Teraz jednak miasteczko stało się miejscem eksperymentu energetycznego. Czukotka jest zasilana w prąd przez niewielką elektrownię atomową Bilibino, ale ta dożywa właśnie swoich dni. Jej następca stoi już w porcie w Peweku. To Akademik Łomonosow - pływająca elektrownia jądrowa, która ma zapewnić energię miasteczku i zakładom przemysłowym Czukotki. Prądu z Łomonosowa ma wystarczyć dla 100 tys. ludzi.

Źródłem płynącego z Łomonosowa prądu są dwa niewielkie reaktory, produkujące 35 megawatów mocy każdy. To tak zwane SMR-y. Pod skrótem, oznaczającym "mały reaktor modułowy" kryje się urządzenie, które, zdaniem jego zwolenników, ma stać się podstawą energetyki przyszłości. Także w Polsce, bo to właśnie SMR-y od Amerykanów kupują KGHM i Orlen.

Małe reaktory mają mieć wiele zalet w porównaniu z konwencjonalnymi elektrowniami atomowymi. Mają być tańsze, bezpieczniejsze i dawać się budować nieporównywalnie szybciej. Już za 13 lat na całym świecie ma być ich nawet tysiąc. "Mają być", bo na razie pozostają głównie na papierze. A część analityków uprzedza: za modną technologią kryć się może mnóstwo problemów. To technologiczna i ekonomiczna terra incognita.

Powtórka z fizyki

Na początek trochę podstaw. Elektrownia jądrowa, najprościej tłumacząc, działa na tej samej zasadzie, co elektrownia zasilana węglem czy gazem. Pod wpływem wysokiej temperatury woda zamienia się w parę, ta pod wysokim ciśnieniem prowadzona jest rurami do turbin, które obracając się zasilają generatory prądu. Tu nic nowego nie wymyślono od XIX wieku.

Zasadnicza różnica polega na źródle wysokiej temperatury. W konwencjonalnych elektrowniach pochodzi ona ze spalania węgla czy gazu. W jądrowych źródłem wysokiej temperatury jest rozpad jąder pierwiastków promieniotwórczych. W reaktorach najnowszej czwartej generacji temperatury dochodzą do tysiąca stopni, co przekłada się na to, że stosunkowo niewielkie urządzenie może wyprodukować mnóstwo energii. Detale nie są istotne, ważne jest to, że reakcja musi być stale nadzorowana, bo skutki wyrwania się jej spod kontroli dość dobitnie pokazały wypadki w Czarnobylu i Fukushimie.

SMR-y działają na dokładnie tej samej zasadzie, są po prostu mniejsze. Sama technologia nie jest nowa: małe reaktory jądrowe od dziesięcioleci zasilają statki i okręty. Reaktory z Łomonosowa są nieco zmodyfikowaną wersją urządzeń od lat 80. zasilających radzieckie i rosyjskie lodołamacze.

Niewielkie rozmiary mają jednak wpływ zarówno na procesy zachodzące we wnętrzu reaktora, jak i na sposób, w jaki może on zostać zbudowany. I to mają być największe zalety SMR-ów.

Atom w skali mikro

Łomonosow jest dziś jedyną na świecie działającą elektrownią wykorzystującą reaktory SMR. Choć Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej szacuje, że na całym świecie, od Argentyny po Indie, nad swoimi projektami pracuje aż 70 firm, to poza Rosenergoatomem tylko jedna z nich zaczęła już faktycznie cokolwiek budować.

To amerykański NuScale Power - ten sam, z którym 14 lutego umowę podpisywał wicepremier Jacek Sasin. Firma powstała w 2007 roku, a za jej powstaniem stali inżynierowie i naukowcy z Oregon State University, którzy wcześniej prowadzili badania nad pasywnie chłodzonymi reaktorami dla amerykańskiego Departamentu Energii.

Pasywne chłodzenie reaktora polega na tym, że cyrkulację chłodziwa - najczęściej wody - wymuszają same prawa fizyki: w reaktorach NuScale rozgrzana rdzeniem woda unosi się, trafia do rur, którymi prowadzona jest do generatorów pary, gdzie oddaje ciepło i opada. Sama nigdy nie opuszcza reaktora - w generatorach podgrzewa znajdującą się w zewnętrznym systemie wodę napędzającą turbiny. Założenie jest takie, że w większości dających się przewidzieć sytuacji taki system będzie działał samoczynnie, bez konieczności interwencji człowieka czy stosowania potencjalnie awaryjnych pomp. W razie problemów reaktor ma po prostu schłodzić się sam i wyłączyć. Oczywiście kluczowym stwierdzeniem jest "w większości sytuacji", ale o tym za chwilę.

Podobne technologie były testowane w pełnowymiarowych reaktorach, ale zdecydowanie najprościej zastosować je w jednostkach małych. Pojedynczy reaktor NuScale ma średnicę trzech metrów i wysokość 20 m. Jedna jednostka ma generować około 60 megawatów mocy, ale firma zakłada, że będą one stawiane w zestawach liczących 6 lub 12 sztuk, co sprawi, że moc gotowej elektrowni będzie porównywalna z mocą konwencjonalnej elektrowni węglowej.

Małe rozmiary to, siłą rzeczy, niższa cena, jednak koszty budowy podobnych reaktorów mają dodatkowo spaść dzięki temu, że mogą one być produkowane seryjnie. W przeciwieństwie do konwencjonalnych elektrowni atomowych, gdzie reaktor jest konstruowany na miejscu z podzespołów, SMR-y mają opuszczać fabrykę w zasadzie gotowe do pracy. Urządzenie ma być przewożone na miejsce statkiem, koleją czy specjalnym transporterem, a następnie instalowane. Potencjalnie umożliwia to na przykład wykorzystanie już istniejącej infrastruktury: jeśli chcemy zastąpić elektrownię węglową SMR-em, możemy wyrzucić piece, ale zachować turbiny czy sieć przesyłową. Po prostu zmieniamy źródło ciepła. Przynajmniej na papierze, bo, jak zawsze, diabeł tkwi w szczegółach, a przygotowanie odpowiednich warunków do zainstalowania reaktora i tak wymaga wieloletnich przygotowań.

Inne firmy opracowują SMR-y oparte na nowszych, bardziej egzotycznych technologiach, takich jak chłodzenie ciekłymi metalami. Technologie te mogą potencjalnie oferować lepsze parametry pracy, ale NuScale, której reaktor jest stosunkowo konwencjonalny, jako pierwsza stworzyła niemal gotowy produkt. Rozwiązanie opracowane przez NuScale zostało w 2020 roku uznane za bezpieczne przez amerykański urząd dozoru jądrowego. Firma ma w tym roku przedstawić ostateczny projekt reaktora do zatwierdzenia przez regulatora. Tymczasem jednak zaczęła już budowę pierwszej elektrowni - umieszczony w Idaho zakład ma składać się z dwunastu 60-megawatowych reaktorów pracujących jednocześnie i będzie kosztować trzy miliardy dolarów. Firma zakłada, że ruszy on w 2026 roku (plany budowy ogłoszono w 2014 roku). W międzyczasie podpisała już także umowę z Rumunią, gdzie zamierza skończyć budowę elektrowni przed 2028 roku.

Atomem w ocieplenie

W optymistycznym scenariuszu podobne reaktory za 50 lat mogą zapewniać nawet 20 procent globalnego zużycia energii, zasilając nie tylko miasta, lecz także duże zakłady przemysłowe, niewielkie, oddalone od cywilizacji miasteczka czy wyspy. Duże elektrownie, zbudowane z 6 czy 12 takich jednostek, mogą zastąpić miejskie ciepłownie i zapewniać elektryczność milionowym metropoliom. Bez jakichkolwiek niszczących klimat emisji.

Kwestia stosowania energetyki jądrowej w walce z globalnym ociepleniem budzi gorące emocje od samego początku. Z jednej strony elektrownie jądrowe zajmują o wiele mniej miejsca niż wiatraki czy panele o porównywalnej mocy, nie generują też żadnych emisji i potrzebują jedynie śladowych ilości surowca do produkcji mocy: typowy reaktor o mocy 1000 MW zużywa rocznie około 27 ton wzbogaconego uranu. Dla porównania - elektrownia konwencjonalna dla wytworzenia takiej samej mocy spali pół miliona ton węgla.

Wizja wymiany zanieczyszczających elektrowni węglowych i gazowych na czyste SMR-y okazała się bardzo atrakcyjna. USA uznały je za technologię krytyczną dla osiągnięcia wyznaczonego przez prezydenta Joe Bidena celu wyzerowania emisji z energetyki do 2035 roku. Cały plan (obejmujący też odnawialne źródła energii) będzie kosztował 2 biliony dolarów. Swoje własne plany stosowania SMR-ów stworzyła też Wielka Brytania, gdzie nad nowoczesnymi reaktorami pracuje Rolls-Royce (koncern inżynieryjny specjalizujący się w turbinach i silnikach, a nie odłączony od niego wiele lat temu producent luksusowych samochodów), Kanada oraz Belgia, która chce za pomocą małych reaktorów zastąpić wszystkie swoje konwencjonalne elektrownie jądrowe. A w technologię inwestują zarówno wielkie koncerny specjalizujące się w energetyce, jak Westinghouse, jak i miliarderzy z branży technologicznej. Jeden z liderów, firma TerraPower, jest kierowana przez Billa Gatesa.

Pęd do inwestowania w tę technologię nie powinien dziwić, bo prognozy mówią, że moc wytwarzana na całym świecie przez takie reaktory w 2035 roku. osiągnie poziom 55-75 GW. To odpowiednik tysiąca reaktorów NuScale. Cały rynek ma być wart ponad bilion dolarów.

Drobnym drukiem

Największymi zaletami małych reaktorów ma być to, że będą tanie i szybkie w budowie. Tyle tylko, że zdaniem krytyków marketing i lobbing uprawiany przez firmy tworzące reaktory SMR pomija kilka zasadniczych problemów tej technologii.

Zacznijmy od ceny. NuScale szacuje, że budowa składającej się z 12 reaktorów elektrowni o mocy 684 MW powinna kosztować około 4200 dolarów za kilowat energii. Klasyczna elektrownia atomowa - około 4700 dolarów za kilowat. Elektrownia gazowa - poniżej tysiąca dolarów. Czyli jest taniej, ale nie do końca tanio. Ta cena ma jednak spaść wraz z umasowieniem produkcji reaktorów. Gdy w fabryce będą powstawać ich setki, cena za sztukę zdecydowanie spadnie. Ale najpierw muszą się znaleźć chętni. Tymczasem przy 70 konkurencyjnych projektach na razie trudno będzie którejkolwiek z budujących SMR firm osiągnąć dominującą pozycję pozwalającą na pełne rozkręcenie produkcji. To rodzaj ekonomicznego "paragrafu 22". Cena spadnie, kiedy będzie wielu chętnych, ale chętni pojawią się masowo zapewne wtedy, gdy cena spadnie.

Sama budowa to jednak nie wszystko, bo elektrownię trzeba zabezpieczyć i utrzymać. A tu konwencjonalne elektrownie jądrowe mają dużą przewagę skali. Po prostu mimo tego, że same reaktory są małe, wiele innych koniecznych elementów infrastruktury się nie skaluje w dół. Chodzi tu przede wszystkim o bezpieczeństwo. Elektrownia SMR jest stosunkowo niewielka, ale jest wciąż elektrownią jądrową. Oznacza to, że będzie musiała być chroniona dokładnie tak samo jak elektrownie klasyczne: paliwo, odpady i sam reaktor muszą znajdować się pod szczególną ochroną, bo mogą potencjalnie stanowić łakomy kąsek np. dla terrorystów. A to podnosi koszty działania całego przedsięwzięcia. Elektrownia oparta na SMR generuje mniej mocy, ale po zbudowaniu niektóre koszty jej działania mogą być podobne do kosztów konwencjonalnej, "dużej" elektrowni jądrowej.

Pewne obawy naukowców wiążą się też z zapewnieniami twórców małych reaktorów o tym, że są one całkowicie bezpieczne. Naukowcy z organizacji Union of Concerned Scientists potwierdzają, że w większości sytuacji taki reaktor nie wymaga zewnętrznych systemów schładzających, a umieszczony pod ziemią w głębokim, wypełnionym wodą basenie jest dobrze chroniony przed większością zagrożeń. W pewnych sytuacjach jednak chłodzenie pasywne może nie wystarczyć, np. jeśli w wyniku eksplozji czy trzęsienia ziemi do wnętrza dostanie się betonowy gruz, może uniemożliwić cyrkulację chłodziwa i doprowadzić do poważnych kłopotów.

NuScale chce, by koszty generacji energii za pomocą ich reaktorów spadły do około 65 dolarów za megawatogodzinę. To o 15-70 procent więcej niż koszt energii z pełnowymiarowego reaktora, ale też, co istotne, zdecydowanie więcej niż produkcja energii ze źródeł odnawialnych. Amerykański Departament Energii szacuje, że do 2025 roku, kiedy ma ruszać pierwsza elektrownia NuScale, megawat energii z fotowoltaiki będzie kosztować średnio 32 dolary. Z wiatraków na lądzie - 35 dolarów. Choć trzeba przyznać, że nawet stosunkowo droższa energia z małych reaktorów kosztuje zdecydowanie mniej niż to, ile dziś płacimy w Polsce za prąd z węgla: w listopadzie 2021 roku na rynku hurtowym płacono 470 zł za MWh. Czyli ponad 100 dolarów.

Różnica kosztów jest istotna, ale elektrownie jądrowe są ważne nie tylko dlatego, że mają być tańsze, ale przede wszystkim dlatego, że mają być stabilne. Odnawialne źródła energii mogą produkować jej mnóstwo, ale robią to nieregularnie. Fotowoltaika nocą nie zasiliłaby nawet małej żarówki.

Tu małe reaktory mają niekwestionowane zalety. Do tego dobrze nadają się do przestarzałej polskiej sieci energetycznej, bo dzięki temu, że w danym punkcie dostarczają do systemu stosunkowo mało mocy, nie przeciążają go. Ale problemem jest czas, bo konieczność zastąpienia coraz bardziej wysłużonych polskich elektrowni węglowych jest coraz bardziej paląca. Aby zastąpić stosunkowo niewielką Elektrownię Ostrołęka (moc 681 MW) potrzebowalibyśmy około 12 SMR-ów. Elektrownia Turów (moc 1488 MW) to już 24 małe reaktory. A "atomizacja" ogromnej Elektrowni Bełchatów (moc 5 tys. MW) wymagałaby zastosowania aż 80 reaktorów NuScale.

Tymczasem, mimo hucznych zapowiedzi, trudno sobie wyobrazić, by do 2035 roku miało działać już tysiąc reaktorów SMR. Jak pokazują plany samych Amerykanów, budowa pojedynczej elektrowni opartej na SMR trwa ponad 10 lat. Łomonosow - tworzony na bazie istniejących już wcześniej reaktorów - był budowany przez 13 lat. A można spodziewać się opóźnień i niespodziewanie rosnących kosztów, bo technologia "seryjnej" produkcji reaktorów wciąż jest nowa. Jak mówi stare inżynierskie powiedzenie, możesz wybrać tylko dwa z trzech elementów zbioru "szybko, tanio i dobrze".

Pewne jest, że zarówno globalna, jak i polska energetyka muszą się zmienić, i to szybko. Aby spełnić założenia porozumienia paryskiego i zatrzymać proces ocieplania planety, do 2050 roku co najmniej 80 procent światowej produkcji energii powinno pochodzić ze źródeł nisko- i zeroemisyjnych. Tymczasem w międzyczasie globalne zużycie energii ma się podwoić.

Jeśli technologia SMR spełni wielkie obietnice jej zwolenników - wspaniale. Może okazać się kluczem do bezpiecznego, czystego środowiska i taniej energii. Ale nikt jak dotąd jej nie przetestował na masową skalę. I trudno na tym etapie powiedzieć, które z zapowiedzi okażą się pustym marketingiem.