Energetyka jądrowa na świecie
Z jednej strony szybko rosnące ceny ropy i gazu ziemnego, z drugiej zaostrzające się wymogi ochrony środowiska stymulują niespotykany dotąd rozwój energetyki jądrowej na naszej planecie.
Obecnie na świecie budowanych jest 28 elektrowni jądrowych, dalszych 39 tego typu inwestycji ma już pełne zabezpieczenie finansowe, a aż 59 znajduje się w stadium planowania i wstępnego projektowania1.
W niektórych krajach – np. w Niemczech, Szwajcarii czy w Szwecji – wciąż jeszcze dyskutuje się nad dalszymi losami elektrowni jądrowych. Natomiast w innych – USA, Finlandii, Francji, Anglii, Kanadzie, Chinach, Indiach, Pakistanie, Japonii czy na terenie Południowej Afryki – buduje się liczne, najczęściej nowej generacji elektrownie jądrowe, by jak najszybciej wyeliminować nieodnawialne nośniki energii z wytwarzania ciepła użytkowego i prądu elektrycznego.
Dziś udział elektrowni jądrowych w światowej produkcji energii elektrycznej wynosi 16%. Uczestniczy w niej 441 reaktorów, z których 80% eksploatowanych jest ponad 15 lat. Wiele z nich należy do klasy niskotemperaturowych typu wodnego, które charakteryzują się niską sprawnością.
W Europie buduje się obecnie dwie elektrownie jądrowe, z których każda ma reaktor o mocy 1600 MW: jedną we Francji, a drugą w Finlandii. Pierwsza z nich będzie uruchomiona w 2008 r., druga w 2012 r.
Pracujący w Holandii reaktor jądrowy uzyskał akceptację na wydłużenie eksploatacji do 2033 r., a ponadto planowana jest budowa następnego. W Wielkiej Brytanii powstanie kolejne sześć elektrowni jądrowych, a w Republice Czeskiej i Bułgarii – po jednej. Nawet Turcja, która pięć lat temu wstrzymała budowę swoich elektrowni jądrowych, teraz wznawia roboty inwestycyjne przy dwóch z nich.
Rosjanie budują aktualnie cztery elektrownie jądrowe u siebie w kraju (w tym jedną z neutronowym reaktorem o mocy 800 MW), a dwie – w Iranie. Inżynierowie rosyjscy przygotowują również budowę elektrowni jądrowej o mocy 2000 MW w Wietnamie, której rozruch zaplanowano na 2020 r.
W USA przygotowuje się aż 13 przedsięwzięć inwestycyjnych nowej generacji elektrowni jądrowych. Do kilku z nich zaangażowano joint venture firm Constellation Energy oraz Areva.
Największy koncern energetyczny Bruce Power w Kanadzie realizuje budowę elektrowni jądrowych o wartości 3 mld euro, a dalsze inwestycje w tej branży będą kosztowały prawie 40 mld euro.
W Japonii buduje się pięć reaktorów jądrowych, a plany inwestycyjne Chin obejmują 30 elektrowni tego typu.
Rys. Schemat reaktora modułowego PBMR
1 – rdzeń reaktora, 2 – wysokoprężna turbina, 3- niskoprężna turbina,
4 – turbina napędzająca generator, 5 – generator, 6 – podgrzewacz odzysknicowy,
7 – chłodnica wstępna, 8 – sprężarka niskociśnieniowa,
9 – chłodnica pośrednia, 10 – sprężarka wysokociśnieniowa.
Elektrownia jądrowa nowej generacji
Wśród aktualnie eksploatowanych elektrowni jądrowych dominują te z reaktorami chłodzonymi wodą (w systemie ciśnieniowo-obiegowym lub ciśnieniowo-wrzącym). Pastylki paliwa uranowego umieszczane są w rurkach ze stopu cyrkonowego o długości 3,9 i 4,1 m i średnicy 1 cm. Charakteryzuje je relatywnie niska sprawność, najczęściej ok. 35%. Jest to spowodowane niewielką temperaturą chłodzenia reaktorów: w systemie ciśnieniowo-obiegowym wody wynosi ona 300-350°C, a przy chłodzeniu wodą wrzącą przy ciśnieniu 7-8 MPa osiąga się ok. 285°C.
Znacznie wyższą sprawność osiągają reaktory wysokotemperaturowe (HTR – High Temperature Reactor) chłodzone gazem – najczęściej helem. Te pracują w temperaturach 600-1000°C, a elektrownie, które je stosują, osiągają sprawności ok. 50%.
Używane w tych reaktorach kule grafitowe o średnicy 6 cm wypełnione są paliwem jądrowym w postaci ziarenek o średnicy 0,4-0,7 mm. W czasie eksploatacji reaktora kule te znajdują się w stałym obiegu, dla kontroli ich właściwości fizycznych i radioaktywności. Nieodpowiednie są na bieżąco wymieniane na nowe2.
Tego typu reaktory jądrowe najnowszej generacji o nazwie Pebble Bed Modular Reactor (PBMR) przedstawiono na rysunku. Hel o temperaturze 500-600°C wpływa pod ciśnieniem do reaktora (1), gdzie na kulach paliwa jądrowego nagrzewa się do 900-1000°C. Po osiągnięciu tak wysokiej temperatury przepływa przez trzy szeregowo zainstalowane turbiny gazowe (2, 3, 4). Grafitowe kule z ziarenkami paliwa jądrowego (najczęściej UO2+ThO2 – przy czym stosowany tu uran jest izotopem U-235, wzbogaconym aż do ok. 90% mas obok izotopu U-238, którego jest prawie 10% mas.) charakteryzuje wysoka przewodność termiczna, dzięki której elementy paliwa jądrowego nie przekraczają 1600°C.
Wysokoprężna turbina gazowa (2) napędza turbosprężarkę gazu powrotnego do reaktora (1) poprzez podgrzewacz odzysknicowy (6). Średniociśnieniowa turbina (3) napędza niskociśnieniową turbosprężarkę gazu powrotnego (8), przed i za którą są chłodnice wodne (7, 9). Natomiast turbina gazowa (4) napędza elektrogenerator (5).
Wysoka niezawodność
Wszystkie urządzenia tego typu elektrowni jądrowej charakteryzują się wysokim stopniem niezawodności ruchu. Zapewnia to potrojenie systemów regulacyjno-pomiarowych oraz podwojenie najważniejszych maszyn rotacyjnych.
Koszty budowy tego typu elektrowni jądrowej wynoszą 950 euro na każdy kWe zainstalowanej mocy.
Autor nie ma wątpliwości, że zarówno ze względu na bezpieczeństwo energetyczne kraju, jak i pod wpływem zaostrzających się wymogów ochrony środowiska również w naszym kraju w ciągu bieżącej dekady trzeba będzie powrócić do budowy elektrowni jądrowej w Żarnowcu lub w innym miejscu nad Wisłą, Odrą lub Bałtykiem.
prof. dr hab. Włodzimierz Kotowski
Politechnika Opolska
Źródła
Obecnie na świecie budowanych jest 28 elektrowni jądrowych, dalszych 39 tego typu inwestycji ma już pełne zabezpieczenie finansowe, a aż 59 znajduje się w stadium planowania i wstępnego projektowania1.
W niektórych krajach – np. w Niemczech, Szwajcarii czy w Szwecji – wciąż jeszcze dyskutuje się nad dalszymi losami elektrowni jądrowych. Natomiast w innych – USA, Finlandii, Francji, Anglii, Kanadzie, Chinach, Indiach, Pakistanie, Japonii czy na terenie Południowej Afryki – buduje się liczne, najczęściej nowej generacji elektrownie jądrowe, by jak najszybciej wyeliminować nieodnawialne nośniki energii z wytwarzania ciepła użytkowego i prądu elektrycznego.
Dziś udział elektrowni jądrowych w światowej produkcji energii elektrycznej wynosi 16%. Uczestniczy w niej 441 reaktorów, z których 80% eksploatowanych jest ponad 15 lat. Wiele z nich należy do klasy niskotemperaturowych typu wodnego, które charakteryzują się niską sprawnością.
W Europie buduje się obecnie dwie elektrownie jądrowe, z których każda ma reaktor o mocy 1600 MW: jedną we Francji, a drugą w Finlandii. Pierwsza z nich będzie uruchomiona w 2008 r., druga w 2012 r.
Pracujący w Holandii reaktor jądrowy uzyskał akceptację na wydłużenie eksploatacji do 2033 r., a ponadto planowana jest budowa następnego. W Wielkiej Brytanii powstanie kolejne sześć elektrowni jądrowych, a w Republice Czeskiej i Bułgarii – po jednej. Nawet Turcja, która pięć lat temu wstrzymała budowę swoich elektrowni jądrowych, teraz wznawia roboty inwestycyjne przy dwóch z nich.
Rosjanie budują aktualnie cztery elektrownie jądrowe u siebie w kraju (w tym jedną z neutronowym reaktorem o mocy 800 MW), a dwie – w Iranie. Inżynierowie rosyjscy przygotowują również budowę elektrowni jądrowej o mocy 2000 MW w Wietnamie, której rozruch zaplanowano na 2020 r.
W USA przygotowuje się aż 13 przedsięwzięć inwestycyjnych nowej generacji elektrowni jądrowych. Do kilku z nich zaangażowano joint venture firm Constellation Energy oraz Areva.
Największy koncern energetyczny Bruce Power w Kanadzie realizuje budowę elektrowni jądrowych o wartości 3 mld euro, a dalsze inwestycje w tej branży będą kosztowały prawie 40 mld euro.
W Japonii buduje się pięć reaktorów jądrowych, a plany inwestycyjne Chin obejmują 30 elektrowni tego typu.
Rys. Schemat reaktora modułowego PBMR
1 – rdzeń reaktora, 2 – wysokoprężna turbina, 3- niskoprężna turbina,
4 – turbina napędzająca generator, 5 – generator, 6 – podgrzewacz odzysknicowy,
7 – chłodnica wstępna, 8 – sprężarka niskociśnieniowa,
9 – chłodnica pośrednia, 10 – sprężarka wysokociśnieniowa.
Elektrownia jądrowa nowej generacji
Wśród aktualnie eksploatowanych elektrowni jądrowych dominują te z reaktorami chłodzonymi wodą (w systemie ciśnieniowo-obiegowym lub ciśnieniowo-wrzącym). Pastylki paliwa uranowego umieszczane są w rurkach ze stopu cyrkonowego o długości 3,9 i 4,1 m i średnicy 1 cm. Charakteryzuje je relatywnie niska sprawność, najczęściej ok. 35%. Jest to spowodowane niewielką temperaturą chłodzenia reaktorów: w systemie ciśnieniowo-obiegowym wody wynosi ona 300-350°C, a przy chłodzeniu wodą wrzącą przy ciśnieniu 7-8 MPa osiąga się ok. 285°C.
Znacznie wyższą sprawność osiągają reaktory wysokotemperaturowe (HTR – High Temperature Reactor) chłodzone gazem – najczęściej helem. Te pracują w temperaturach 600-1000°C, a elektrownie, które je stosują, osiągają sprawności ok. 50%.
Używane w tych reaktorach kule grafitowe o średnicy 6 cm wypełnione są paliwem jądrowym w postaci ziarenek o średnicy 0,4-0,7 mm. W czasie eksploatacji reaktora kule te znajdują się w stałym obiegu, dla kontroli ich właściwości fizycznych i radioaktywności. Nieodpowiednie są na bieżąco wymieniane na nowe2.
Tego typu reaktory jądrowe najnowszej generacji o nazwie Pebble Bed Modular Reactor (PBMR) przedstawiono na rysunku. Hel o temperaturze 500-600°C wpływa pod ciśnieniem do reaktora (1), gdzie na kulach paliwa jądrowego nagrzewa się do 900-1000°C. Po osiągnięciu tak wysokiej temperatury przepływa przez trzy szeregowo zainstalowane turbiny gazowe (2, 3, 4). Grafitowe kule z ziarenkami paliwa jądrowego (najczęściej UO2+ThO2 – przy czym stosowany tu uran jest izotopem U-235, wzbogaconym aż do ok. 90% mas obok izotopu U-238, którego jest prawie 10% mas.) charakteryzuje wysoka przewodność termiczna, dzięki której elementy paliwa jądrowego nie przekraczają 1600°C.
Wysokoprężna turbina gazowa (2) napędza turbosprężarkę gazu powrotnego do reaktora (1) poprzez podgrzewacz odzysknicowy (6). Średniociśnieniowa turbina (3) napędza niskociśnieniową turbosprężarkę gazu powrotnego (8), przed i za którą są chłodnice wodne (7, 9). Natomiast turbina gazowa (4) napędza elektrogenerator (5).
Wysoka niezawodność
Wszystkie urządzenia tego typu elektrowni jądrowej charakteryzują się wysokim stopniem niezawodności ruchu. Zapewnia to potrojenie systemów regulacyjno-pomiarowych oraz podwojenie najważniejszych maszyn rotacyjnych.
Koszty budowy tego typu elektrowni jądrowej wynoszą 950 euro na każdy kWe zainstalowanej mocy.
Autor nie ma wątpliwości, że zarówno ze względu na bezpieczeństwo energetyczne kraju, jak i pod wpływem zaostrzających się wymogów ochrony środowiska również w naszym kraju w ciągu bieżącej dekady trzeba będzie powrócić do budowy elektrowni jądrowej w Żarnowcu lub w innym miejscu nad Wisłą, Odrą lub Bałtykiem.
prof. dr hab. Włodzimierz Kotowski
Politechnika Opolska
Źródła
- Weiss H.: „VDI nachrichten“. 10/2006 s. 6.
- Volkmer M.: Kernenergie Bassinwissen. Die Wichtigsten Erkenntnisse aus Kernphysik und Kerntechnik. Bonn 1997.
