by 
W debacie publicznej dominuje dziś temat SMR-ów i wielkoskalowych bloków jądrowych. Tymczasem w ich cieniu rozwija się technologia, która może zrewolucjonizować energetykę – reaktory IV generacji. Mają być tańsze, bezpieczniejsze i wydajniejsze niż obecne rozwiązania.
Dotychczasowe reaktory dzielimy na generacje:
- I to jednostki prototypowe,
- II były pierwszymi komercyjnymi,
- III są ich udoskonalonymi wersjami,
- IV generacja prezentuje całkowicie nowe podejście, takie jak innowacyjne paliwa czy chłodziwa.
Choć wciąż są w fazie badań lub pilotażu, budzą ogromne nadzieje wśród naukowców i inżynierów. Czy to one zostaną filarem przyszłej energetyki jądrowej?
Aby przyspieszyć rozwój tych nowatorskich rozwiązań, powołano Międzynarodowe Forum Generacji IV. Jest to porozumienie kilkunastu państw, które wspólnie pracują nad oceną i wdrożeniem najbardziej obiecujących koncepcji reaktorów. Spośród wielu propozycji wybrano sześć systemów o największym potencjale. Trzy z nich bazują na neutronach termicznych, czyli tych samych, które wykorzystuje większość obecnych elektrowni. Pozostałe trzy to tzw. reaktory prędkie, czyli bardziej zaawansowane i pozwalające lepiej wykorzystać paliwo. Także znacząco ograniczyć ilość odpadów promieniotwórczych.
Reaktory termiczne
Jednym z przedstawicieli reaktorów termicznych jest VHTR, czyli bardzo wysokotemperaturowy reaktor. Jego główną zaletą jest kogeneracja, oprócz energii elektrycznej może dostarczać też ciepło procesowe i służyć do produkcji wodoru. Dzięki wysokiej temperaturze pracy, modułowej budowie i niskim kosztom eksploatacji uznaje się go za jedną z bardziej obiecujących technologii. Choć brzmi nowocześnie, nie jest to zupełnie nowy pomysł – jego korzenie sięgają lat 50., a pierwsza jednostka komercyjna (HTR-PM) działa już w Chinach od 2023 roku.
HTR-PM składa się z dwóch reaktorów chłodzonych helem, połączonych z jedną turbiną parową. Dzięki zastosowaniu gazu zamiast wody może być budowany w dowolnej lokalizacji, a pasywne chłodzenie zwiększa bezpieczeństwo. Reaktor ten szczególnie dobrze sprawdza się w przemyśle.
Innym reprezentantem tej kategorii są reaktory z wodą nadkrytyczną (SCWR). Są to zaawansowane wodne jednostki, które pracują powyżej krytycznego punktu wody, pozwalając na uproszczenie obiegu chłodzenia i zwiększenie sprawności. Dzięki temu wymagają mniej komponentów. To obniża koszty i poprawia niezawodność, eliminuje m.in. potrzebę stosowania wytwornic pary. SCWR-y to jedyne reaktory IV generacji chłodzone wodą i stanowią naturalną ewolucję obecnych reaktorów. Wśród ich wariantów wyróżnia się konstrukcje bazujące na lekkowodnych reaktorach ciśnieniowych oraz te oparte na kalandrii, znane z reaktorów CANDU. Główną zaletą zastosowania SCWR w energetyce jest wysoka sprawność termiczna – sięga nawet 44–48 proc., podczas gdy obecne reaktory wodne mieszczą się w przedziale 34–36 proc.
Ostatnimi z tej katergorii są reaktory na stopione sole (MSR). To nowoczesne jednostki, w których stopione sole pełnią funkcję nie tylko paliwa, ale czasem także chłodziwa. Dzięki pracy przy niższym ciśnieniu i wysokich temperaturach charakteryzują się większym bezpieczeństwem i efektywnością. Przykładem jest reaktor Hermes, którego budowa ruszyła w 2024 roku w Oak Ridge, Tennessee. Hermes chłodzony jest stopioną solą fluorkową, która pozwala na samoczynne wyłączenie reaktora i utrzymanie chłodzenia w przypadku awarii. Temperatura rdzenia wynosi około 585°C, a ciepło jest przekazywane przez wymiennik do wtórnego obiegu, który napędza turbinę. Reaktor będzie powstawał w modułach produkowanych przez firmę Kairos Power w stanie Nowy Meksyk.
Reaktory prędkie
Reaktor chłodzony gazem (GFR) należy do kolejnej kategorii, czyli reaktorów prędkich. Wykorzystuje gazowe chłodziwo i pracuje w spektrum prędkich neutronów, dzięki czemu umożliwia długoterminowe i zrównoważone wykorzystanie zasobów uranu oraz znacząco ogranicza ilość odpadów promieniotwórczych. Praca w wysokich temperaturach pozwala na osiągnięcie wysokiej sprawności cyklu termodynamicznego oraz generowanie ciepła do zastosowań przemysłowych. Technologicznie GFR korzysta z rozwiązań stosowanych w reaktorach chłodzonych sodem (SFR) oraz z doświadczeń reaktorów bardzo wysokotemperaturowych (VHTR). To przyspiesza rozwój materiałów, konstrukcji i systemów konwersji energii dla całej generacji IV.
Jednak brak grafitu, jako moderatora, i użycie gazowego chłodziwa stawia specyficzne wyzwania. W przypadku utraty chłodziwa temperatura w rdzeniu może szybko wzrosnąć, a niska gęstość gazu utrudnia efektywne chłodzenie naturalne. Dlatego reaktor wymaga silnych systemów wymuszonego chłodzenia. Dodatkowo, brak grafitu wymusza zastosowanie specjalnych osłon chroniących zbiornik reaktora przed uszkodzeniami wywołanymi przez prędkie neutrony. Z tego powodu jego rozwój wymaga intensywnych badań nad paliwem, konstrukcją rdzenia oraz systemami bezpieczeństwa i awaryjnego chłodzenia.
Reaktor prędki chłodzony ołowiem (LFR) pracuje w szybkim spektrum neutronów, wykorzystując ciekły ołów lub stop ołowio-bizmutowy, jako chłodziwo przy ciśnieniu atmosferycznym i wysokich temperaturach. Ołów cechuje się wysoką temperaturą wrzenia, korzystnymi właściwościami neutronowymi oraz niską reaktywnością chemiczną wobec powietrza i wody. To wszystko poprawia bezpieczeństwo reaktora. LFR stosuje paliwo MOX, czyli paliwo mieszane, lub azotki uranu i plutonu, umożliwiające zamknięcie cyklu paliwowego i spalanie długożyciowych odpadów promieniotwórczych. Główne wyzwania to dobór materiałów odpornych na korozję i promieniowanie, kontrola chemii chłodziwa oraz optymalizacja cyklu paliwowego.
Także działajacym w spektrum prędkich neutronów jest reaktor prędki chłodzony sodem (SFR) wykorzystujący ciekły sód jako chłodziwo. Stosuje się w nim paliwo mieszane tlenkowe lub metaliczne, co umożliwia zamknięcie cyklu paliwowego oraz spalanie aktynowców transuranowców, zwiększając efektywność paliwa i redukując odpady. Niektóre konstrukcje osiągają współczynnik namnażania większy niż 1, sprzyjając zrównoważonemu rozwojowi. Dzięki pracy w temperaturach 500–550°C oferuje wyższą sprawność niż reaktory lekkowodne.
Charakteryzuje się zwartym rdzeniem o wysokiej gęstości mocy oraz możliwością naturalnej cyrkulacji chłodziwa po wyłączeniu, co zwiększa bezpieczeństwo. Chłodzenie odbywa się w środowisku beztlenowym, zapobiegając korozji. Mimo jego licznych zalet, wyzwaniami pozostają:
- bezpieczna obsługa reaktywnego sodu,
- rozwój pasywnych systemów bezpieczeństwa,
- udoskonalenie paliw i technologii recyklingu,
- redukcja kosztów produkcji energii.
Przyszłość reaktorów IV generacji
Reaktory IV generacji nie są już jedynie wizją odległej przyszłości. Według World Nuclear Association pierwsze elektrownie oparte na tych technologiach mają rozpocząć pracę już na początku lat 30 XXI wieku. Świat zaczął intensywnie badać reaktory IV generacji przede wszystkim z potrzeby stworzenia bezpieczniejszych, bardziej efektywnych i ekologicznych źródeł energii. Takich, które sprostają rosnącym wymaganiom klimatycznym i gospodarczym.
W porównaniu do starszych generacji, oferują one znacznie wyższą sprawność, co pozwala lepiej wykorzystać paliwo i ograniczyć ilość odpadów promieniotwórczych. Dzięki zaawansowanym systemom bezpieczeństwa minimalizują ryzyko poważnych awarii i zagrożeń.
Chociaż koszty budowy nowych reaktorów mogą być na początku wysokie, przewiduje się, że w dłuższej perspektywie będą bardziej ekonomiczne dzięki niższym kosztom eksploatacji, mniejszemu zużyciu paliwa i łatwiejszej konserwacji. Innym faktem jest to, że reaktory te umożliwiają produkcję wodoru bez emisji dwutlenku węgla, tzw. różowego wodoru, co czyni je ważnym elementem transformacji energetycznej. Takie technologie mają szansę stać się podstawą nowoczesnego, stabilnego i bezemisyjnego systemu energetycznego, odpowiadając na krytykę i wyzwania stojące przed energetyką jądrową.
Autorką jest Amelia Kasierska, SKN Energetyka Szkoła Główna Handlowa w Warszawie
