O echipă de ingineri din Finlanda a creat cea mai simplă construcţie a unui reactor nuclear, conceput să furnizeze doar căldură, fără electricitate

În ultimii ani, omenirea a făcut un progres semnificativ în adoptarea tot mai mare a surselor de energie regenerabilă în consumul său de electricitate. Noi şi noi parcuri eoliene sunt construite cu o viteză galopantă, unele ţări construiesc şi noi hidrocentrale, iar centralele de baterii vin să completeze aceste evoluţii, pentru a acoperi variaţiile dintre producţie şi consum. Totuşi, progresul omenirii a fost mult mai lent în aceeaşi perioadă în direcţia înlocuirii surselor de căldură. Da, multe ţări trec la pompe de căldură, care pot furniza un randament bun consumând electricitate, iar unele din ele le aplică de ceva timp şi în sistemele de încălzire centralizată, în formule tot mai sofisticate şi mai inteligente. Dar per general, omenirea consumă aproape jumătate din energie pentru încălzire şi răcire, şi sursele dominante de energie în acest domeniu continuă să fie fosile. Tocmai de asta, o echipă de ingineri din Finlanda a avut o abordare foarte diferită în rezolvarea acestei probleme, care e totodată şi genial de simplă. Aceştia au creat cea mai simplă construcţie a unui reactor nuclear, conceput să furnizeze doar căldură, fără electricitate.

Reactoarele nucleare obişnuite produc inevitabil căldură în reacţia de fisiune pe care o menţin, iar acea căldură înfierbântă in circuit de apă, care se transformă în abur şi propulsează o turbină, care generează electricitate, la rândul ei. Spre exemplu, cel mai nou reactor nuclear clasic din Finlanda, Olkiluoto 3, a fost pornit acum doi ani, fiind cotat la 1.600 MWe putere, adică poate produce 1.600 MW de putere electrică. Însă randamentul acestei producţii de electricitate e de 37%, raportat la energia termică generată, pentru că acelaşi reactor produce, de fapt, 4.300 MWt de energie termică iniţial, şi doar 1.600 MWe din ea ajung să fie convertiţi în electricitate.

Foto: Reactorul Olkiluoto 3 din Finlanda, inaugurat în 2023

Restul energiei rămâne sub formă de căldură. Această energie e adeseori doar disipată prin răcirea reactorului, însă de mai mult timp oamenii au început a capta această căldură şi a o folosi drept energie termică pentru încălzirea oraşelor din jurul centralelor nucleare. Nu e un fenomen predominant, dar se întâlneşte deja la mai multe centrale nucleare. Chiar şi pentru centrala Cernavodă din România au existat discuţii la faza de proiect, dacă ar fi fezabilă o asemenea utilizare a căldurii reziduale, dar până la urmă complexitatea acestei soluţii în regiunea amplasării centralei şi alternativele mai ieftine de atunci au exclus această posibilitate. Şi nici centrala finlandeză Olkiluoto, menţionată mai sus, nu foloseşte căldura reziduală într-un asemenea mod util, întrucât e localizată pe o insulă, într-o zonă slab populată.

În Elveţia există exemplul reutilării ulterioare a celei mai vechi centrale nucleare încă operaţionale din lume, Beznau, pentru a-i fi captată căldura şi folosită la încălzirea centralizată a oraşelor din jur, prin proiectul Refuna, livrând 150 GWh de energie termică anual.

Foto: Centrala Beznau din Elveţia

Ei bine, echipa de ingineri finlandezi despre care vorbim azi, parte din start-up-ul Steady Energy, a venit cu ideea de a construi un reactor mai mic în dimensiuni, a cărui energie termică generată să fie folosită integral în generarea de căldură pentru sistemele centralizate urbane. Acest reactor are denumirea LDR-50, cifra de 50 venind de la puterea lui de 50 MW de putere termică.

Foto: Construcţia reactorului LDR-50

Reactorul e unul ultra compact şi ar putea fi clasificat drept un SMR, adică un reactor modular mic, întrucât şi dimensiunile îi permit asta, dar şi abilitatea de a fi cooptat alături de alte reactoare într-o centrală mai mare, spre exemplu.

Foto: Exemplu de centrală cu 4 asemenea reactoare

Reactorul e compus din două vase sub presiune, dispuse concentric, în jurul nucleului său. Vasul interior conţine apă tehnică, ce contactează cu nucleul rectorului şi-l răceşte. E curios că această apă tehnică nu e pompată activ în reactor, ci mizează doar pe mişcarea naturală de ridicare a apei fierbinţi în sus, ceea ce generează fluxul în mişcare. Asta îi permite reactorului acea simplitate menţionată mai sus, în care el devine efectiv unul cu răcire pasivă.

Această apă fierbinte, ridicată sus, trece prin schimbătoare de căldură în interiorul reactorului, poziţionate în partea superioară, unde are loc transferul de căldură spre celălalt vas, care e parte din celălalt circuit de apă. Apa din al doilea circuit e cea care circulă în afara reactorului în spre un alt schimbător de căldură extern, care transferă acea căldură spre sistemul centralizat de încălzire la care e conectat.

Aparent, totul e relativ similar cu alte reactoare SMR, însă aici totul e mult mai simplu pentru că lipsesc circuitele de abur, iar reactorul finlandez e dozat la reacţii de fisiune de scară mai mică, pentru a produce 150 grade Celsius în apă livrată din reactor, ceea ce îi permite să opereze la o presiune mult mai joasă a circuitului său primar. Finlandezii spun că reactorul LDR-50 operează la o presiune identică a unei maşini de cafea, care prepară un espresso. Tocmai de asta s-a putut simplifica totul atât de mult, încât n-a fost nevoie nici măcar de pompe pentru răcire activă. Niciun alt reactor nuclear din lume nu operează la o presiune atât de joasă, spune echipa de ingineri.

Asta îi determină şi o eficienţă foarte bună, atât în utilizarea spaţiului ocupat, cât şi în puterea generată. Reactorul are aproximativ 12 metri înălţime şi operează fiind scufundat în apă. El consumă atât de puţin combustibil, încât trebuie realimentat o dată la 2-3 ani. Pe întreaga sa durată estimată de viaţă, un reactor LDR-50 poate livra 20 TWh de energie termică, deci 20.000 GWh. Asta înseamnă 333,3 GWh de energie termică anual, mai mult decât dublu decât centrala elveţiană Beznau, menţionată mai sus, care preia doar căldura reziduală.

Desigur, finlandezii menţionează că reactorul lor poate funcţiona în centrale de 4, 6 reactoare sau mai mult, în funcţie de mărimea sistemului de încălzire centralizată. Pentru comparaţie, un oraş ca Bucureşti consumă anual până la 7.000 GWh în sistemul său centralizat, ceea ce ar însemna că ar fi nevoie de 21 de asemenea reactoare, eventual dispersate sectorial. Cluj-Napoca, însă, are o cotă mai mică de încălzire centralizată şi o populaţie mai mică, şi foloseşte anual cam 300 GWh de energie termică, deci un asemenea reactor ar acoperi în totalitate întregul sistem. În cazul Chişinăului, spre exemplu, acesta foloseşte anual cam 2.400 GWh, deci ar fi nevoie cam de 7-8 asemenea reactoare.

Cifrele raportate de finlandezi mai arată, însă, şi faptul că reactorul lor nuclear reuşeşte să capteze şi să livreze în sistemul de încălzire centralizată peste 80% din energia termică generată de reacţiile nucleare, ceea ce înseamnă un randament exemplar.

Foto: Localizare subternată a reactorului finlandez

Finlandezii spun că în timpul celor 60 de ani de durată de viaţă a reactorului, cei 20 TWh de energie termică produsă ar înlocui consumul a 12 milioane de barili de petrol sau arderea a 10 milioane de metri cubi de lemn.

Foto: Aşa arată volumul comparativ al combustibilului nuclear necesar unui reactor pentru 60 de ani, în raport cu o dubiţă

Prin faptul că ei au renunţat la producţia de electricitate şi s-au concentrat doar la producţia de căldură, au simplificat construcţia şi au redus enorm costurile. Aceştia spun că astfel au ajuns la un cost amortizat de 40 euro per MWh de căldură produs, ceea ce include şi amortizarea în timp a investiţiilor iniţiale, şi costurile combustibilului nuclear folosit şi a mentenanţei. Acesta e un cost atât de competitiv, încât ar fi viabil economic fără subvenţii în toate oraşele lumii. Iar pe deasupra mai şi exclude emisiile de CO2.

Iar ceea ce vorbim aici nu e doar un proiect teoretic, ci unul practic deja. De curând, construcţia acestui reactor nou finlandez a obţinut certificarea de siguranţă a autorităţii nucleare fin Finlanda, STUK, şi are undă verde pentru producţie şi operare. Iar între timp finlandezii au şi aprobat finanţarea de 32 milioane de euro pentru construcţia primului asemenea reactor demonstrativ în cadrul unei foste centrale cu cărbune din Helsinki. Reactorul va avea aceeaşi construcţie însă va fi non-nuclear, fiind folosit pentru testele finale de securitate şi rezistenţă, după care, în 2027, ar urma să demareze şi construcţia reactoarelor complet funcţionale.

Foto: Centrala din Helsinki, unde va fi construit primul reactor pilot LDR-50

Cei de la Steady Energy spun că au deja acorduri preliminare pentru 15 asemenea reactoare în Finlanda, deci invenţia despre care vorbim se va traduce foarte repede în realitate în Finlanda, după care cu siguranţă şi în restul lumii. Inginerii finlandezi spun că aceste reactoare vor putea furniza şi apă de temperatură joasă pentru unele scopuri industriale, în special cele din industria alimentară. Costul unui asemenea reactor în producţia de serie va fi de 100 milioane de euro, spun autorii.