Stan krytyczny: Energetyka jądrowa dla statków

„stan krytyczny”: żegluga o krok bliżej nuklearnej rzeczywistości

„Osiąganie stanu krytycznego”: w tym tygodniu żegluga zrobiła krok w stronę nuklearnej rzeczywistości, gdy norweskie studium wykonalności NuProShip II oraz szereg demonstracji małych reaktorów w innych miejscach przekształciły długofalową ideę w bliskoterminowy program inżynieryjny. Fraza „stan krytyczny” ma tutaj podwójne znaczenie – w fizyce reaktorów oznacza moment, w którym rdzeń osiąga samopodtrzymującą się łańcuchową reakcję rozszczepienia, natomiast w żargonie przemysłowym oddaje obecnie przejście od projektów laboratoryjnych i koncepcji teoretycznych do projektów planujących prototypy, finansowanie i szkolenie załóg. Najnowsze raporty projektowe, dotacje rządowe i prywatne listy intencyjne sugerują, że sektor morski nie mówi już o energii jądrowej wyłącznie jako o dekarbonizacyjnej fantazji; zespoły testują konkretne wybory reaktorów, cykle konwersji i systemy buforowania energii, aby projekty mogły uzyskać licencje, zostać zbudowane i wypłynąć w morze w nadchodzących dekadach.

„stan krytyczny”: żegluga bierze na cel jednostki DP i prace offshore

Badanie NuProShip II odeszło od reaktorów wodnych ciśnieniowych typu militarnego w stronę małych reaktorów modułowych (SMR) IV generacji i przetestowało kombinacje takie jak rdzenie chłodzone helem wykorzystujące paliwo cząsteczkowe TRISO sparowane z cyklami energetycznymi na nadkrytyczny CO2 (sCO2). Rezultatem, jak twierdzą inżynierowie, jest kompaktowe, wysokotemperaturowe źródło ciepła, które może zasilać niewielki, budowany fabrycznie układ konwersji energii. Ponieważ reaktor pracuje w sposób ciągły, zamiast gwałtownie zmieniać moc, koncepcja zakłada wykorzystanie baterii termicznej – bufora ciepła – do absorpcji ciepła podstawowego i dostarczania skokowych dawek energii do pędników na żądanie. Taka konstrukcja pozwala statkowi spełnić wymogi redundancji DP2/DP3 i natychmiastowej reakcji, przy jednoczesnym zachowaniu stabilności i prostoty systemów sterowania reaktorem.

Wybory inżynieryjne: rdzenie helowe, paliwo TRISO, sCO2 i baterie termiczne

Wybory techniczne w NuProShip II i podobnych badaniach są celowe i stanowią odpowiedź na doświadczenia płynące zarówno z reaktorów okrętowych, jak i nowego cywilnego sektora SMR. Reaktory wysokotemperaturowe chłodzone helem pozwalają na pracę przy niższym ciśnieniu i wyższą sprawność termiczną w porównaniu z reaktorami wodnymi ciśnieniowymi. Paliwo TRISO – cząsteczki powlekane ceramiką, które zatrzymują produkty rozszczepienia – jest preferowane ze względu na jego wytrzymałość w scenariuszach awaryjnych i właściwości pasywnego powstrzymywania emisji. Cykle nadkrytycznego CO2 przetwarzają ciepło na pracę w znacznie mniejszej obudowie niż turbiny parowe, co redukuje objętość pod pokładem przeznaczoną na urządzenia i przestrzenie dla załogi w kadłubie statku handlowego.

Jak blisko jest branża? Pilotaże, prototypy i narodowe programy SMR

Obecnie branża znajduje się w fazie demonstracji i wczesnej walidacji projektów, a nie masowego wdrażania. NuProShip II zaowocował projektami koncepcyjnymi i mapami drogowymi technologii, a zadania związane z uprzemysłowieniem przekaże do SFI SAINT (Sustainable Applied and Industrialised Nuclear Technology) – ośrodka mającego działać w latach 2026–2034, wspieranego kwotą 96 mln NOK z funduszy publicznych i 200 mln NOK ze zobowiązań przemysłu. Finansowanie to ma na celu przekształcenie koncepcji technicznych w prototypowy sprzęt, ukształtowanie łańcucha dostaw i przeszkolenie załóg. Jeśli harmonogramy zostaną dotrzymane, zwolennicy przewidują położenie stępki pod pierwszy statek konstrukcyjny offshore o napędzie jądrowym w latach 30. XXI wieku.

Poza żeglugą prowadzone są aktywne lądowe i militarne programy pilotażowe, które mają znaczenie dla harmonogramów morskich. Zaawansowane projekty SMR w USA – Natrium firmy TerraPower, Hermes firmy Kairos Power oraz inne inicjatywy związane z mikroreaktorami, takie jak Project Pele – przechodzą przez etapy demonstracji lub licencjonowania. Projekty te podkreślają dwie rzeczywistości: organy regulacyjne i laboratoria krajowe są proszone o dostosowanie się do nowych paliw (w tym uranu niskowzbogaconego o wysokim stopniu wzbogacenia, HALEU), a łańcuch dostaw i zdolności wzbogacania muszą zostać przeskalowane, jeśli cywilne SMR i warianty morskie mają rozprzestrzenić się na arenie międzynarodowej.

Wyzwania regulacyjne, portowe i ubezpieczeniowe, które pozostają znaczące

Technologia to tylko jedna oś problemu. Istniejące międzynarodowe ramy prawne dla jądrowych statków handlowych pochodzą z kodeksu z 1981 roku, który powstał przed erą SMR z pasywnymi systemami bezpieczeństwa, paliw TRISO i nowoczesnego myślenia o obudowach bezpieczeństwa. Kodeks ten nie jest dostosowany do proponowanych obecnie koncepcji reaktorów IV generacji chłodzonych gazem i budowanych fabrycznie. Aby operować komercyjnie, jądrowe statki handlowe muszą pokonać splot przeszkód: akceptację na poziomie traktatów międzynarodowych dla zawinięć do portów, zharmonizowane przepisy towarzystw klasyfikacyjnych (DNV i inni już uczestniczą w zapewnianiu jakości projektów), portowe plany awaryjne, systemy odpowiedzialności i ubezpieczeń wykraczające poza zwykłe ubezpieczenie P&I oraz akceptację lokalnych społeczności i władz w miejscach, gdzie statki byłyby kontrolowane lub serwisowane.

Pytania praktyczne obejmują: który organ licencjonuje reaktor pokładowy – krajowy regulator jądrowy, państwo bandery czy system hybrydowy powiązany ze standardami IMO; jak definiowane są strefy planowania awaryjnego dla jednostek, które mogą przemieszczać się przez wiele jurysdykcji; oraz jak postępować z wypalonym paliwem i odpadami promieniotwórczymi po wycofaniu jednostki z eksploatacji. Wszystko to wymaga nowych negocjacji międzynarodowych. Bez uzgodnionych standardów i akceptacji w poszczególnych portach, jądrowy statek handlowy mógłby mieć ograniczoną swobodę zawijania – co stanowi nieakceptowalne ryzyko komercyjne dla armatorów.

Kwestie bezpieczeństwa: co oznacza „stan krytyczny” i jak zabezpiecza się reaktory na morzu

W fizyce reaktorów „osiągnięcie stanu krytycznego” oznacza, że rdzeń uzyskał współczynnik mnożenia neutronów równy jeden – każde rozszczepienie powoduje średnio jedno kolejne rozszczepienie – a reakcja łańcuchowa jest samopodtrzymująca się. Dla projektantów statków i regulatorów celem inżynieryjnym nie jest unikanie stanu krytycznego – to w ten sposób reaktor wytwarza ciepło – lecz zaprojektowanie pasywnych i technicznych systemów, które sprawią, że zachowanie rdzenia będzie przewidywalne, sterowalne i bezpieczne we wszystkich wiarygodnych scenariuszach.

Nowoczesne koncepcje SMR kładą nacisk na bezpieczeństwo pasywne: fizykę i materiały, które naturalnie wyłączają reaktor lub rozpraszają ciepło w przypadku utraty chłodziwa, w połączeniu z formami paliwa takimi jak TRISO, zaprojektowanymi tak, by zatrzymywać radioaktywność nawet w ekstremalnych warunkach. Projekty okrętowe czerpią z dziedzictwa marynarki wojennej (kompaktowe osłony, sekcjonowanie, solidne obudowy bezpieczeństwa) oraz morskich praktyk redundancji. Niemniej jednak kompromisy w zakresie bezpieczeństwa muszą być analizowane wraz z ryzykiem ochrony i proliferacji, szczególnie tam, gdzie rodzaje paliwa lub jego przetwarzanie mogłyby zmienić strumienie odpadów.

Dlaczego to ważne: emisje, wytrzymałość i szanse komercyjne

Żegluga odpowiada za znaczący udział w globalnej emisji CO2 i innych zanieczyszczeń. W przypadku operacji offshore, gdzie logistyka bunkrowania i wytrzymałość mają kluczowe znaczenie, napęd jądrowy obiecuje zerową emisję operacyjną i praktycznie nieograniczony zasięg między tankowaniami – co jest niezwykle atrakcyjną propozycją dla operatorów, którzy obecnie korzystają z flot generatorów diesla i przewożą duże zapasy ciężkiego paliwa. Dla szerszej floty handlowej obraz jest bardziej złożony: energia jądrowa mogłaby zastąpić paliwa kopalne w niszowych klasach (statki serwisowe offshore, lodołamacze, promy, być może niektóre kontenerowce lub statki ro-ro), podczas gdy inne paliwa – amoniak, wodór, metanol – mogą zdominować segmenty o krótszym zasięgu lub mniejszej mocy.

Z komercyjnego punktu widzenia rynek fabrycznie budowanych elektrowni i morskich systemów jądrowych mógłby stworzyć nowe łańcuchy przemysłowe i wykwalifikowane morskie załogi nuklearne, ale tylko wtedy, gdy projektanci, ubezpieczyciele i państwa portu uzgodnią bezpieczne, powtarzalne standardy, a inwestorzy dostrzegą ścieżkę do projektów przynoszących zyski, a nie tylko jednorazowych prototypów.

Co dalej i realistyczny harmonogram

Należy spodziewać się przyspieszenia działań pod koniec lat 20. i w latach 30. XXI wieku. NuProShip II przejdzie w fazę uprzemysłowienia w SFI SAINT w 2026 roku, krajowe demonstracje SMR będą kontynuowane wraz z pracami nad licencjonowaniem i dostawami paliwa, a jeśli powstaną pierwsze prototypy, zostaną one sklasyfikowane i sprawdzone zgodnie ze zaktualizowanymi przepisami, które przemysł i regulatorzy będą musieli negocjować równolegle. Ostrożnie oceniając, pierwszy pełnomorski jądrowy statek handlowy lub konstrukcyjny offshore pojawiłby się w latach 30. – nie dlatego, że fizyka jest nowatorska, ale dlatego, że najpierw muszą zostać rozwiązane kwestie dostępu do portów, ram prawnych, logistyki paliwowej i społecznej akceptacji.

Źródła

• The Information Technology and Innovation Foundation (raport ITIF na temat małych reaktorów modułowych)
• Norweski Uniwersytet Nauki i Technologii (NTNU) / materiały projektu NuProShip II i ogłoszenia o finansowaniu SFI SAINT
• Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej (IAEA) – wytyczne regulacyjne i dotyczące SMR
• Idaho National Laboratory (INL) oraz Departament Energii USA – programy techniczne i demonstracyjne