Powraca energetyka jądrowa. Nowa generacja reaktorów Autor: Mariusz Filipowicz (Nafta & Gaz Biznes styczeń/luty 2004) Ostatnio obserwuje się, pomimo oporu społecznego, odrodzenie zainteresowania energetyką jądrową, której rozwój w ciągu ostatnich 30 lat był praktycznie zahamowany. Deregulacja rynku energii w Stanach Zjednoczonych spowodowała, że kilka kompani i uniwersytetów subsydiowanych przez rząd bada nowe metody pozyskiwania energii jądrowej. Zaproponowano wiele rozwiązań włączając, usprawnienie tradycyjnych koncepcji. Jednak najbardziej popularne rozwiązanie to reaktory wysokotemperaturowe chłodzone gazem, wśród których największe znaczenie wydaje się mieć tzw. modułowy reaktor przesypowy (PBMR). Wstępne badania pokazały, że ta technologia posiada znakomitą możliwość spełnienia różnorodnych wymagań: bezpieczeństwa, ekonomicznych, proliferacji (nierozprzestrzenienia broni jądrowej) i składowania odpadów promieniotwórczych. Reaktor PBMR Reprezentuje on nową generację zaawansowanych reaktorów jądrowych charakteryzujących się tzw. inherentnymi (naturalnymi) właściwościami bezpieczeństwa, co oznacza, że nie można sobie wyobrazić procesu zdolnego wywołać awarię i uwolnić do otoczenia radioaktywne promieniowanie. Nie wymaga on stosowania żadnych tradycyjnych systemów bezpieczeństwa, które komplikowały obsługę i podnosiły koszty wytworzenia energii w starszych typach reaktorów. Zasada działania elektrowni PBMR jest prosta. Podobnie jak w innego rodzaju elektrowniach jądrowych, tak i tu wykorzystuje się ciepło powstające podczas kontrolowanej reakcji łańcuchowej. Istnieją jednak trzy zasadnicze różnice: kształt paliwa: paliwo stanowią luźne grafitowe kulki wielkości piłek tenisowych mieszczące ok. 15 tys. powlekanych ceramicznie granulek dwutlenku uranu (w klasycznej elektrowni ciepło generuje kilka tysięcy metalicznych, sztywnych prętów), sposób napędzania turbin elektrycznych: podgrzany hel (zamiast pary wodnej), skala: reaktor jest dziesięciokrotnie mniejszy niż klasyczna elektrownia jądrowa o tej samej mocy. Elektrownia pracuje w cyklu turbiny gazowej (cykl Braytona, rys. 1). W cyklu tym hel o temperaturze 500 C wchodzi do naczynia reaktora, a opuszcza go podgrzany do temperatury 900 C. Następnie przepływa przez 3 turbiny: wysokiego ciśnienia, napędzającą powrotny kompresor wysokiego ciśnienia, niskiego ciśnienia, napędzającą kompresor niskiego ciśnienia,
mocy, napędzającej generator elektryczny. Hel opuszczający turbinę mocy chłodzony jest w rekuperatorze. Następnie przed ponownym wejściem do rdzenia reaktora jest sprężany i dalej ochładzany. Chłodzenie, wskutek zwiększenia gęstości gazu, zwiększa wydajność kompresorów. Zaletą takiego systemu jest jego wydajność 44% energii cieplnej jest konwertowane na energię elektryczną (obecnie w klasycznych elektrowniach tylko 30%). Zalety reaktora: Zamknięcie radioaktywnego paliwa Uran w postaci granulek dwutlenku uranu (UO2) zamknięty jest wewnątrz miniaturowego naczynia ciśnieniowego. Naczynie to składa się z kilku warstw: porowatego węgla, gromadzącego produkty reakcji jądrowej z granulek uranu, pirolitycznego węgla, węglika krzemu i ponownie pirolitycznego węgla. Tak skonstruowane naczynie stanowi wysoko efektywną barierę przeciw uwolnieniu się produktów syntezy jądrowej, widok elementów paliwowych przedstawiony jest na rysunku 2. Porowaty węgiel przystosowuje się do wszelkich mechanicznych deformacji, którym może podlegać granulka UO2 podczas czasu życia paliwa. Z takich granulek formowana jest kula paliwowa (mieszcząca 15 tys. granulek). Kule te są pokrywane odpowiednio uformowaną i utwardzaną warstwą żywicy o grubości 5 mm pokrytej pyłem grafitowym, średnica kuli to 60 mm. Każda kula paliwowa zawiera 9 g uranu przy 210 g masy całkowitej. Uran wzbogacony jest do 8%. Konwersja na energię elektr. pozwala uzyskać ok. 8 MWh energii elektrycznej. Użycie helu Użycie helu w opisanym powyżej cyklu eliminuje konieczność stosowania wymiennika ciepła pomiędzy obiegiem pierwotnym a wtórnym. Hel nie zmienia fazy w żadnym zakresie punktu pracy reaktora i jest obojętny chemicznie. Przekrój czynny helu na absorpcję neutronów jest bardzo mały, co oznacza, że reakcyjność rdzenia nie zwiększy się wskutek ubytku chłodziwa. Użycie grafitu jako moderatora Grafit użyty w kulce paliwowej pozostaje stabilny do temperatury 2800 C, znacznie wyższej od temperatury podczas normalnej pracy (1200 C) i maksymalnej podczas rozhermetyzowania (ucieczki helu) i spadku zdolności chłodzących (1600 C). Ograniczenie maksymalnej temperatury rdzenia do 1600 C Niska gęstość mocy rdzenia i jego wysoka bezwładność cieplna w połączeniu z dobrą przewodnością termiczną grafitu zapewnia, że elementy paliwowe nie przekroczą temperatury 1600 C nawet podczas straty właściwości chłodniczych. Schemat ciągłego napełniania reaktora Ciągłe napełnianie zapewnia, że reaktywność rdzenia nigdy nie jest za duża. Paliwo może być załadowywane (a wypalone rozładowywane) podczas normalnej pracy reaktora. Kulki paliwowe
przechodzą przez rdzeń kilkukrotnie, co pozwala na efektywniejsze wypalenie uranu. Dostosowanie mocy do zapotrzebowania Moc produkowana przez reaktor może być zmieniana w zależności od obciążenia przez odpowiedni załadunek. Proliferacja Technologia PBMR jest odporna na niebezpieczeństwo proliferacji, gdyż uran zgromadzony w kuli paliwowej jest bardzo trudny do ponownego odzysku, ponadto stanowi bardzo małą część kuli. Problem odpadów Wypalone paliwo będzie magazynowane w suchym zbiorniku wewnątrz budynku reaktora. Całe zużyte paliwo w ciągu 40 lat życia reaktora będzie zgromadzone w jednym miejscu. Po zamknięciu instalacji to wypalone paliwo będzie w tym samym miejscu przetrzymywane przez następne 40 lat, a potem wysyłane do końcowej składnicy. Przewiduje się, że z powodu wysokiej trwałości konstrukcji i stabilności elementu paliwowego oraz małej gęstości wypalonego paliwa nie będzie możliwe wydostanie się produktów rozszczepienia przed czasem znaczącego spadku reaktywności. Na rys. 3 przedstawiono wizualizację całego systemu elektrowni PBMR, łącznie z systemami pomocniczymi. Zalety ekonomiczne reaktorów PBMR Moc pojedynczego modułu reaktora wynosi 110 MWe (250 MWt), a koszt instalacji waha się od 1000-1200 USD/kWe. Oczekiwany czas działania elektrowni to 40 lat. Koszt produkcji energii: 1,6 centa US/kWh. Elektrownię PBMR można zbudować od podstaw w dwa lata, czyli trzykrotnie szybciej niż klasyczną. Technologia PBMR pozwoliłaby producentom energii stawiać mniejsze elektrownie, przystosowane do lokalnych potrzeb (w ramach idei rozproszonej generacji). Dołączanie kolejnych modułów pozwalałoby dopasowywać się do wzrastającego zapotrzebowania. Naturalne bezpieczeństwo reaktorów PBMR powoduje, że zbędne stają się wyrafinowane i bardzo kosztowne systemy zabezpieczeń. Budowa reaktora PBMR w Republice Południowej Afryki W roku 2000 powstało konsorcjum PBMR Ltd. powołane w celu budowy i eksploatacji demonstracyjnego modułu PBMR w ramach tworzenia systemu energetycznego technologicznie bardziej zaawansowanego od innych. Przewidywany termin zakończenia budowy to rok 2006. Struktura wytwarzania energii w RPA jest następująca: 93,5% elektrownie węglowe, 4,5% jedna duża elektrownia jądrowa, 1,5% energetyka wodna.
Energetyka wodna nie ma potencjału rozwojowego, naturalne zasoby gazu wydają się także ograniczone. Elektrownie węglowe zlokalizowane są blisko zasobów węgla, głównie w dwu regionach kraju. Wymaga to długich linii transmisyjnych, transport węgla do odległych elektrowni jest bardzo kosztowny. Przewidywany wzrost zapotrzebowania na energię oraz występowanie trudnych do zaspokojenia, krótkotrwałych, ostrych wzrostów zapotrzebowania w zimie zaważyły na zainteresowaniu małymi elektrowniami zlokalizowanymi w pobliżu odbiorcy. Koncepcja PBMR daje taką możliwość. W tej chwili RPA posiada drugą najtańszą energię elektryczną na świecie. Jeżeli PBMR wygra ekonomicznie w RPA, może wygrać gdziekolwiek na świecie. Ponadto PBMR umożliwia RPA stworzenie zaawansowanej bazy przemysłowej w ramach globalnej ekonomii z możliwością eksportu tej technologii. Opinie krytyczne Nie brak także opinii krytycznych: brak obudowy bezpieczeństwa: możliwość wydostania się radioaktywnych zanieczyszczeń na zewnątrz, większe niebezpieczeństwo podczas ataku terrorystycznego, użycie palnego grafitu jako moderatora, możliwość defektów w elementach paliwowych, duża objętościowo ilość odpadów, niebezpieczeństwo proliferacji, nierealistyczna analiza ekonomiczna (elektrownie gazowe są tańsze), zbyt mały rynek na elektrownie jądrowe. Możliwości rozwoju technologii PBMR Jeśli obietnice dawane przez PBMR okażą się prawdziwe, zwiększą się perspektywy energii jądrowej w skali globalnej. Spełnią się marzenia o źródle energii, które nie emituje zanieczyszczeń, jest bezpieczne, tanie i być może nawet popularne. Wzrost światowego zapotrzebowania na energię elektryczną jest szacowany na ok. 70% do roku 2020. Jeśli to okaże się prawdą, nowe elektrownie będą potrzebne zarówno do zwiększenia zapotrzebowania, jak i do zastępowania starych, a nowe technologie energetyczne powodujące zanieczyszczanie środowiska na pewno nie będą uzyskiwać akceptacji społecznej. Oczywiście w następnych dwu dekadach powstanie więcej instalacji solarnych i wiatrowych, ale to nie wystarczy do zaspokojenia rosnącego zapotrzebowania. Inne technologie, takie jak ogniwa paliwowe, wniosą swój udział ale nie przypuszcza się, że wyprą obecne systemy energetyczne w okresie dwóch dekad. Oczywiście może się okazać, że będzie to ślepy zaułek technologii. Wszystko zależy od tego, czy rzeczywiście powstanie w RPA pierwsza komercyjna elektrownia jądrowa z reaktorem typu PBMR. Dla zwolenników projektu nowoczesna konstrukcja reaktora stanowi ogromny krok w
przyszłość, w której energia atomowa ma odgrywać główną rolę. Przeciwnicy są przekonani, że nie można mówić o bezpiecznych elektrowniach atomowych i poprzysięgli nie dopuścić do wybudowania reaktora. Tymczasem tradycyjna elektrownia węglowa o podobnej mocy produkuje rocznie ponad 600 tys. t pyłów i popiołów. Jak obliczono, z tego pyłu przedostaje się do atmosfery tyle zawartego w węglu promieniotwórczego uranu i toru, że pochodząca zeń dawka promieniowania jest znacznie większa niż uwalniana z podobnej pod względem mocy elektrowni atomowej.