Ľahkou vodou chladené a moderované reaktory (LWR)
|
||||
prezentácia LWR reaktory.ppt
V USA, Department Of Energy (DOE) v spolupráci so súkromným sektorom vyvinuli tri vylepšené typy reaktorov. Dva z troch spadajú do kategórie „vývojových“ ktoré postavili priamo na skúsenostiach pri práci s reaktormi chladených lahkou vodou v USA, Japonsku a Západnej Európe. Tieto reaktory sa výkonnostne pohybujú okolo 1400MW e .
Tretí z nich spadá do kategórie zdokonalených varných reaktorov (ABWR), ktoré sú úspešne prevádzkované súkromným sektorom v Japonsku, dva sú vo výstavbe na Taiwane. Další typ, systém 80+, je vylepšený tlakovodný reaktor (PWR), ktorý je pripravený na komercnú prevádzku. Taktiež aj osem reaktorov systém 80 v Južnej Kórei s množstvom funkcií prebratých zo systému 80+, bude tvorit základ pre Kórejský program (Korean next generation reactor).
US Nuclear Regulatory Comision (NRC) udelila konecným projektom licenciu v máji 1997. Reaktor typu ABWR bol schválený a bola mu udelená licencia aj v Európe.
Dalším, viac zdokonaleným Americkým reaktorom je menší - 600MW e . Je zabezpecený aj pasívnymi bezpecnostnými funkciami (jeho projektovaná možnost znicenia aktívnej zóny je tisíc krát menšia ako je súcasná požiadavka NRC. Reaktor typu AP 600 od Westing-house vyhral licenciu spomedzi všetkých posudzovaných typov v decembri 1999.
Reaktor od Westing-house AP-1000 navrhnutý podla AP-600 je momentálne podrobovaný kontrole NRC a caká na licenciu pre kompletný projekt. Projektovaný cas výstavby by sa mal skrátit na 36 mesiacov. 1100 MW e reaktora AP-1000 by malo vyprodukovat 1kWh-u za menej ako $ 0,035 US. To je menej ako je aktívne stanovisko pre výstavbu vo Velkej Británii ci USA a navyše reaktor AP-1000 je schopný íst len na MOX palivo ak si to situácia vyžaduje.
Aj napriek týmto vylepšeniam jadrový priemysel a DOE definuje reaktor štvrtej generácie a s nimi aj kritériá takéhoto reaktora, ktoré by mali byt stanovené medzinárodnou skupinou.
V Japonsku sú prvé dva reaktory typu ABWR v prevádzke už od roku 1996 a ocakávaná životnost je 60 rokov. Náklady na výstavbu sa pohybovali okolo $2200US/kW a náklady na výrobu 1kWh sa pohybujú okolo $0,07 US. Do budúcnosti sa pocíta so znížením nákladov na $ 1700US/kW. Dalšie reaktory tohto typu sa stavajú v Japonsku a Taiwane.
Velký (1500 MW e ) vylepšený reaktor typu PWR sa vyvíja v spolupráci Westinghouse a Mitsubishi. Prvé dva reaktory tohto typu by mali byt postavené v Tsuruge. Ide o jednoduchú kombináciu aktívneho a pasívneho chladiaceho systému s vylepšením efektom. Reaktor bude mat vyhorenie okolo 55GWd/t. Konštruktérske práce na tomto reaktore koncia a ten by sa mal stat základným kamenom dalšej generácie japonských PWR-iek. Naviac, Mitsubishi spolupracuje s Westinghouse aj na vývoji reaktora typu AP-1000.
V Južnej Kórei bol reaktor typu AP-1400 (APWR) známy aj ako kórejský reaktor budúcej generácie vyvinutý z amerického systému 80+. Prvý takýto reaktor (1400MW e ) bude postavený v Shin-Kori a predpokladané náklady na výstavbu sa odhadujú na $1200US/kW a cas výstavby okolo 48 mesiacov.
V Európe sa tri projekty vyvíjali podla európskych praktických požiadaviek, ktoré vychádzali z francúzskych a nemeckých poznatkov a prísnych bezpecnostných kritérií.
Spolocnost Framatome vyvíja velký (1550 – 1750MW e ) Európsky tlakovodný reaktor (EPR, 1550 – 1750MW e ), ktorý bol v roku 1995 ustanovený ako nový projektový štandart pre Francúzsko. Je odvodený od francúzskej N4 a nemeckého reaktora Konvoi. Predpokladá sa, že náklady na výrobu el. energie budú o 10% lacnejšie ako reaktor typu N4. Bude v prevádzke až do dalšieho zavážania paliva, vyhorenie sa bude pohybovat okolo 65GWd/t, bude mat najväcšiu tepelnú úcinnost spomedzi lahkovodných reaktorov (36%) a predpokladaná životnost je 60 rokov.
Spolu s pomocnými a bezpecnostnými orgánmi, Framatome vyvíja další novodobý projekt, SWR 1000 reaktor (1000 – 1290MW e ) typu BWR. Projekt bol hotový v roku 1999 a vývoj bol ukoncený spolocne s US projektovým certifikátom. Vela pasívnych bezpecnostných funkcií ako aj celkovo jednoduchší reaktor, použitie paliva s vyšším vyhorením, umožnujú doplnenie a výmenu paliva až po 24 mesiacoch. Reaktor je pripravený pre komercné využitie.
Vo Švédsku spolocnost Westinghouse vyvíja novodobý projekt BWR 90+ (1500MW e ) spolocne so švédskym pomocným programom v snahe o lepšie priblíženie sa ku EUR požiadavkám.
V Rusku sa vyvíjajú dva reaktory typu advanced PWR s mnohými pasívnymi bezpecnostnými funkciami.
Výstavba prvého 640MW e bloku reaktora typu V-407 (VVER-640) je pripravená v lokalite Sosnov Bor nedaleko Leningradu. Jeden alebo dva 1000MW e bloky s reaktormi typu V-392 (vylepšený typ VVER 1000) sa plánuje vystavit v Novovoronezh. Naviac bol vyvinutý aj reaktor VVER-91 (1000MW e ) so západným kontrolným systémom a dva reaktory by sa mali postavit v Cíne.
V tomto probléme by mohli príst na pomoc reaktory typu breeder a konvertor, ktoré by mohli do urcitej miery nahradit zdroje jadrového paliva. Od pociatku výskumu množivých reaktorov bolo vynaložené velké úsilie na ich vývoj hlavne pre ich schopnost získat skoro sto krát viac energie z rovnakého množstva uránu ako u LWR reaktorov. A navyše získané plutónium je možné opät použit po prepracovaní ako palivo pre LWR a možno aj HTR reaktory. Záujem a aj výskum sa však pozastavil v 80-tych rokoch.
Ak by sa spolocnost zvolila rýchli nárast jadrovej energie, otázka paliva by bola znovu aktuálna. Z ekonomického hladiska však pravdepodobne výstavba množivých reaktorov nebude zaujímavá. Bude vybudovaných len tolko reaktorov, kolko bude potrebných na na tvorbu štiepneho materiálu a tak sa vytvorí akási symbióza s LWR reaktormi.
Pri rýchlych reaktoroch musíme uvažovat o uzavretom palivovom cykle a opätovnom prepracovaní paliva a tvorbe MOX paliva. Len obe technológie zvýraznia prínos a umožnia konkurencie schopnost rýchlych reaktorov.
Mnohé prieskumy verejnej mienky ukazujú na podporu jadrových elektrární, hlavne obyvatelstvom v okolí elektrárne. Ked sa však jedná o postavenie novej elektrárne, priazen prudko klesá. Najháklivejšou otázkou stále ostáva vyhorené palivo a bezpecnost. Môžeme sa teda spýtat ci je vhodné podporit nové typy reaktorov a uspokojit tak verejnost no zároven sa tak odklonit sa od plánovanej línie? Odpoved znie nie a to hned z viacerých dôvodov:
nové reaktory ešte nie sú pripravené zaujat pozíciu na trhu, naviac ich preferovanie by mohlo pribrzdit momentálny mierny nárast záujmu o jadrovú energetiku (o com svedcia aj projekty v Ázii, Fínsku, USA).
dnešné LWR reaktory sú na velmi vysokej úrovni co sa bezpecnosti týka a splnajú aj najprísnejšie kritériá, vrátane limitov pre natavenie AZ. Naviac zmena orientácie by mohla ciastocne podlomit dôveru aj u zostatku populácie
rýchla popularita sa naviac velmi rýchlo vytráca spolu s miznúcim záujmom médií
neocakávané problémy každého druhu sa môžu vyskytnút po prednesení projektu a to u všetkých typov reaktorov
Ked berieme v úvahu všetky argumenty, je zrejmé, že zmena verejnej mienky nezávisí len na technológiách samotných. Nulové riziko neexistuje. Našou hlavnou úlohou je presvedcit spolocnost o potrebe nových elektrární a tak ospravedlnit riziká s tým späté. Nie je potrebné priniest projekty zrozumitelné pre všetkých, ovela dôležitejšie je presvedcit autority a tak vlastne ovplyvnovat aj myslenie celej spolocnosti (Fínsko). Naviac najnovšie štúdie poukazujú na väcšie obavy z jadrového odpadu než na samotné využívanie jadrovej energie. Takéto názory prevládajú vo všetkých krajinách EÚ dokonca aj v Rakúsku. Preto je velmi dôležité ukázat spolocnosti projekty a možné scenáre konecného uloženia jadrového odpadu.
V konecnom dôsledku by sme mi mali zhodnotit reálne využitie a ekonomickú konkurencie schopnost novej línie reaktorov a nedovolit aby verejná mienka viedla naše rozhodovanie pri technologických rozhodnutiach. Na druhej strane by sa mal jadrový priemysel viac angažovat a vplývat na verejnú mienku. Zdôraznovat, že energia získaná z jadra patrí tiež medzi bez uhlíkové zdroje energie.
Jadrovo energetický priemysel skúmal a vylepšoval technológiu reaktorov už takmer pät desatrocí, a teraz je pripravený na dalšiu generáciu reaktorov, ktorá bude splnat ocakávané podmienky dalších pät až dvadsat rokov.
Asi 85% svetovej elektriny vyrobenej v jadrových elektrárnach je vyprodukovaných v rektoroch odvodených z reaktorov vyrobených pre námorníctvo. Tie a celá druhá generácia jadrovo energetických zariadení boli skonštruované pre bezpecný chod a rentabilitu, no postupne boli nahradené vylepšenými modelmi.
Reaktory dodávané v Severnej Amerike, Japonsku, Európe, Rusku a Južnej Afrike majú množstvo nových typov systémov a zdokonalené plánovanie, zatial co iné sú v štádiu výskumu. Štvrtá generácia reaktorov je v stave plánovania.
Tretia generácia reaktorov bude mat:
štandardizovaný dizajn pre každý typ na získanie licencie, znížené náklady a znížený cas výstavby
jednoduchší a stabilnejší dizajn, ktorý ulahcí prácu s ním a nebude tak citlivý na operacné rozruchy
väcšiu použitelnost a dlhší operacý život (okolo šestdesiat rokov)
zníži sa riziko natavenia aktívnej zóny
zníži sa vplyv na vonkajšie prostredie
zvýšený stupen vyhorenia paliva na zredukvanie množstva použitého paliva a odpadu
vyhorenia schopné absorbéry na predlženie životnosti paliva
Najv äcšia cast zo súcastných návrhov jadrových elektrární sa snaží pripojit pasívne a prirodzené bezpecnostné funkcie, ktoré nepotrebujú aktívnu kontrolu alebo operatívny zásah pre vyvarovanie sa nehode pri udalosti alebo poruche a spoliehajú sa na gravitáciu, prirodzenému prúdeniu ci rezistencia na vysokú teplotu.
Potenciál a budúcnost LWR reaktorov
Nárast spotreby elektrickej energie.
V celosvetovom meradle bude zvyšovanie spotreby elektrickej energie narastat ešte niekolko nasledujúcich desatrocí. Z dôvodov, ktoré sú všetkým známe stály nárast využívania fosílnych palív, ako primárneho zdroja nie je riešením. Aj silná podpora získavania energie z obnovitelných zdrojov nie je a v blízkej budúcnosti ani nebude konecným riešením.
Najnovšie výskumy ukazujú, že spotreba elektrickej energie sa v najbližších 50 rokoch zdvojnásobí a príspevky z jednotlivých zdrojov sa tiež dramaticky zvýšia. Aj za predpokladu prudkého nárastu využívania fosílnych palív (bez ohladu na ich vplyv na životné prostredie) a pri najlepšom možnom scenári využitia obnovitelných zdrojov sa ukazuje nutnost využitia kapacít jadrového priemyslu. Ci už berieme v úvahu optimistické alebo pesimistické scenáre, vidíme jasné zvýšenie a posilnenie na energetickom trhu.
Aj napriek rozdielnemu prístupu EC (European commission v správe WETO – world energy, technology and climate policy outlook 2003 pre EÚ) a DOE (department of energy v správe world energy outlook 2003, obe organizácie predpokladajú zvýšenie využitia jadrovej energie aj v štátoch EU.
Rôznorodé scenáre od rôznych agentúr tak ponúkajú široké spektrum možného smerovania výskumu a vývoja. Väcšina týchto inštitúcií však súhlasí s vývojom v jadrovej energetike v celosvetovom meradle. Kladný prístup majú aj k zvýšeniu podielu jadrovej energetiky na trhu, ako k energetickému zdroju cenovo prístupnému, šetrnému k životnému prostrediu a spolocensky akceptovatelnému. A tak sa ponúkajú dva základné smery orientácie jadrovej energetiky:
starostlivost o dnešnú pozíciu a jej expanziu v celosvetovom meradle v tradicných poliach pôsobenia (výroba elektrickej energie)
preniknút do iných možných oblastí pôsobenia
Aj ked získavanie elektrickej energie z jadra je staršie ako 50 rokov, jadrové technológie sú stále pomerne mladé a vyvíjajúce. Ponúkajú široké pole pôsobenia a získané poznatky by sa mali premietnut v dalšej generácií reaktorov (IV.). Pre výrobu energie základného pásma sú momentálne najcastejšie využívané velké bloky s vodnými reaktormi s osvedcenou technológiou a spolahlivostou im prislúchajúcou. Okolo 85% dnes operujúcich jadrových elektrární a skoro všetky vo výstavbe patria medzi LWR elektrárne (light water reactors, chladené a moderované lahkou vodou). Je to práve táto technológia, ktorá získala taký úspech a priazen, ktorú je možné využit v nasledujúcich rokoch. Poznatky naakumulované v jadrovom priemysle, vedecká spolocnost, organizácie a uznávané autority sú nesmierne cenné pre budúcnost jadrovej energetiky.
Jadrový priemysel a jeho miesto v produkcii elektrickej energie.
Zvýšený stupen elektrifikácie, coraz viac možností aplikácie el. energie zvyšuje spotrebu el. energie. Zväcšovanie urbanizácie najmä v rozvojových krajinách si pýta viac centralizovaných zdrojov el. energie aj napriek celosvetovej snahe o decentralizáciu.
Jadrová energetika má pevné miesto vo výrobe el. energie hlavne v podobe velkých blokov v priemyselných krajinách so silnou sietou. To svedcí o jej konkurencnej schopnosti aj v podmienka so silne deregulovanými cenami. A aj nadalej výroba el. energie v základnom pásme ostáva hlavnou úlohou jadrového priemyslu.
Vo väcšine krajín s jadrovými elektrárnami sa pozornost upriamuje na predlženie životnosti jadrových elektrární nad 40 rokov. Ale aj tak koncom tohto desatrocia bude nutné pristúpit ku výstavbe nových blokov a to hned z dvoch dôvodov:
nahradenie starnúcich blokov a technológií
uspokojenie stále narastajúcej spotreby
Aj pri absencii starých osvedcených reaktorov blízka budúcnost bude aj nadalej patrit LWR reaktorom. Aj napriek ocakávanému „rozmachu“ záujem je nadalej orientovaný na vylepšené reaktory druhej generácie alebo na nové typy postavené na ich základoch. Je to hlavne pre ich lepšie ekonomické postavenie a pre ich bezpecnostné zabezpecenie vyhovujúce požiadavkám 21. storocia. Aj pre predpokladaný záujem mnohé z nových typov sú už v procese overovania a cakajú na udelenie licencie.
Reaktory II. generácie ponúkajú jedinecnú oporu v skúsenostiach a výskume pre III. generáciu reaktorov. Tieto boli projektované v tesnej spolupráci priamo so zákazníkmi a berú v úvahu konkrétne požiadavky. Vo vela aspektoch je III. generácia reaktorov v priamej symbióze s už pripravovanou IV. generáciu. A tak niektoré typy vodných reaktorov sú schopné konkurencie aj s pripravovanými novými reaktormi IV. generácie.
Na druhej strane nie sú dôvody predpokladat, že LWR reaktory už vycerpali všetky svoje možnosti a technický potenciál. Aj tu je ešte stále co vylepšovat hlavne v oblasti štandardizácie, automatizácie, rozhranie stroj-clovek ...
Ak ponecháme cas pre vývoj je lahké odhadnút, že LWR reaktory budú silne dominovat na trhu ešte najmenej 20 rokov.
Preniknutie jadrového priemyslu do nových odvetví.
Ohranicené využitie fosílnych palív nielen v oblasti výroby el. energie pri narastajúcich požiadavkách je zrejmé. Je dôležité dokázat nahradit zvyšujúcu spotrebu fosílnych palív v priemyselnej oblasti a vykurovaní. Sú tu minimálne tri sektory kde by mohol jadrový priemysel nájst nové uplatnenie:
výroba vodíka H 2 (elektrolýza, termo-chemické procesy)
odsolovanie mora
výroba tepla a jeho distribúcia
Už dnes sú niektoré menšie elektrárne zdrojom tepla pre odsolovanie mora, vo Švajciarsku dokonca využívajú jadrovú elektráren na výrobu pary pre kartonáž. Jadrový priemysel by mohol preniknút ovela viac do nových aplikácií s novými upravenými reaktormi. Takéto malé bloky by boli schopné prekonat aj ekonomické prekážky, ktoré sú momentálne asi najväcšou bariérou.
Oveľa lákavejšou častou pre uvedenie jadrového priemyslu je obchod s vodíkom. Kedže v poslednom case využite vodíka prudko stúpa z viacerých dôvodov:
ako chemický prvok s možnostou lahkého získania velkej energie
ako možné palivo pre statické ale aj mobilné jednotky
možnost uskladnenia energie
Dlhodobým riešením pre termo-cemickú výrobu vodíka by bolo priame využitie vysokotepelného ohrevu v reaktoroch typu HTR. S touto alternatívou môžeme pocítat najskôr od roku 2020. Za možné medzi kroky môžeme považovat:
elekrolýzu vody v mimo špickovej prevádzke elektrárne zameranej na výrobu el. energie
využitie nižšej teploty pary na spracovanie zemného plynu
Tieto možnosti poskytujú dnešné typy reaktorov a ich vylepšené verzie. To znamená, že pocas najbližších rokov by mal jadrový priemysel preniknút na tento trh s dnešnými reaktormi a snažit sa o zabezpecenie konkurencie schopnosti popri výrobe el. energie.
Na druhej strane práve snaha o preniknutie na tieto trhy by mala zvýhodnit nové typy reaktorov a podporit tak ich rozvoj.
A tak IV. generácia reaktorov by nemala slúžit „len“ na výrobu el. energie ale mala by byt konkurencie schopná aj v iných odvetviach. Tiež však nemôžeme ocakávat, že nové typy reaktorov obsadia pozíciu na energetickom trhu a úplne vytlacia klasické energetické reaktory. Prenikanie bude pravdepodobne pomalé a len velmi tažko budú vytlácat LWR reaktory s velkým množstvom skúseností a dobrou pozíciou, ktoré momentálne jasne dominujú na trhu. A tak na dlhý cas bude IV. generácia reaktorov braná len ako doplnková.