Vysokoteplotní pára z lehkovodních SMR

Proč bloky lehkovodních malých modulárních reaktorů LWR s tlakovodními a varnými reaktory českému teplárenství zatím nepomáhají? Důvody jsou dva – koncepční a technický. Koncepce rozvoje české jaderné energetiky je zaměřena především na výrobu elektřiny. Jediný provozovatel jaderných elektráren v ČR, skupina ČEZ, plánuje umístit první SMR (Rolls-Royce SMR) [6] do lokality Temelín, a teprve další bloky do Tušimic a Dětmarovic. Tyto plánované lokality uhelných elektráren skupiny ČEZ mají však velmi malý poměr odběru tepla k vyrobené elektřině, a situaci v teplárenství tedy neřeší. Nové bloky SMR je třeba umístit do lokalit uhelných tepláren, ve kterých jsou vybudovány soustavy zásobování teplem, jež by bylo možné zachovat a dále rozšiřovat. Takových lokalit je v ČR mnoho, společnosti ČEZ však patří jen menší třetina z nich, zbytek vlastní soukromé subjekty. Stát v čele s MPO a příslušné orgány v čele se SÚJB by proto měly usilovat o zjednodušení jaderné legislativy, předpisů a povolovacích procesů tak, aby se o výstavbu a provoz SMR mohly reálně zajímat i soukromé finanční a průmyslové subjekty.

Druhým důvodem jsou technické možnosti lehkovodních reaktorů. Ekonomicky nejvýhodnější jsou velké jaderné teplárny, kdy reaktor pracuje na plný výkon a teplo se odebírá podle potřeby (zbytek tepla z reaktoru se přemění na elektřinu) a lze ho dodávat na větší vzdálenosti. V lokalitách uhelných elektráren však nejsou podmínky pro jaderný blok o výkonu 1 200 MWe, natož pro „dvojče“ 2 × 1 200 MWe, které by bylo žádoucí z hlediska spolehlivosti dodávek tepla i z hlediska ekonomiky. Proto se nabízejí menší SMR, jejichž bezpečnostní charakteristiky jsou téměř shodné s provozovanými velkými bloky. Výstavbě jsou v současnosti nejblíže typy BWRX-300 a Rolls-Royce SMR (470 MWe). Další alternativou jsou jaderné výtopny, například finský LDR-50, francouzský Calogena nebo český Teplator. Dodávají pouze teplo, mají však nižší tepelné parametry, a tím vyšší úroveň bezpečnosti, takže jejich umístění v městské aglomeraci nebude problém.

Společnou slabinou všech těchto řešení je nemožnost dodávat teplo o vysokém potenciálu pro teplárenství a průmysl. Tento nedostatek může odstranit komplexní systém MASMRaK (MultiAplikační vysokoteplotní teplárenský a průmyslový SMR LWR a sekundární Kompresní stupeň).

SMR s lehkovodními reaktory, tlakovodními i varnými, by mohly pomoci českému teplárenství a průmyslu ještě dříve, než budou k dispozici pokročilé SMR IV. generace s vyššími parametry výstupní páry. Průmysl, který potřebuje přehřátou páru vyšších parametrů, vzhlíží k pokročilým SMR GIV. Ty umožní aplikace s párou o teplotách výrazně nad 300 °C, tedy nad hranicí, kterou běžné reaktory PWR a BWR nepřekročí [11]. Typy SMR GIV, z nichž některé dosahují výstupních teplot 1 000 °C i vyšších, uvádí tab. 1. Zatímco SMR typu PWR a BWR budou nasaditelné do komerčního provozu zhruba do roku 2040, u pokročilých SMR GIV to bude o 10 a více let později, tedy kolem roku 2050 nebo ještě později.

Na vyšší průmyslové teploty však není nutné čekat tak dlouho. Lze jich dosáhnout dříve sekundárním systémem tepelného zesílení páry (Steam Heat Augmentation), který využívá vysoce účinnou kompresi a dohřev pomocí komerčně dostupných zařízení. Pro dodávky tepla do SZT a průmyslu lze přidaným systémem adiabatické komprese dosáhnout i u reaktorů LWR teploty páry 500 °C a při vícestupňové kompresi i více než 650 °C.

Mezinárodní Generation IV International Forum v roce 2002 posoudilo přibližně 130 technologických konceptů a jako perspektivní pro další vývoj vybralo následujících šest systémů:

– rychlé reaktory chlazené plynem (GFR – Gas-Cooled Fast Reactor);

–  rychlé reaktory chlazené olovem (LFR – Lead-Cooled Fast Reactor);

–  reaktory s roztavenými solemi (MSR – Molten Salt Reactor);

–  reaktory chlazené vodou v nadkritickém stavu (SCWR – SuperCritical Water-Cooled Reactor);

–  rychlé reaktory chlazené sodíkem (SFR – Sodium-Cooled Fast Reactor);

–  velmi vysokoteplotní reaktory (VHTR – Very High Temperature Reactor).

Mezi pokročilé reaktory patří také kategorie středních, malých a mikroreaktorů, jejichž ekonomický potenciál v ČR rozebírá [13]. Strategie MPO se neomezuje na náhradu velkých uhelných bloků elektráren a tepláren, ale zdůrazňuje i potenciál mikroreaktorů o výkonu do 20 MWe [12] pro přímé napájení průmyslových center. Tento článek se však na rozdíl od strategie MPO zaměřuje na náhradu velkých a středních energetických bloků, aniž by jakkoli zpochybňoval přínos MMR.

Požadavky na parametry páry se v jednotlivých průmyslových procesech zásadně liší. Typické hodnoty vyhledal autor v dostupné literatuře a upravil do tab. 2.

Nejrozšířenější technologií zvyšování parametrů páry je mechanická rekomprese par (MVR – Mechanical Vapour Recompression). Uplatňuje se v řadě oborů:

Potravinářský průmysl (cukrovary, mlékárny): Při odpařování vody z roztoku, například z cukerné šťávy nebo mléka, vzniká tzv. brýdová pára. Má nízkou teplotu (kolem 80–100 °C) i nízký tlak, a pro další vaření je proto nepoužitelná. Turbokompresor ji stlačí, čímž její teplota vzroste o 20–40 °C a tlak se zvýší natolik, že ji lze znovu přivést do topné komory téže odparky. Teplo v páře tak neustále cirkuluje, kotel dodává jen minimum nové energie a úspora primární energie dosahuje až 90 %.

Teplárenství (zpětné získávání tepla): V moderních teplárnách pracují velká tepelná čerpadla, která využívají nízkopotenciální teplo, například z kondenzace spalin nebo z chladicího okruhu turbíny, a zvyšují jeho teplotu na úroveň rozvodné sítě (např. ze 40 °C na 90 °C). Taková zařízení jsou instalována mimo jiné v zařízeních na energetické využití odpadu (ZEVO) ve Vídni nebo v Kodani.

Průmyslová pára z lehkovodních SMR: Rafinérie a petrochemie (včetně gumárenství) potřebují páru o teplotě jen o něco vyšší než 250 °C. Dokud nebudou k dispozici SMR GIV, postačí standardní tlakovodní SMR III. generace s odběrem páry přímo z parogenerátoru, kde lze dosáhnout teploty 250–280 °C. S takovým odběrem počítá například projekt NUWARD 400. Pro vyšší teploty, až kolem 400 °C, je určen právě popisovaný komplex MASMRaK.

Vysokoteplotní pára z klasických LWR: Sytá pára z reaktoru se vícestupňovou kompresí, poháněnou elektřinou vyrobenou v kogeneraci přímo v reaktorovém bloku, převede na páru o teplotě 500 °C a tlaku 10,5 MPa. Příkladem je tlakovodní reaktor NuScale VOYGR (moduly po 77 MWe v sestavách po 4, 6 nebo 12 modulech), jehož pára o teplotě kolem 300 °C (283 °C / 3,28 MPa – tab. 3) může být vícestupňovou kompresí ohřáta na maximálně 650 °C při tlaku 16,8 MPa.

Adiabatická komprese je termodynamický děj, při němž se pára stlačuje, kdy se zmenšuje její objem a roste tlak, bez výměny tepla s okolím (Q = 0). Práce dodaná kompresorem se celá mění ve vnitřní energii, přesněji v entalpii proudící páry, a proto s tlakem výrazně roste i teplota. Prakticky adiabaticky probíhá komprese v turbokompresorech, kterými pára protéká tak rychle, že teplo s okolím vyměnit nestihne. Adiabatická komprese se uplatňuje také ve vznětových motorech nebo v chladicích obězích.

Ideální, vratnou adiabatickou kompresi označujeme jako izoentropickou: entropie se nemění (s = konst.) a v diagramu T-s ji znázorňuje svislá úsečka rovnoběžná s osou teploty. Pro ideální plyn ji popisuje Poissonova rovnice p·V^κ = konst., kde κ je Poissonova konstanta (pro přehřátou vodní páru přibližně 1,3). V diagramu p-V je adiabata strmější než izoterma (obr. 1): při izotermické kompresi se teplo průběžně odvádí a teplota zůstává stálá, kdežto při adiabatické zůstává veškerá dodaná práce v páře a teplota roste.

Skutečná komprese vratná není. Třením a vířivými ztrátami v kompresoru vzniká teplo, entropie páry roste a v diagramu T-s se děj projeví jako úsečka skloněná doprava. Výstupní teplota je pak vyšší než při izoentropické kompresi a ke stejnému zvýšení tlaku je potřeba více práce. Takový děj se popisuje jako polytropický a jeho kvalitu vyjadřuje izoentropická (resp. polytropická) účinnost kompresoru. Vodní pára se zejména v blízkosti meze sytosti chová výrazně odlišně od ideálního plynu, proto se praktické výpočty provádějí pomocí parních tabulek nebo diagramu h-s.

Na těchto principech je navržen systém SMR s parní kompresí pro zvýšení parametrů. Reaktor v něm slouží jako primární zdroj tepla a kompresor jako „zesilovač“ parametrů páry pro průmysl. Uspořádání může v elektrizační soustavě plnit i roli jakési virtuální baterie. Při přebytku elektřiny v síti, například při vysoké výrobě větrných elektráren v Německu, není nutné snižovat výkon reaktoru: větší část páry a elektřiny bloku se převede do kompresní větve, vyrobí se více tepla, které lze případně krátkodobě uložit v tepelných zásobnících, a elektrická síť se nepřetíží.

Společnost NuScale Power nabízí využití svých SMR pro výrobu přehřáté procesní páry od roku 2023. Podle srovnávací studie [5] mají její reaktory potenciál uplatnit se nejen při vytápění a dodávkách průmyslového tepla, ale i ve vysokoteplotních průmyslových procesech, s nimiž se u lehkovodních reaktorů (západních PWR ani ruských VVER) dosud nepočítalo. Projekt NuScale byl prvním SMR, který získal certifikaci americké Komise pro jadernou regulaci (NRC).

NuScale dále zkoumá flexibilitu, spolehlivost a ekonomiku vícemodulové výroby páry doplněné nákladově efektivní a vysoce účinnou kompresí a ohřevem páry. Na posouzení a optimalizaci integrovaných energetických systémů spolupracuje s koncovými odběrateli páry, elektřiny a vodíku. Parametry páry z jednoho modulu NPM (NuScale Power Module) při jmenovitém výkonu uvádí tab. 3.

Mezilehlý výměník tepla IHX (Intermediate Heat Exchanger) je umístěn ve strojovně uvnitř zóny havarijního plánování EPZ (Emergency Planning Zone) a zajišťuje soulad se stávajícími předpisy NRC. Systém úpravy a regulace procesní páry PSCC (Process Steam Conditioning and Control) může stát mimo EPZ. Jsou v něm soustředěny parní kompresory, ohříváky a příslušné řídicí a komunikační systémy; řešení PSCC je chráněno několika patenty. Zapojení ukazuje obr. 2.

Systém MASMRaK s moduly NPM a sekundárním kompresním stupněm umožňuje flexibilní provoz. Výkon modulu lze měnit dvěma způsoby (tab. 4): obtokem turbíny, který dovoluje rychlé změny výkonu odvedením až 100 % páry z turbíny přímo do kondenzátoru, nebo regulačními tyčemi.

U systému PSCC trvá náběh procesní páry z jmenovitého výkonu na maximum i pokles na minimum méně než jednu minutu; doba studeného startu a odstavení závisí na konkrétním procesu. Kompresor je dimenzován podle požadavků odběratele a průtok i tlak páry na jeho výstupu lze téměř v reálném čase snížit o 20–30 %.

Pro mechanickou rekompresi par v blocích VOYGR využívá NuScale technologii strategického partnera Ebara Elliott Energy (EEE). Kompresor Flex-Op vyvinula společnost Elliott [14] původně pro zvýšení provozní flexibility ve vodíkových aplikacích, zejména pro dosažení vyšší dopravní výšky a průtoku. Oproti pístovým nebo extrémně rychloběžným odstředivým kompresorům má řadu výhod [15]: používá standardní kompresorová tělesa a oběžná kola, je kompaktní, snadno se udržuje a opravuje, a umožňuje lepší přístup k rotujícím částem. Jednotlivé kompresory lze zapínat a vypínat, přepínat mezi sériovým a paralelním provozem a každý z nich provozovat při jiných otáčkách.

Osvědčená konstrukce kompresorů Elliott sdružuje dvě až čtyři kompresorová tělesa kolem jedné vícepastorkové převodovky, s až 40 oběžnými koly ve čtyřech tělesech při vícestupňovém kompresorovém systému, volitelným mezichlazením a různými otáčkami jednotlivých těles. Tělesa mohou pracovat sériově, paralelně nebo v kombinaci obou zapojení.

Na obr. 3 jsou ukázány rozsahy tlakových poměrů v závislosti na konfiguraci systému.

Pro běžné dálkové vytápění měst postačuje pára nebo horká voda o nižších teplotách, obvykle do 150 °C. V takovém případě NuScale vysokoteplotní kompresory EEE nepotřebuje a teplo lze odebírat přímo z terciárního okruhu přes výměníky.

Významnější je využití pro průmyslové procesní teplo (process heat), kde přichází ke slovu partnerství s EEE. Technologie MVR umožňuje zvýšit teplotu páry z reaktoru na 500 °C i více. Hlavními přínosy pro teplárenské systémy jsou dekarbonizace – moduly NPM mohou nahradit dosluhující uhelné teplárny (coal-to-nuclear repowering) – a flexibilita, protože díky modulární koncepci VOYGR™ lze výkon teplárny škálovat podle velikosti města či průmyslového areálu (od jednoho do 12 modulů). Nejvýraznější jsou výhody v kogeneračním režimu, který podstatně zvyšuje celkovou energetickou účinnost. NuScale v současnosti aktivně spolupracuje na projektech v Polsku a Rumunsku, kde je integrace do stávajících teplárenských sítí jedním z hlavních cílů nasazení.

Bezpečnost provozu je u NuScale zajištěna několika fyzickými bariérami a vzájemně oddělenými okruhy. Integrovaný parogenerátor odděluje sekundární páru od primárního okruhu, mezilehlý výměník IHX pak odděluje sekundární okruh od páry dodávané odběratelům. Díky tomu lze reaktory NuScale umisťovat v blízkosti obytných zón či průmyslových center – zóna havarijního plánování může končit už na hranici areálu (Site Boundary EPZ).

Sekundární kompresní stupeň by bylo možné a vhodné připojit i k reaktoru NUWARD, a vytvořit tak komplex MASMRaK. Nová verze NUWARD 400 státní energetické společnosti EDF se od původního konceptu 2 × 170 MWe [1], [7], [8] liší především vyšším výkonem a orientací na kogeneraci, flexibilitu a průmyslové využití. Zatímco většina SMR je primárně určena k výrobě elektřiny, NUWARD 400 byl od počátku navrhován pro kogeneraci.

V lednu 2026 byla oficiálně spuštěna třetí fáze společného evropského hodnocení bezpečnosti JER (Joint Early Review), na němž spolupracují národní dozorné orgány Francie (ASNR), Finska (STUK), ČR (SÚJB) a dalších zemí; nedávno se připojily švédský (SSM), polský (PAA) a nizozemský (ANVS) dozor. Ukončení třetí fáze JER se nyní předpokládá v roce 2027. První jednotka (FOAK) má být postavena ve Francii s uvedením do provozu kolem roku 2035, cílem EDF je postavit v EU první sérii 10 reaktorů do roku 2035, do roku 2050 pak chce provozovat celosvětově až 30 těchto jednotek.

Pro soustavy zásobování teplem jsou významné tyto vlastnosti NUWARD 400:

• Flexibilní kogenerační výkon: Elektrický výkon až 400 MWe (tepelný 1 150 MWt). V kogeneraci může reaktor stabilně dodávat 575 MWt tepla, tj. 50 % tepelného výkonu, a současně 200 MWe elektřiny. Výkon lze flexibilně měnit v cyklu 100–30–100 % až dvakrát denně. Kombinovaná výroba dosahuje výrazně vyšší celkové účinnosti než samotná kondenzační výroba elektřiny.
• Teplotní parametry vhodné pro českou síť: Teplo lze dodávat při 150 °C (odběr z turbíny, vhodný pro dálkové vytápění) i při teplotě až 280 °C (odběr páry za parogenerátorem, vhodný pro průmysl, odsolování nebo výrobu vodíku). České SZT vyžadují v napáječích 130–150 °C; vyšší teplota umožňuje dodávat technologickou páru a rozšiřuje uplatnění i mimo topnou sezonu.
• Kompaktnost a bezpečnost: Pro SZT je klíčová vzdálenost zdroje od spotřebitele kvůli tepelným ztrátám v potrubí. Pasivní bezpečnostní systémy dochladí reaktor bez elektřiny i bez zásahu obsluhy, což je zásadní argument pro povolení výstavby blíže obydleným oblastem.

Příkladem uplatnění MASMRaK může být Teplárna Otrokovice. Dodává přehřátou nízkotlakou páru (0,15 MPa / 230 °C a 0,6 MPa / 260 °C), středotlakou (1,4 MPa / 290 °C) a vysokotlakou (3,6 MPa / 320 °C) s pevně danými jmenovitými parametry. Průmysloví odběratelé jsou tři: Barum Continental odebírá páru tří tlakových úrovní (3,6, 1,4 a 0,6 MPa), Fatra Napajedla a společnost Toma páru středotlakou (1,4 MPa). Do hlavní výměníkové stanice je přiváděna nízkotlaká pára 0,15 MPa / 230 °C, z níž se vytápějí sídliště Baťov a města Otrokovice, Malenovice a Napajedla.

Obdobná situace je v Teplárně České Budějovice, která dodává středotlakou páru 1,6 MPa / 240 °C do podniku Mondi Bupak a nízkotlakou páru 0,8 MPa / 200 °C do městské nemocnice.

Jako vhodné SMR se jeví NuScale VOYGR (od 2 do 12 modulů) [1], [5], NUWARD 400 [7], [8] nebo varný BWRX-300 [2], [3], [4]. U bloků NuScale, kde jeden modul vyrábí 250 MWt (77 MWe), může systém produkovat více než 225 t/h páry o tlaku 10,5 MPa a teplotě 500 °C; vícestupňová komprese nabízí potenciál zvýšit parametry až na 16,8 MPa a více než 650 °C.

Pro MASMRaK se jeví jako nejvhodnější typy SMR s výkonem kolem 300 MWe, který je optimální vzhledem k velikosti provozovaných tepláren se soustavami SZT. Typy s menším výkonem, například SMART100 (110 MWe) korejského institutu KAERI [1], [9], [10], jsou pro doplnění o adiabatickou kompresi pro zvýšení parametrů páry méně vhodné.

Zpoždění vývoje vysokoteplotních reaktorů IV. generace za reaktory PWR a BWR lze v průmyslových aplikacích dohnat využitím lehkovodních reaktorů vybavených technologií komprese výstupní syté páry na vyšší parametry. Souběžně s rozvojem středně velkých SMR se vyvíjejí i mikroreaktory, z velké části rovněž na bázi technologií IV. generace. České teplárenství a průmysl tedy nemusejí čekat na reaktory IV. generace. Potřebu zdrojů s vysokou teplotou výstupního média lze „na přechodnou dobu“ řešit technologicky již standardními SMR s lehkovodními reaktory, doplněnými sekundárním kompresním stupněm v systému MASMRaK.

Seznam použité literatury

[1] NEUMAN, P.: Malé modulární bloky SMR českému teplárenství nepomohou. All for Power, 2022, č. 2.

[2] NEUMAN, P.; KRÁLOVEC, J.: BWRX-300 – jediný malý modulární reaktor varného typu. Jaderná energie / Jadrová energia, 2025, č. 1.

[3] NEUMAN, P.: Jaderné elektrárny BWR a příprava k výstavbě BWRX-300. Jaderná energie / Jadrová energia, 2025, č. 2.

[4] NEUMAN, P.: Jadrové elektrárne BWR a príprava na výstavbu BWRX-300, diel 1–3. ATP Journal, 2026, č. 1, 2 a 3.

[5] NuScale Small Modular Reactor Integration for Hydrogen and Ammonia Production. NuScale Power, WP-178373, Rev. 2, 25. 2. 2025.

[6] Rolls-Royce SMR Overview for US NRC. Rolls-Royce SMR Ltd, 2026.

[7] NEUMAN, P.: NUWARD™ SMR – evropský reaktor pro českou energetiku a teplárenství. All for Power, 2023, č. 2.

[8] NEUMAN, P.: NUWARD™ SMR – evropský malý modulární reaktor pro teplárenství. PRO-ENERGY, 2023, č. 3.

[9] Korejský plovoucí modulární reaktor SMART 100/110: koncept získal předběžné schválení. oEnergetice.cz, 24. 12. 2025. Dostupné z: https://oenergetice.cz/jaderne-elektrarny/korejsky-plovouci-modularni-reaktor-koncept-od-samsungu-ziskal-predbezne-schvaleni

[10] LIM, S.-G.: Overall Introduction to the SMR Development in Korea. Workshop EVT2404165, 31. 3. 2025.

[11] NEUMAN, P.: Jaderné teplárny a výtopny – pohled na české možnosti. Odborná konference Kotle, tepelná a jaderná energetika, Brno, 2026.

[12] DVOŘÁK, R.: Technický a ekonomický potenciál jaderných mikroreaktorů. MM Průmyslové spektrum, 2026, č. 6.

[13] Plán pro malé a střední reaktory v České republice – využití a hospodářský přínos. MPO, květen 2023.

[14] Elliott Flex-Op Compressor. White paper CMP 2006.1221. ©2021 ELLIOT Group EBARA Corp.

[15] Brun, K. Compression for Carbon Capture. Ebara Elliott Company, 2024.