Zaawansowane technologie reaktorów jądrowych GE Hitachi

fot. GE Hitachi

W artykule scharakteryzowano najnowsze typy reaktorów jądrowych produkowanych przez GE Hitachi, w tym zaawansowany reaktor wodny wrzący ABWR, ekonomiczny uproszczony wodny reaktor wrzący ESBWR oraz zaawansowany reaktor PRISM. Stwierdzono, że energia jądrowa sprawdziła się w Europie jako bezpieczne, długoterminowe i stabilne źródło energii.

Stoimy dziś na progu nowej ery w dziedzinie cywilnej energii jądrowej. Przez ostatnie 55 lat energia jądrowa odegrała ważną rolę. Nie tylko przyczyniła się do zapewnienia czystszej atmosfery, ale również bezpieczeństwa dostaw energii po konkurencyjnej cenie. Ważne jest, aby powyższe cele w dalszym ciągu były realizowane dzięki zapewniającym bezpieczeństwo reaktorom jądrowym o uproszczonej konstrukcji – to dzięki nim nasza branża będzie w stanie nadążyć za popytem rynkowym na energię elektryczną pokrywającą stałe potrzeby, zwłaszcza w regionach rozwijających się lub objętych programami ochrony przed zmianami klimatu. Receptę na sukces tworzą:

• usprawnienie i optymalizacja systemów bezpieczeństwa elektrowni, ograniczających ryzyko awarii rdzenia do niespotykanie niskich poziomów,
• budowanie zaufania do nowych obiektów,
• wykorzystanie najbezpieczniejszej dostępnej technologii jako zabezpieczenia przed nieprzewidywalnymi zdarzeniami zewnętrznymi.

Reaktor jądrowy ABWR GE Hitachi Nuclear Energy (GEH) zapewnia jeszcze bardziej udoskonalony aktywny system bezpieczeństwa, który jest już z powodzeniem wykorzystywany. Z kolei systemy pasywne reaktora ESBWR GEH nie wymagają zasilania do uruchomienia ani do działania, wykorzystując siły naturalne takie jak grawitacja czy unoszenie się pary aby bezpiecznie chłodzić reaktor. Umożliwia to chłodzenie reaktora przez ponad siedem dni bez podejmowania żadnych dodatkowych działań czy podłączania zasilania na terenie obiektu lub poza nim, dzięki czemu reaktor będzie w stanie sprostać najcięższym wyzwaniom środowiskowym.

Od początków rozwoju komercyjnej energii jądrowej w Europie w latach 50., przez niemal połowę epoki elektryfikacji na starym kontynencie wykorzystywano cywilną energię jądrowych w celach pokojowych. Jądrowa energia elektryczna bezpiecznie i skutecznie zasila Europę od dziesięcioleci, nie generując niemal żadnych zanieczyszczeń czy emisji dwutlenku węgla. Elektrownie jądrowe zasilają dziesiątki milionów domów i przedsiębiorstw, wspierając okoliczne społeczności poprzez zapewnienie dziesiątek tysięcy miejsc pracy w całej Europie. Obecnie w Europie działa 139 elektrowni jądrowych, co odpowiada około jednej trzeciej światowej produkcji tego typu energii^*. Energia jądrowa sprawdziła się w Europie jako bezpieczne, długoterminowe i stabilne źródło energii, oferujące również Polsce możliwość dalszego zaspokojenia znacznej części popytu na energię.

Zaawansowane technologie reaktorów GE Hitachi 

Jaki jest najlepszy typ reaktora jądrowego, biorąc pod uwagę potrzeby i oczekiwania związane z nowymi obiektami? Wyboru typu reaktora należy dokonać uwzględniając następujące trzy czynniki: bezpieczeństwo, sprawność i ekonomikę. Tymi trzema wartościami kierują się GE i Hitachi od ponad 40 lat przy wdrażaniu i stałym udoskonalaniu technologii reaktorów wodnych wrzących (BWR).

Ogólnie mówiąc, reaktory BWR charakteryzują się mniejszymi rozmiarami w zestawieniu z ich mocą, mają mniej sprzętu wymagającego serwisowania oraz wymagają mniej pracowników do utrzymania ruchu. Niewielki rozmiar zawdzięczają względnie niewielkim ciśnieniom wykorzystywanym do generowania pary w reaktorach BWR. Reaktory BWR zaprojektowane i zbudowane przez GE były pierwszymi, sfinansowanymi ze środków prywatnych, komercyjnymi, mało- i wielkoskalowymi reaktorami jądrowymi. Reaktor BWR GE Vallecitos został uruchomiony w 1957 roku, a Dresden 1 w 1960 roku – 3 lata później. Reaktor drezdeński generował parę w reaktorze, ale ta przepływała następnie do podwyższonego zbiornika ciśnieniowego i drugiego zestawu generatorów pary przed odprowadzeniem do turbiny. Technologia BWR szybko odeszła od podwójnego układu parowego na rzecz bardziej wydajnego, bezpośredniego cyklu generowania pary, który obecnie jest wykorzystywany w reaktorach BWR.

Reaktor ABWR 

Zaawansowany reaktor wodny wrzący (ABWR) to następny rozdział w historii rozwoju technologii BWR. Reaktory ABWR osiągają najniższe wartości współczynników awaryjności rdzenia (CDF) spośród wszystkich typów reaktorów z aktywnymi systemami bezpieczeństwa, jakie są obecnie dostępne na rynku. Odnotowany najlepszy wynik w branży to 1/10 poziomu awaryjności poprzedniej generacji reaktorów BWR oraz około 1/100 awaryjności działających obecnie reaktorów wodnych ciśnieniowych (PWR). Jest to również obecnie jedyny działający reaktor trzeciej generacji na rynku światowym. Prace projektowe nad ABWR rozpoczęto w 1978 roku. Zespół międzynarodowych producentów i dostawców rozwiązań BWR rozwijał pod przewodnictwem GE nową generację zaawansowanych reaktorów, aby ograniczyć tak zwane „trzy D”, czyli odpowiedniki angielskich terminów: zanieczyszczenia (dirty), niebezpieczeństwa (dangerous) i wysoką dawkę promieniowania (high dose). W efekcie powstał reaktor BWR trzeciej generacji o mocy 1350 MWe, przedstawiony na rys. 1. Usprawnienia projektu i konstrukcji reaktora ABWR zapewniły niespotykane bezpieczeństwo obiektu, skuteczność zabezpieczeń i sprawność oraz ekonomikę.

Projekt ABWR licencjonowano na terenie Stanów Zjednoczonych, Japonii i Tajwanu – działają tam cztery obiekty, a cztery kolejne są w budowie. Pierwszy reaktor ABWR został zbudowany w terminie, a koszt jego budowy nie przekroczył budżetu. Budowa trwała 39 miesięcy – od wylania pierwszej warstwy betonu do załadunku paliwa.

Rys. Przekrój przez zaawansowany reaktor wodny wrzący (ABWR)

Niektóre z pionierskich usprawnień reaktora ABWR to: w pełni cyfrowy system ochrony reaktora (Reactor Protection System, RPS), trzyczęściowy układ awaryjnego chłodzenia reaktora (3 Division Emergency Core Cooling System, ECCS), obudowa bezpieczeństwa o uproszczonej konstrukcji z żelazobetonu (Reinforced Concrete Containment Vessel, RCCV), trzyczęściowy system zasilania (PG, PIP i system bezpieczeństwa), usprawniony system chłodzenia izolacji rdzenia reaktora (Reactor Core Isolation Cooling, RCIC), pasywny system dodawania wody (AC-Independent Water Addition, ACIWA), usprawnione systemy precyzyjnie sterujące położeniem prętów paliwowych (Fine Motion Control Rod Drives, FMCRDs), usprawnione pompy wewnętrzne (Reactor Internal Pumps, RIP) oraz korki topliwe do pasywnego zalewania niższej przestrzeni suchej wewnątrz obudowy zabezpieczającej (w przypadku poważnego wypadku).

Te usprawnienia zostały wprowadzone z powodzeniem i nie miały żadnego niekorzystnego wpływu na harmonogram budowy czterech realizowanych obecnie reaktorów ABWR.

* Publikacja Nuclear Power Reactors in Europe 2011, FORATOM.

Artykuł pochodzi z internetowego kwartalnika EkoAtom.

Reaktor ESBWR 

Budowa reaktorów ESBWR jest dowodem na to, że innowacyjne rozwiązania technologii jądrowej nie są zagrożeniem dla harmonogramu dostawy obiektu, ani nie zwiększają ryzyka związanego z inwestycją. Ekonomiczny uproszczony wodny reaktor wrzący (Economic Simplified Boiling Water Reactor, ESBWR) to reaktor generacji III+, który został opracowany na podstawie projektu ABWR. W stosunku do tradycyjnej technologi BWR reaktory ESBWR oferują:

• większe bezpieczeństwo,
• prostszą budowę obiektu, obsługę i konserwację,
• większą wydajność reaktora i
• pasywne systemy bezpieczeństwa.

Dzięki pasywnym systemom bezpieczeństwa reaktor może pracować z pełną wydajnością przy wykorzystaniu jedynie naturalnego obiegu w jego rdzeniu – bez konieczności zastosowania wewnętrznych lub zewnętrznych pomp cyrkulacyjnych. Eliminuje to nie tylko konieczność zapewnienia ok. 7– 40 MWe energii do zasilenia tego typu pomp, ale również (a) eliminuje wszelkie duże otwory poniżej górnej granicy paliwa (większe bezpieczeństwo, niższa awaryjność, niższy koszt) i (b) zwiększa stabilność i bezpieczeństwo w czasie przebiegów przejściowych obiektu i reaktora dzięki jego zwiększonej wysokości.

Rys. Reaktor ESBWR (ang. Economic Simplified Boiling Water Reactor)

Duże możliwości w zakresie wykorzystania cyrkulacji naturalnej działających obecnie reaktorów BWR zostały potwierdzone w przypadku instalacji BWR o wymuszonym obiegu w trakcie testów lub w czasie zdarzeń nieplanowanych (Dodewaard w Holandii i Humboldt Bay w Stanach Zjednoczonych). Aby zmaksymalizować sprawność obiegu w reaktorze ESBWR wyeliminowano lub zoptymalizowano ograniczenia przepływu. Siłę cyrkulacji naturalnej zwiększono wykorzystując wysokość słupa wody w „kominie” – wydłużonej części korpusu reaktora nad rdzeniem a poniżej sekcji osuszacza pary. Szczelinę opadową pozbawiono ograniczeń przepływu oraz zmniejszono długość wiązki paliwowej w stosunku do poprzednich projektów.

Wszystkie pasywne systemy bezpieczeństwa reaktora ESBWR zostały poddane intensywnym pracom projektowym, uzyskano dla nich stosowne zatwierdzenia oraz przetestowano w ramach kompleksowych procedur testowych. Amerykańska komisja dozoru jądrowego (NRC) zatwierdziła projekt każdego systemu i wyniki testów w ramach certyfikacji projektu reaktora ESBWR. Ryzyko w przypadku konstrukcji pasywnych systemów bezpieczeństwa zostało zminimalizowane dzięki ich prostocie, potwierdzonej sprawności i wydajności oraz szerokiemu zastosowaniu modułowych konstrukcji otwartych.

Innowacyjne usprawnienia projektu BWR przynoszą ogromne korzyści. Uproszczony projekt reaktora ESBWR wymaga o 25 proc. mniej pomp, zaworów i silników w porównaniu z obiektami wykorzystującymi aktywne systemy bezpieczeństwa. Nowy typ reaktora umożliwia opracowanie bardziej przewidywalnego harmonogramu budowy. Reaktory ESBWR oferują również najniższe koszty osobowe, ruchu i konserwacji na megawat spośród wszystkich reaktorów jądrowych generacji III i III+*.

* Opracowanie na zlecenie amerykańskiego Departamentu Energii Study of Construction Technologies and Schedules, O&M Staffing and Cost, and Decommissioning Costs and Funding Requirements for Advanced Reactor Designs

Artykuł pochodzi z internetowego kwartalnika EkoAtom.

Reaktor PRISM 

Temat technologii zaawansowanych reaktorów nie zostałby wyczerpany bez poruszenia kwestii „zamknięcia” obiegu paliwa. Reaktor PRISM produkcji GE Hitachi oferuje zaawansowane, rewolucyjne mechanizmy bezpieczeństwa oraz możliwość wykorzystania różnych rodzajów paliwa. Obiekty typu PRISM można wykorzystać na wiele sposobów: tylko do wytwarzania energii elektrycznej, do ponownego przetwarzania zużytego plutonu lub do integracji z rozwiązaniem znanym pod nazwą „Zaawansowane centrum recyklingowe” (Advanced Recycling Center). W takiej konfiguracji reaktor PRISM może rozwiązać problem zużytego paliwa przy pomocy dostępnej obecnie technologii. Wysokoaktywne odpady jądrowe można w pełni przetworzyć ponownie w zaawansowanym centrum recyklingowym, redukując je do postaci o radioaktywności występującego w warunkach naturalnych plutonu – w okresie jedynie 300 lat. Dla porównania, wykorzystywane najczęściej paliwo wymaga ok. 300 tys. lat, aby uzyskać ten stopień radioaktywności.

Rys. Reaktor PRISM (ang. Power Reactor Innovative Small Module)

Zaawansowany reaktor PRISM to innowacja, która pozwoli spółce GE Hitachi zaoferować swoim klientom możliwość skuteczniejszego rozwiązania problemu odpadów jądrowych, umożliwiając jednocześnie generowanie energii elektrycznej w sposób bezpieczny, czysty i niezawodny. Chłodzony sodem reaktor czwartej generacji opiera się na amerykańskim reaktorze EBR-II, który działał bezpiecznie przez ponad 30 lat. Niewielka konstrukcja bloku reaktora PRISM o mocy 311 MWe umożliwia zastosowanie zaawansowanych technik konstrukcyjnych – fabrycznych, modułowych oraz otwartych. W przeciwieństwie do reaktorów BWR, sód wykorzystywany do chłodzenia reaktorów PRISM ma względnie niewielką gęstość mocy w porównaniu z obiektami chłodzonymi wodą, dzięki czemu możliwe jest osiągnięcie wyższej wydajność. Rekompensuje to mniejsze korzyści skali, co jest problemem z którym trzeba uporać się w przypadku większości niewielkich reaktorów modułowych.

Bezpieczna i niezawodna energia 

Różnorodność źródeł energii, w tym również rozwiązań jądrowych, to ważna kwestia w przypadku Europy. Energetyka jądrowa zapewnia bezpieczną i czystą energię elektryczną pokrywającą stałe potrzeby, kierującą gospodarkę europejską na ścieżkę wzrostu w konkurencyjnym otoczeniu globalnego rynku. Technologie ABWR, ESBWR i PRISM są częścią bogatego doświadczenia GE Hitachi w zakresie technologii zaawansowanych reaktorów. To dzięki niemu mogą powstać bezpieczne obiekty o uproszczonej budowie, umożliwiające opracowanie wiarygodnego harmonogramu czasowo-kosztowego i zapewniające niezawodność działania.

Artykuł pochodzi z internetowego kwartalnika EkoAtom.