplnej 40 MW oraz mapa drogowa budowy prototypowych i seryjnych reaktorów komercyjnych.
Kolejnym krokiem w rozwoju tej koncepcji była umowa pomiędzy Narodowym Centrum Badań Jądrowych a Ministerstwem Edukacji i Nauki na realizację w latach 2021-2024 projektu poświęconego stworzeniu opisu technicznego badawczego reaktora wysokotemperaturowego. Celem tego przedsięwzięcia, którego zakończenie nastąpi jesienią 2024 roku, jest przygotowanie projektu podstawowego reaktora oraz Wstępnego Raportu Bezpieczeństwa, który stanie się w przyszłości podstawą przyszłej aplikacji do Polskiej Agencji Atomistyki o licencję na jego budowę, rozruch i użytkowanie. Kolejne planowane fazy działań to: przygotowanie projektu szczegółowego (technicznego) reaktora (2 lata), licencjonowanie (minimum 1 rok), budowa (4 lata) oraz rozruch (6-12 miesięcy). Jako etap realizacji umowy przygotowano też do końca 2022 roku projekt koncepcyjny reaktora, który określa zasadę jego działania, założenia konstrukcji jego rdzenia, pierwotnego i wtórnego obiegu chłodzenia na podstawie przybliżonych obliczeń i analiz technicznych a także potencjał badawczy niezbędny do oceny materiałów wykorzystywanych w konstrukcji. Podstawowe elementy tego projektu zostały opublikowane przez zespół NCBJ w prestiżowym czasopiśmie energetyki jądrowej „Nuclear Engineering and Design” na początku 2024 roku a także wpisane do specjalnego biuletynu Agencji Energii Jądrowej (agendy OECD) oraz biuletynów Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej.
Reaktory wysokotemperaturowe w celu odbioru ciepła z rdzenia używają, chemicznie obojętnego gazu – helu, który krąży pod wysokim ciśnieniem w obiegu zamkniętym poprzez reaktor i wytwornicę pary. Jako paliwa używa się dwutlenku uranu wzbogaconego od kilku do kilkunastu procent w rozszczepialny izotop U235, zaś jako moderatora, czyli materiału do spowalniania neutronów – grafitu. Wszystkie te materiały są odporne na wysokie temperatury, co pozwala wytwarzać parę nawet o temperaturze 950 stopni Celsjusza. Ciepło to, jak wspomniano poprzednio, może zostać wykorzystane w procesach chemicznych i petrochemicznych, jak również do wysokowydajnej produkcji energii elektrycznej w typowych generatorach prądu oraz wysokowydajnej produkcji wodoru. Ponadto reaktor wysokotemperaturowy ma duże marginesy bezpieczeństwa zapewnione przez dużo wyższą wytrzymałość użytej konstrukcji na wysokie temperatury, poprzez spadek reaktywności paliwa wraz ze wzrostem temperatury oraz minimalnego ryzyka przenikania produktów rozpadów do układów reaktora. To ostatnie jest zapewnione m.in. dzięki zastosowaniu specjalnego paliwa TRISO w postaci kulki pokrytej m.in. warstwą porowatego pyrolitycznego węgla zatrzymującą te produkty i stanowiącą tzw. pierwszą barierę bezpieczeństwa reaktora. Co niezwykle istotne w przemyśle, konstrukcja reaktora pozwala na płynną regulację jego mocy. Ułatwia to też pracę systemu we współpracy z odnawialnymi źródłami energii.
W ramach prac za pomocą symulacji wykonywanych m.in. z użyciem klastra obliczeniowego dostępnego w Centrum Informatycznym Świerk (CIŚ) określono charakterystykę termiczną i radiologiczną komponentów reaktora, w tym paliwa, komponentów konstrukcyjnych, systemów kontroli promieniowania i właściwego oprzyrządowania. Przy pracach nad elementami reaktora korzystano z doświadczeń zespołów japońskich w ramach umowy o współpracy podpisanej przez Narodowe Centrum Badań Jądrowych z Japońską Agencją Energii Atomowej (JAEA) w listopadzie 2022 roku. Przygotowane opracowanie zawiera koncepcję wykorzystania mocy reaktora w procesach konwencjonalnych realizowanych przez turbiny, pompy, wymienniki ciepła, reboilery (urządzenia służące do odparowania substancji ciekłej kosztem ciepła przekazanego jej od innego płynu), sprężarki oraz systemy odprowadzania ciepła do otoczenia. Urządzenia te pozwolą nie tylko na produkcję ciepła przemysłowego dla zakładanej w projekcie testowej instalacji chemicznej, ale także byłby w stanie zapewnić generację prądu i ogrzewanie powierzchni biurowych dla kampusu Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku. Realizacja opracowanej koncepcji może otworzyć również możliwości badawcze w zakresie produkcji nowych radioizotopów do celów medycznych, badań materiałowych czy technologii przemysłowych.
Przygotowany w ramach projektu raport WRB obejmuje poza opisem samego obiektu jądrowego, założenia zintegrowanego systemu zarządzania, podsumowanie i ocenę wyników analiz bezpieczeństwa, zakres operacji awaryjnych, aspekty wpływu obiektu na środowisko, zagospodarowanie odpadów oraz strategię i warunki likwidacji reaktora.
Projekt reaktora badawczego HTGR-POLA jest pierwszym krokiem na drodze do zastosowania reaktorów wysokotemperaturowych w polskim przemyśle chemicznym i petrochemicznym, co wydatnie przyczyni się do obniżenia krajowej emisji gazów cieplarnianych. Dzięki wiedzy eksperckiej i doświadczeniu skupionym w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Świerku a także strategicznej umowie z Japońską Agencją Energii Atomowej, posiadającą działający reaktor badawczy HTTR, utworzona została stabilna podstawa dla dalszych kroków procesu budowy reaktora i wdrożenia tej technologii w gospodarce. Ze względu na znaczny sięgający 50% wkład intelektualny do projektu HTGR-POLA przez polskich naukowców i konstruktorów oraz zaangażowanie polskich firm do jego projektowania i budowy, reaktor HTGR-POLA może stanowić przełom w polskim przemyśle energetycznym i chemicznym jak również stać się produktem eksportowym dla naszego kraju.
Źródło: Narodowe Centrum Badań Jądrowych