Nový projekt jaderné elektrárny pro českou energetiku?

Přístup k různým druhům energetických zdrojů bez předsudků bývá poměrně vzácný, zejména mezi některými politiky, kteří přemýšlí pouze v perspektivách dalšího volebního období. Často argumentují příliš velkými investičními náklady, délkou doby výstavby, provozními riziky, problémy s ukládáním jaderného odpadu apod. Nicméně země, které považují jadernou energetiku za důležitou součást svého udržitelného rozvoje, zdůrazňují její schopnosti dodávat energii bez znečišťování ovzduší a produkce skleníkových plynů. Jaderná energetika bude totiž ještě dlouhou dobu tím nejlepším ze špatných řešení, jak pokrýt zvyšující se spotřebu elektrické práce. Ukáže se to v krátké době, a proto by měli být čeští energetici i průmysl připraveni. Výstavba plynových elektráren, při rostoucích cenách plynu, bude přinášet ekonomický efekt pouze dočasně, a přitom jde o zdroj zranitelný jediným uzavřením kohoutku. Obnovitelné zdroje v našich podmínkách těžko zasáhnou do velké energetiky a jsou většinou energeticky ztrátové. (Pro jejich výstavbu je třeba vynaložit větší množství elektrické práce, než z nich lze získat za celou jejich životnost. Při respektování limitů těžby hnědého uhlí se tedy výběr zdrojů bude klonit k jaderné energetice, pokud nechceme riskovat import elektřiny - bude-li vůbec odkud. CO BRÁT V ÚVAHU PŘED ZAHÁJENÍM VÝSTAVBY Existuje řada způsobů jak snížit investiční náklady a zkrátit dobu výstavby jaderných bloků jednak výběrem vhodného projektu, jednak řízením výstavby: 1. Zjednodušování projektu, zlepšení disposic staveb a systémů za použití modelování, volba co nejspolehlivějších komponent, vývoj pasivních bezpečnostních systémů, snižování počtu komponent a materiálů vyžadujících „jadernou kvalifikaci“, snižování množství zařízení, a další 2. Úspory vyplývající z volby bloků vyšších výkonů 3. Několik bloků na jediném staveništi, uplatnění metod proudové výstavby 4. Opakování výstavby podle stejných projektů na různých staveništích. 5. Standardizace a sériová výstavba (modularizace, výroba větších sestav ve výrobním závodě a tím redukce montážních prací na staveništi) 6. Kvalifikované a účelné řízení výstavby 7. Účelné objednávky a kontraktace 8. Kontrola a řízení jakosti a nákladů 9. Těsná spolupráce s odpovídajícími dozornými orgány. To vše při samozřejmém respektování mezinárodně uznávaných bezpečnostních cílů a požadavků. Nicméně, velké úsilí je užitečné věnovat přípravě, než je vlastní stavba zahájena. Předčasné zahájení bez řádně provedené projektové a investiční přípravy se vždy prodraží. SOUČASNÉ PROJEKTY Jaký by ale měl být nový jaderný blok pro českou energetiku? Měl by odpovídat požadavkům bodu 1. až 5. podle předchozího textu. Pro účely současné energetiky existuje poměrně úzký výběr realizovatelných projektů. Žádný z projektů Generace IV není dosud dopracován do podoby použitelné pro praktické průmyslové využití a tak zůstávají projekty s reaktory III. generace: lehkovodní PWR (tlakovodní), BWR (varné), anebo pokročilé reaktory moderované těžkou vodou a chlazené lehkou vodou. V současné době je k dispozici 19 projektových návrhů lehkovodních reaktorů, tlakovodních či varných, pro elektrické výkony > 700 MW, 10 návrhů bloků střední velikosti (300 až 700 MW) a 7 návrhů reaktorů pro bloky malých výkonů (do 300 MW). Projekty nabízí: l Čína (China National Nuclear Corporation) l Francie & Německo (AREVA, Technicatom) l Japonsko (Mitsubishi, Hitachi, JAERI, Toshiba) l Kanada (AECL) l Korea (KHNP, KAERI) l Rusko (Atomenergoprojekt, Gidropress, RDIPE) l USA (General Electric, Westinghouse) Použité zkratky: KHNP = Korea Hydro & Nuclear Power JAERI = Japan Atomic Energy Research Institute KAERI = Korea Atomic Energy Research Institute RDIPE = Research and Development Institute of Power Engineering Existuje několik výborných projektů s varnými reaktory: ABWR, ABWR-II, ESBWR, BWR 90+, SWR-1000, ale protože šest našich současných jaderných bloků je typu PWR a je pro ně vybudována kvalitní infrastruktura podpůrných pracovišť, nebude zřejmě rozumné uvažovat o přechodu k reaktorům varným. Dalším eliminačním kriteriem bude jednotkový výkon bloku, který by z ekonomických důvodů pro českou energetiku neměl být pod ~ 700 MWe. Uplatníme-li zmíněná eliminační kritéria, je možné uvažovat o projektech uvedených v tab. č.1 Z uvedených projektů pouze AP-1000 (a jeho evropskou modifikaci EP-1000 vypracovanou Ansaldem ve spolupráci s Westinghouse) je možné zařadit do Generace III+, ostatní projekty jsou evolučními modifikacemi G III předcházejících různě zdařilých projektů. Ne všechny zmíněné projekty jsou však dopracovány do hloubky realizační dokumentace, takže reálné objednávky k nim těžko mohou směřovat. V některých případech byla zahájena výstavba a projektové práce ještě probíhají. Důvody mohou být různé, ale výstavba se v takových případech prodraží, plánované termíny nebudou dodrženy a zas budou podpůrné argumenty proti jaderné energetice. Autoři všech projektů uvádějí pravděpodobnost poškození aktivní zóny (Core Damage Frequency) CDF okolo 10-6 až 10-7/ reaktor a rok (současnými normami požadováno <10-5/ reaktor a rok), vysokou spolehlivost, vysoké roční využití instalovaného výkonu ~ 95 % (tj. krátké odstávky pro výměnu paliva a inspekce zařízení), dobu mezi odstávkami na výměnu paliva 18 až 24 měsíců, ekonomickou konkurenceschopnost. Otázkou je, do jaké míry nejsou některá tvrzení projektantů pouze marketingovými přísliby. Všechny projekty (podle tvrzení projekčních kanceláří) plně odpovídají i požadavkům provozovatelů: l URD = EPRI‘s Utility Requirements Document for advanced LWRs (USA) l EUR = European Utility Requirements l JURD = Japanese Utility Requirements Document l KUDR = Korean Utility Requirements Dokument l CURD = Chinese Utility Requirements Document aby projekty co nejlépe odpovídaly i potřebám budoucího provozu, údržby a inspekcí. Některé z projektů již získaly certifikát. ŘADA UNIKÁTNÍCH ŘEŠENÍ Až na AP-1000, který je vskutku jedinečný filosofií projektu a dispozicí jaderného ostrova, se uvedené projekty v základních rysech dosti podobají. Každý z projektů má však několik chytrých řešení buď disposice zařízení nebo komponent, které budou bezpochyby dříve nebo později přejaty ostatními projektanty. Jedním z takových řešení je vestavba hydroakumulátorů korejského APR 1400 (obr. 1), která zajišťuje zalití aktivní zóny v případě LOCA způsobem, který lépe odpovídá požadavkům řešení havárie, šetří chladivo, a tím při stejném objemu akumulátorů vydrží tak dlouho, že není potřebný systém nízkotlakého havarijního doplňování (obr. 2). Akumulátory těchto vlastností nabízí nyní i Mitsubishi pro svůj projekt EU - APWR. Řadu unikátních řešení nabízí projekt VVER 1000 / V 392 (Atomenergoprojekt + Gidropress), který získal certifikát EUR v roce 2007: 1. Rychlé nadávkování koncentrátu H3BO3 z nádrží v ochozu hlavních cirkulačních čerpadel zajišťující takřka okamžitou podkritičnost reaktoru pro případ selhání mechanických absorbátorů (při tzv. ATWS = Anticipated Transient without Scram) 2. Dvoustupňové akumulátory 3. Systém pasivního odvodu tepla do atmosféry prostřednictvím kondenzátorů páry z parogenerátorů umístěných v meziprostoru speciálního dvojitého kontejnmentu 4. Lapač taveniny aktivní zóny jednoduché konstrukce AP 1000 se na nové úrovni vrací k bezucpávkovým hlavním cirkulačním čerpadlům. Jejich výhody jsou známé ze starých projektů (nižší náročnost na údržbu, odstranění potenciální malé LOCA při porušení ucpávky). Malá setrvačnost při doběhu, která byla důvodem, proč se od bezucpávkových čerpadel v minulých projektech ustoupilo, je vyřešena setrvačníkem z ochuzeného uranu (cca 2,3krát větší specifická hmotnost uranu v porovnání s ocelí), takže setrvačník může být subtilnější a může být umístěn v tlakovém pouzdru čerpadla spolu s rotorem elektromotoru omývaným vodou primárního okruhu. Čerpadla jsou navíc vybavena regulací otáček. CHLAZENÍ TAVENINY AKTIVNÍ ZÓNY (CORIA) Neodmyslitelnou podmínkou nových projektů je řešení chlazení coria (taveniny aktivní zóny) při nejtěžších haváriích. Je to požadavek výše zmiňovaných Utility Requirements, jakkoliv jde o havárie s mimořádně nízkou pravděpodobností. Většina projektů PWR i BWR má navržen lapač aktivní zóny mimo tlakovou nádobu reaktoru, v němž je corium rozředěno různými obětovanými materiály, aby se snížil specifický vývin tepla v jednotce objemu taveniny a aby tak byla směs lépe chladitelná. Příkladem může sloužit řešení EPR (obr. 3). Pouze dva projekty (AP 1000 firmy Westinghouse a APWR+ firmy Mitsubishi) řeší chlazení coria uvnitř tlakové nádoby reaktoru (in-vessel retention), takže veškerá radioaktivita zůstává i v případě tavení paliva uzavřena v primárním okruhu. Tlaková nádoba reaktoru je přitom chlazena zalitím šachty reaktoru a vhodně řešeným způsobem cirkulace vody omývající její vnější stěny. U tohoto způsobu existují zcela zřejmé výkonové limity, neboť obětovaným materiálem jsou pouze části vestavby reaktoru a teplosměnná plocha (= vnější stěna tlakové nádoby) musí být tak velká, aby umožnila odvod zbytkového výkonu, aniž by se na jakémkoliv místě protavila. Řešení Westinghouse (na obr. 4) ve spojení s disposicí zařízení AP 1000 a speciálním kontejnmentem umožňuje pasivní dlouhodobé chlazení coria v tlakové nádobě přirozenou cirkulací v šachtě reaktoru. MAXIMÁLNÍ VYUŽÍVÁNÍ PASIVNÍCH SYSTÉMŮ Požadavkem doby je maximální možnost využívání pasivních systémů pro odvod zbytkového tepla z reaktoru. U ESBWR firmy General Electric je dokonce i za provozu teplo z reaktoru odváděno pouze přirozenou cirkulací při tepelném výkonu 4500 MWt a elektrickém 1600 MWe. Využití pasivních systémů pro bezpečnostní systémy je akcentováno v požadavcích všech Utility Requirements, protože samozřejmě zvyšuje spolehlivost. Nejdále ze všech projektů se dostal ve využití pasivních systémů Westinghouse ve svém projektu AP 1000 (viz další text). AWPR+ nabízí koncepci nouzového chlazení aktivní zóny, odvod zbytkového tepla a rychlé snížení tlaku v primárním a sekundárním okruhu při malých LOCA pomocí parogenerátorů. Tento systém eliminuje potřebu systému vysokotlakého doplňování, protože tlak v primáru je rychle snížen a při malých LOCA nedojde k odhalení aktivní zóny před doplněním chladiva z pokročilých hydroakumulátorů a pomocí nízkotlakých (NT) havarijních doplňovacích čerpadel. NT havarijní doplňovací čerpadla dodávají chladivo tak dlouho, dokud nepoklesne zbytkový výkon. Při velkých LOCA je díky rychlému snížení tlaku v primárním okruhu doplňováno velké množství chladiva a primární okruh je zaplněn během krátké doby. DISPOZIČNÍ USPOŘÁDÁNÍ Výhoda umístění bazénu zásoby vodního roztoku kyseliny borité (H3BO3) uvnitř kontejnmentu používaná donedávna pouze ruskými projekty, je v současné době využívána všemi projektanty. Jedině ruské projekty však dosud řeší skladování vyhořelého paliva, před přepravou do meziskladů, uvnitř kontejnmentu. Takové řešení má své bezpečnostní výhody, ale i provozní nevýhody, neboť pro vyvážení vyhořelých palivových souborů z kontejnmentu je nutné volit pouze dobu odstávky, kdy je v kontejnmentu možné pracovat a kontejnment otevřít pro dopravu kontejnerů. Tím se ale doba příslušné odstávky nutně prodlužuje a tak klesá roční využití instalovaného výkonu bloku. Unikátní dispoziční uspořádání nabízí AP 1000 (obr. 5). Bazén zásoby kyseliny borité je uvnitř kontejnmentu umístěn nad úrovní reaktoru, takže v případě úniku chladiva z primárního okruhu bude po vyrovnání tlaku primárního okruhu s kontejnmentem chladivo doplňováno do reaktoru samospádem. Pára uvolněná únikem kondenzuje na vnitřních stěnách ocelového kontejnmentu, odevzdává teplo do atmosféry a stéká zpět do nádrže. V případě selhání odvodu tepla sekundárním okruhem je zbytkové teplo odváděno z reaktoru pasivně výměníkem, ponořeným ve velkoobjemové nádrži kyseliny borité. Pokud dojde k ohřátí nádrže až na bod varu, pára z nádrže kondenzuje na vnitřních stěnách kontejnmentu a odevzdává teplo do atmosféry. Sdílení tepla do atmosféry z povrchu vnitřního kontejnmentu tak slouží k odvodu zbytkového tepla v případě ztráty hermetičnosti primárního okruhu i v případě selhání odvodu tepla sekundárním okruhem. Výškové uspořádání zajišťuje intenzivní přirozenou cirkulaci v primárním okruhu. Zavedení odfuku z pojistných ventilů kompenzátoru objemu pod hladinu nádrže zásoby kyseliny borité umožňuje vyloučení barbotážní nádrže z projektu. Z obr. č. 6 je vidět základní funkce kontejnmentu a jeho pasivní funkce s odvodem tepla do atmosféry. Gravitační nádrž umístěná v horní části vnější betonové ochranné obálky slouží ve výjimečných případech nehod, kdy je nutná intenzifikace odvodu tepla. Pasivní bezpečnostní systémy jsou dostatečné pro zajištění a trvalé udržení chlazení aktivní zóny i integrity kontejnmentu bez manipulací operátora i bez elektrického napájení. První čtyři bloky s jaderným ostrovem AP 1000 stavěné v současné době v Číně (staveniště Sanmen dva bloky a Haiyang, rovněž dva bloky) mají být zprovozněny v letech 2013 – 2015. Kontrakt předpokládá osvojení si technologie a výstavbu dalších bloků čínskými firmami. Obr. 7 ukazuje jadernou elektrárnu Haiyang po ukončení výstavby šesti předpokládaných bloků. DOPRAVITELNOST VELKÝCH KOMPONENT Oříškem pro výstavbu bude doprava velkých komponent jednak pro jejich hmotnost, ale i velikost. Příkladem může sloužit alespoň hmotnost a rozměry největších komponent pro některé projekty v tab. 2. Většina stavenišť současných velkých bloků je na břehu moře, nebo velkých řek, kde doprava lodí nečiní potíže. Vnitrozemské státy s nedobře splavnými řekami mohou očekávat při dopravě velkých komponent pro výkony bloků nad 1000 MW značné (i když nikoli neřešitelné) potíže, popřípadě budou muset omezit výběr některých projektů. VÝZVA PRO ČESKÝ PRŮMYSL Od doby, kdy se český průmysl úspěšně účastnil výroby komponent pro jaderné elektrárny podle projektů VVER, se mnohé změnilo. Odborníci a nositelé know-how jsou většinou v penzi, nebo na pravdě Boží a pouze s pomocí dokumentace nebude snadné výrobu obnovit. Některé podniky zažily tak velké privatizační změny, že se po nich těžko vzpamatovávají. Přesto však má český průmysl nezanedbatelný potenciál a mohl by nabídnout výrobu komponent pro některý z vybraných projektů. V oblasti kvalitních výrobních kapacit panuje již dnes značná nouze. Čtenář si může učinit představu, jakými úvahami by se asi ubíral autor tohoto článku, byl-li by postaven před úkol doporučit nejvhodnější variantu. Ve fázi před výběrovým řízením ale není z obchodních důvodů žádoucí uvádět favorita pouze podle technických parametrů bez znalosti finančních nároků a možnosti participace českého průmyslu. Nechť tady laskavý čtenář promine, že si autor prozatím ponechá svého favorita pro sebe. Ing. František Hezoučký