Představme si, že by se Česká republika rozhodla postavit další jaderné reaktory. Podívejme se, jaké možnosti výběru v současnosti má a bude mít v nejbližší budoucnosti. Na rozhraní tisíciletí začínají pracovat první reaktory generace III. Jsou výrazným krokem směrem k ještě větší bezpečnosti a lepším ekonomickým parametrům ve využívání jaderné energetiky. A právě reaktory tohoto typu by mohly být využity při dostavbě jaderné elektrárny Temelín na původně plánovanou kapacitu čtyř reaktorů. Podívejme se na konkrétní reaktory této generace a jaké generace jaderných reaktorů existovaly a o jakých se uvažuje.
Připomenutí základních principů jaderného reaktoru
Než se začneme zabývat jednotlivými generacemi i konkrétními typy reaktorů, zopakujme si trochu základní fyzikální principy uplatňované v jaderné elektrárně. Podrobněji jsem je popsal už dříve, takže se soustředím na aspekty, které v předchozím článku nebyly. Energie se v jaderném reaktoru produkuje pomocí štěpné řetězové reakce iniciované neutronem. Ta je možná díky tomu, že při každém štěpení se produkuje i několik neutronů, které mohou způsobovat další štěpení. Pravděpodobnost, že neutron způsobí štěpení, je dána jeho energií. Největší je v případě, že mají neutrony energii nízkou, danou čistě jejich tepelným pohybem.
Takovým neutronům říkáme tepelné (případně pomalé). Při štěpení vznikají neutrony s daleko vyšší energií označované jako rychlé. Rychlý reaktor, pracující s rychlými neutrony, musí mít pro udržení řetězové štěpné reakce daleko větší hustotu neutronů a tedy daleko větší počet štěpení. Klasickému reaktoru, pracujícímu se zpomalenými (moderovanými) neutrony, stačí menší počet štěpení. Musí však obsahovat materiál, který dokáže neutrony zpomalit – moderátor. Naše povídání se omezuje na klasické reaktory pracující s moderovanými tepelnými neutrony. Téměř všechny v současnosti komerčně používané energetické reaktory jsou totiž tohoto typu. Pracující rychlé reaktory, o kterých jsem psal při povídání o ruském reaktoru BN600, jsou pouze prototypové a spadaly by v principu do generace I.
Z předchozího je jasné, že reaktor bude charakterizovat v jakém složení a v jakém chemickém i fyzikálním stavu je v daném typu reaktoru palivo a jaká látka se používá jako moderátor. Dalším důležitým údajem je typ media, které se používá k chlazení reaktoru a k přenosu tepla z pracovní zóny reaktoru do systému produkujícího elektrickou energii. Tím je totiž dána i teplota dosažitelná v provozní zóně. Čím vyšší je tato teplota, tím efektivnější je i přeměna tepelné energie na elektrickou. Popsanými fyzikálními a chemickými parametry je do značné míry definován i typ reaktoru.
Palivem může být buď kovový uran. Jeho výhodou je například snazší odvod tepla, nevýhodou pak nižší teplota tavení. Další možností je využití oxidu uranu ve formě keramického materiálu. Teplota tavení je zde vyšší a vedení tepla horší. Ke štěpení pomalými neutrony dochází jen u izotopu uranu 235, takže je důležité, jaký je jeho podíl v použitém palivu. Tomu musí být uzpůsobena konstrukce a uspořádání reaktoru i použitý moderátor. V klasických energetických reaktorech se používá relativně nízké obohacení v řádu několika procent. Některé z nich, například kanadský reaktor CANDU a britský Magnox, používají přírodní uran (jen zhruba 0,7 % uranu 235).
Jako moderátor se v zásadě používají tři typy materiálů. Jednou z možností je normální (lehká) voda. Lehkovodní reaktory se označují anglickou zkratkou LWR (Light Water Reactor). Druhou možností je těžká voda, ve které je místo vodíku deuterium. Těžkovodními jsou kanadské reaktory CANDU. Třetí možností je použití uhlíku v podobě grafitu. Tak tomu je u britských reaktorů Magnox nebo ruských RBMK.
V případě využití vody můžeme zároveň používat tuto tekutinu jako chladivo. Lze využívat vodu za různého tlaku a teploty. Obecně je z hlediska účinnosti chlazení i výroby elektrické energie výhodné používat co nejvyšší teploty. Aby se voda vařila až při teplotě vyšší než sto stupňů, musí být pod vysokým tlakem.Takové reaktory se označují jako tlakové a jejich anglická zkratka je PWR (Pressurized Water Reactor). Pára pro pohon turbíny se pak vyvíjí mimo reaktor. Takových elektráren pracuje zdaleka nejvíce a tohoto typu jsou i reaktory VVER v Dukovanech a Temelínu. Druhým typem lehkovodních reaktorů jsou varné reaktory s anglickou zkratkou BWR (Boiling Water Reactor) V nich je chladivo ve varu a produkuje se pára, která může přímo pohánět turbínu. Jedná se o druhý nejrozšířenější typ reaktorů. Velkou bezpečnostní výhodou spojení funkce moderátoru a chladiva je, že v případě úniku chladiva (tedy i moderátoru) se řetězová reakce zastaví.
V případě využití grafitu jako moderátoru se může používat jako chladiva opět voda. Tak tomu je v případě ruských reaktorů RBMK. Velkým nebezpečím je v tomto případě při prudkém zvýšení teploty exploze vařícího chladiva, rozklad vody na vodík a kyslík a následný požár grafitového moderátoru. Tak se tomu stalo při havárii na čtvrtém reaktoru Černobylské jaderné elektrárny. Druhou možností, která toto riziko neobsahuje, je využití plynu. Může jim být například oxid uhličitý, jako je tomu například u zmíněného britského systému Magnox a u jejich pokračovatelů reaktorů AGR.
Aby reaktor správně fungoval, musíme mít možnost řídit průběh štěpné reakce. Často je to řešeno systémem kontrolních tyčí, které jsou z materiálu pohlcujícího neutrony a mohou se zasunovat nebo vysunovat z reaktoru. Musí být také zajištěno, aby se v případě nestandardní situace řetězová reakce rychle zastavila. K tomu často slouží havarijní tyče, které jsou z materiálu silně pohlcujícího neutrony a v případě nestandardní situace se automaticky, například pádem pod vlivem gravitační sily, zasunou do reaktoru. Kompenzačními tyčemi z materiálu pohlcujícího neutrony se často řeší postupný úbytek paliva a větší pohlcování neutronů vznikajícími štěpnými produkty v průběhu mezi výměnou paliva v reaktoru. Při doplnění čerstvého paliva jsou kompenzační tyče úplně zasunuty. V průběhu činnosti reaktoru se postupně vysouvají a po jejich vysunutí je třeba palivo vyměnit. Jak kontrola, tak řešení rychlého odstavení reaktoru i změny vlastností paliva v průběhu jeho spalování může být řešeno i jinými způsoby než tyčemi. Stejně tak i převod produkované tepelné energie na elektrickou má různé varianty technického provedení.
Jak je to s generacemi jaderných reaktorů?
Reaktory generace I se stavěly hlavně v padesátých a šedesátých letech. Velice často se jednalo o kusové prototypově stavěné reaktory. V podstatě se ověřovalo, zda je možné používat jaderné reaktory k výrobě elektrické energie. Dnes už žádný z nich nefunguje. Za jedinou výjimku by se daly označit dva reaktory typu Magnox v elektrárně Wylfa ve Velké Británii. Reaktory Magnox se stavěly ve Velké Británii od začátku padesátých let až po začátek let sedmdesátých. Jednalo se o reaktory s grafitovým moderátorem, chlazené oxidem uhličitým a používající jako palivo přírodní uran bez obohacení. Byly využívány i pro produkci plutonia. Jejich konstrukce se kontinuálně měnila a jen velmi málo jich je stejných. První elektrárna s reaktorem tohoto typu byla spuštěna v roce 1956, jmenovala se Calder Hall a fungovala až do roku 2003. Celkově bylo ve Velké Britanii postaveno 11 elektráren s 26 reaktory tohoto typu. Řada z nich fungovala až do počátku tohoto tisíciletí. A poslední, postavený v roce 1971, by měl být v provozu ještě do roku 2010 právě ve zmíněné elektrárně Wylfa.
Většina reaktorů dodávajících elektrickou energii v současnosti jsou reaktory generace II. Navazovaly na zkušenosti s úspěšnými modely generace I. Elektrárny se už stavěly v sériích, i když každá byla jednotlivě projektována a konstruována. Využívaly však stejné principy a projekty na sebe navazovaly. Zdaleka největší počet z nich jsou lehkovodní tlakové reaktory, které tvoří více než polovinu pracujících komerčních reaktorů. Paří mezi ně i zmíněné reaktory VVER-440 a VVER-1000, které jsou využívány v jaderných elektrárnách Dukovany a Temelín. Jen reaktorů VVER bylo ve světě postaveno více než sedmdesát. Druhými nejčastěji využívanými reaktory jsou lehkovodní varné reaktory. Kanada pak svoji jadernou energetiku postavila na těžkovodních reaktorech typu CANDU. Velká Británie vyvinula na základě zkušeností s reaktory Magnox grafitové reaktory AGR chlazené opět oxidem uhličitým. V Rusku se kromě lehkovodních reaktorů typu VVER stavěly i grafitové reaktory s vodním chlazením typu RBMK. Tohoto typu byly i reaktor v jaderné elektrárně Černobylu, který díky svým vlastnostem a hlavně velkému lidskému selhání, způsobil největší havárii v historii jaderné energetiky.
Vlastnosti reaktorů III. generace
Ve většině případů reaktory fungují spolehlivě a jsou ekonomicky výhodným zdrojem elektrické energie. Aby se však zabránilo jakýmkoliv možnostem havárie ohrožující zdraví lidí a zlepšila spolehlivost i ekonomika provozu elektráren, bylo potřeba navrhnout a připravit reaktory nové generace. Tyto reaktory většinou vycházejí z úspěšných modelů reaktorů generace II, ale mají daleko lepší bezpečnostní i užitkové vlastnosti. Jedná se o standardizované typy, což zjednodušuje povolovací řízení při výstavbě elektrárny a celkově snižuje náklady a čas výstavby (právě náklady na výstavbu tvoří velkou část celkových nákladů). Jednodušší a robustnější konstrukce umožňuje zjednodušení provozu a větší odolnost proti lidským chybám. Lepší užitné vlastnosti a delší životnost – standardní by měla být šedesát let. Velmi silně redukovaná možnost nehod s roztavením jádra. Minimální vliv na životní prostředí. Zmenšení spotřeby uranu i objemu radioaktivního odpadu umožňuje vysoké vyhoření paliva. Kompenzovat zhoršování vlastností by měly izotopy absorbující neutrony v palivu, které se v průběhu spalování odbourávají a jejich úbytek kompenzuje zhoršující se vlastnosti paliva. To umožňují prodloužení intervalu mezi výměnami paliva.
Z bezpečnostního hlediska je nejdůležitější důraz na pasivní bezpečnostní prvky. Řešení nestandardních či krizových situací probíhá automaticky na základě přírodních zákonitostí a nepotřebuje elektrický či mechanický zásah operátora či kontrolního systému. Je založeno na gravitaci, přirozeném proudění, odolnosti proti tlaku či teplotám. Kontejnment a celková konstrukce budov zajišťuje odolnost proti pádu letadla a dalším vnějším vlivům, jako jsou třeba zemětřesení nebo hurikány.
Generace III je úzce propojená s generací III+ a je možné tyto generace spojit. K čisté generaci III lze zařadit tři typy reaktorů, které si uvedeme. Jsou v nabídce firem, zabývajících se stavbou jaderných elektráren, ale zatím nebyly postaveny.
V Kanadě se pokračovalo ve vylepšování reaktoru využívajícího těžkou vodu modelem CANDU-6 vyráběným firmou AECL (Atomic Energy of Canada). Deset těchto reaktorů spolehlivě funguje v pěti zemích, kromě Kanady například v Jižní Koreji, Číně nebo Rumunsku. Vylepšená verze tohoto modelu, jejíž vývoj se v posledních letech dokončil, se už řadí mezi reaktory třetí generace. Má výkon 750 MWe, prodlouženou životnost na 60 let, zlepšené bezpečnostní vlastnosti, jednodušší ovládání a spolehlivější provoz.
Systém 80+ jsou tlakové lehkovodní reaktory firmy ABB-CE. Reaktor navazuje na předchozí reaktory této firmy. Jeho výhodou je to, že může jako palivo využívat i plutonium, což umožňuje spalování zbraňového plutonia. Tento typ upravila pro své potřeby Jižní Korea.
Firma Westinghouse vyvinula lehkovodní tlakový reaktor střední velikosti AP600. Tato relativně malé zařízení s elektrickým výkonem 600 MWe zatím nebylo objednáno a firma se soustředila na větší reaktor generace III+ AP1000.
Co to je generace III+
Jako generace III+ se označují reaktory, které mají vylepšené prvky pasivní bezpečnosti tak, že se v případě nestandardní situace reaktor dostane do bezpečného stavu automaticky bez pomoci aktivních částí. Zároveň dochází k dalším vylepšením jejich vlastností. V různém stupni rozpracovanosti je několik projektů tohoto typu reaktorů. Jak jsem zmínil, rozdělení reaktorů v rámci třetí generace nemá úplně pevnou hranici. Pokročilý lehkovodní varný reaktor typu ABWR (Advanced Boiling Water Reactor), který začal pracovat v elektrárně Kashiwazaki-Kariwa v Japonsku, je tak na rozhraní mezi generací III a III+. V této elektrárně jsou dva reaktory tohoto typu. Každý z nich má výkon 1356 MWe. Spolu s dalšími v této elektrárně přežily 16. června 2007 velmi silné zemětřesení. I když intenzita zemětřesení byla větší, než bral projekt do úvahy, zařízení se chovala jak přímo při zemětřesení tak i po něm velmi dobře. Reaktory se automaticky bezpečně vypnuly. Nyní se podrobně zkoumá vliv zemětřesení na všechny konstrukce a provádí se podrobné studium stavu elektrárny před opětným spuštěním. Další reaktory tohoto typu se staví v Japonsku a dva na Tchaj-wanu.
V Evropské Unii se staví dvě zařízení, která už patří ke generaci III+ nesporně. Prvním je třetí reaktor finské elektrárny Olkiluoto, který už je ve značném stupni rozestavěnosti a měl by být dokončen v roce 2011. Stavba čtvrtého bloku této elektrárny je ve schvalovacím řízení a stále je ještě otevřená otázka, který typ reaktoru bude vybrán. Druhé takové zařízení se začalo budovat v roce 2007 jako třetí blok jaderné elektrárny Flamanville ve Francii, kde jsou už dva starší reaktory o výkonu 1330 MWe. Jak ve Finsku tak ve Francii se jedná o reaktor typu EPR (European Pressurised water Reaktor) s výkonem mezi 1600 až 1750 MWe. Reaktor byl vyvinut firmou Areva NP ve spolupráci Francie a Německa. Měl by být schopen využívat palivo MOX obsahující plutonium z přepracovaného vyhořelého paliva.
Stavba reaktoru ve Finsku nabrala zpoždění. Hlavním důvodem jsou problémy s dodavatelským stavebními firmami. Ukazuje se, že díky přerušení v provádění staveb jaderných elektráren, chybí stavební firmy, které dokáží provádět betonáže na takových stavbách v požadované extrémní kvalitě. V současnosti se úsilí při budování bloku Olkiluoto 3 soustřeďuje na přesun s fáze budování do fáze instalace zařízení.
Dosud byla provedena polovina potřebných betonáží, což reprezentuje zhruba 110000 metrů krychlových betonu. Většina stěn budovy reaktoru na hlavní základové desce již stojí, betonáž první sekce vnějších stěn kontajnmentu je dokončena a pracuje se na ocelové výztuži druhé sekce. Úspěšně pokračuje betonáž i dalších budov elektrárny. V turbínové hale byl instalován těžký hlavní jeřáb a proběhla instalace kondenzorů. Všechny hlavní komponenty reaktorové i turbinové části jsou vyrobeny. Tlakový test reaktorové nádoby proběhne v létě a do konce roku by měla být nádoba dopravena do Olkiluoto.
V Rusku se vyvíjí nový typ lehkovodního tlakového reaktoru na základě posledních osvědčených modelů VVER-1000 (vylepšených hlavně z bezpečnostního hlediska). Tyto model VVER-1000 se staví v současnosti v Číně a Indii a dva takové bloky se plánují i pro bulharskou elektrárnu Belene. Typ VVER-1200 by měl splňovat parametry reaktoru třetí generace s velmi dobrými pasivními bezpečnostními prvky. Reaktor by měl mít dvojitý kontajnment a kromě jiného i zvýšenou odolnost proti zemětřesení a pádu letadla. Poprvé by se měl uplatnit při stavbě jaderných elektráren Novovoroněž II s plánovaným spuštěním v letech 2012-13 a Leningrad II se spuštěním v letech 2013-2014.
Tlakový lehkovodní reaktor je i projekt firmy Westinghouse. Jedná se o typ AP1000, který vychází z modelu AP600. Jedná se reaktor s elektrickým výkonem 1117 MWe. Jsou zde splněny všechny požadavky na pasivní bezpečnost pro reaktory generace III+. Přirozená cirkulace, gravitace, konvekce jsou využívány, aby se v případě nestandardní situace reaktor udržel v bezpečném režimu a vypnul automaticky bez zásahu operátora. Dalšími bezpečnostními prvky jsou i velice pevný kontajnment a systém jeho chlazení.
Ještě větší tlakový lehkovodní reaktor vyvíjejí společně firmy Westinghouse a Mitsubishi. Typ má označení APWR (Advanced Pressurized Water Reactor) a elektrický výkon 1500 MWe. První reaktory se plánují pro japonskou elektrárnu Tsuruga. Projekt je pokračováním vývoje v Japonsku a měl by být následovníkem existujících japonských tlakových lehkovodních reaktorů.
Japonská firma GEH (GE-Hitachi Nuclear Energy) vypracovala projekt varného lehkovodního reaktoru ESBWR (Economic Simplified Boiling Water Reactor) s elektrickým výkonem 1550 MWe, u kterého momentálně probíhá certifikace ve Spojených státech.
Pokračováním řady těžkovodních reaktorů je kanadský projekt ACR1000, který bude využívat jen slabě obohacený uran. Využívá velice dobré zkušenosti s provozováním reaktorů CANDU-6, které patří k těm nejspolehlivějším.
Existují i další zajímavé projekty reaktorů generace III, ale ty v současnosti nejblíže k možnému dodání jsme si uvedli. Reaktory generace IV bych si nechal pro následující povídání, takže se ještě podívejme na některé aspekty výběru vhodného reaktoru pro českou energetiku.
Jaký reaktor vybrat?
Relativně podrobný, i když ne úplný, přehled reaktorů generace III jsem zde uvedl, abych dokumentoval, že v případě rozhodnutí o stavbě nových reaktorů v Temelíně nebo jinde je dostatek možností k výběru.
Pro nás by mohly být velice zajímavé lehkovodní tlakové reaktory, protože ty se v českých jaderných elektrárnách provozují. Jak jsem ukázal v předchozí části, nabízejí se v současnosti čtyři modely generace III+. Všechny splňují přísná bezpečnostní kriteria stanovená pro takové reaktory. Navazují na modely úspěšně fungujících reaktorů druhé generace a firmy, které je nabízejí, postavily řadu spolehlivě fungujících reaktorů. V době případného výběru reaktoru pro Temelín už budou u evropského reaktoru EPR první zkušenosti z výstavby a možná i provozu ve Finsku a ve Francii. Také u ostatních třech modelů je velká šance, že v té době se už budou stavět. Typ VVER-1500 v elektrárně Novovoroněž II, typ AP1000 někde ve Spojených státech nebo Asii a typ APWR v elektrárně Tsuruga. Při výběrovém řízení pak bude třeba zhodnotit i zkušenosti z výstavby. Pochopitelně cenu, řadu dalších aspektů a i to, jestli se na výrobě některých reaktorů dokáže uplatnit český průmysl.
Všechny firmy uvádějí dobu výstavby elektrárny i s přípravou staveniště a otestováním její funkce v řádu 4 – 5 let. Je třeba počítat s tím, že první stavby ještě budou řešit počáteční problémy, které se zákonitě objevují u nových projektů. Navíc se ukazuje ještě jeden problém. Vzhledem k tomu, že v Evropě se teď delší dobu jaderné elektrárny nestavěly, zkušení stavaři a technici jsou v současnosti nedostatkovou položkou. Stavba jaderné elektrárny klade velké nároky na kvalitu stavební i technologické části a není velký počet firem, které jsou schopny tuto kvalitu zaručit. Tento problém se projevuje opožďováním jak při výstavbě elektrárny Olkiluoto tak třeba i dostavby v minulosti z finančních důvodů pozastavených projektů jaderných bloků v Rusku.
Pozdějším objednáním nových jaderných zdrojů se můžeme vyhnout dětským nemocem nových typů reaktorů. V tomto případě však existuje jiné riziko. V současné době se v Evropě i ve Spojených státech staví jen pár jaderných elektráren, větší stavební ruch je v této oblasti jen v Asii. Firmy vyrábějící jaderné reaktory tak mají volné kapacity. Energetické potřeby Asie budou růst a tamní poptávka po jaderných elektrárnách určitě nepoleví. Spíše naopak. Spojené státy, Francii a Velkou Britanii čeká nutnost nahradit řadu dosluhujících jaderných elektráren. Další státy, jako je například Itálie nebo Švédsko, uvažují o přehodnocení svého postoje k jaderné energetice a výstavbě jaderných elektráren. Posílení svého energetického sektoru potřebuje i většina východoevropských zemí. Německo sice zatím nahrazuje dosluhující zdroje masivní výstavbou uhelných elektráren. Je však možné, že přece jen u něj převáží snaha o snížení produkce oxidu uhličitého a dojde ke změně postoje k jaderné energetice. V takovém případě by mohla v příštích desetiletí nastat obrovská poptávka po jaderných elektrárnách. Pokud nezareagujeme včas, může být velký problém najít firmu s volnou kapacitou.
Jaderná energetika není při naplňování energetických potřeb lidstva samospasitelná. Ostatně jako libovolný jiný zdroj. Má své výhody i problémy. Jedná se o centralizovaný velký zdroj s výkonem stovek MWe. A právě potřebu takových zdrojů může naplnit. Projektují se i menší, kompaktní zdroje (i mobilní), ale doménou jádra zůstanou ty velké. Tak jako doménou využití sluneční, větrné energie a energie z biomasy budou spíše decentralizované menší zdroje. Při vytváření vhodné kombinace energetických zdrojů pak je třeba uvážit podmínky v dané oblasti. V pouštních oblastech blíže rovníku jsou ideální podmínky pro sluneční elektrárny, v oblastech se stabilním větrným prouděním pro větrné, pokud je dostatek organického odpadu, lze dát větší váhu na spalování biomasy. Pokud však máme průmyslovou nebo hustě obydlenou oblast, kde není přebytek volného prostoru, je nutné se při jejím zásobování opřít hlavně o kompaktní zdroje. A v tomto případě může být ideálním řešením jaderná elektrárna. Při posuzování vhodné kombinace zdrojů je třeba posuzovat jak ekonomická tak i ekologická hlediska. A právě reaktory generace III+ by mohly být z těchto hledisek vhodným prvkem světové, evropské i české energetiky pro následující půlstoletí.
Nejsem expert na reaktory, takže se omlouvám za možné nepřesnosti a děkují za upřesnění a doplnění. Velice pěkný přehled reaktorů lze najít na těchto stránkách a velký soubor fotografií jaderných elektráren zde.
Rychlý jaderný reaktor BN600 – spolehlivý civilní služebník
Autor: Vladimír Wagner (09.04.2008)
Diskuze:
