Synergia węglowo jądrowa

Synergia węglowo jądrowa duży europejski projekt demonstrujący wykorzystania reaktorów wysokotemperaturowych w Polsce Polskie Towarzystwo Fizyczne Oddział Szczeciński 23 marca 2009 Ludwik Pieńkowski, Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytet Warszawski

European demonstration of process heat application with nuclear reactors Towards nuclear-coal synergy National Economy Committee The Senate of the Republic of Poland Warsaw, Poland, March 17, 2009 Dominique Hittner, Chairman of the European High Temperature Reactor Technology Network (HTR TN), AREVA, France Michael A. Fütterer, EU Commission, Joint Research Center Werner von Lensa, Forschungszentrum Jülich, Germany Sander de Groot, NRG, Petten, The Netherlands Ludwik Pieńkowski, University of Warsaw, Poland

Plan Program energetyki jądrowej w Polsce Strategia R&D w Europie dla energetyki jądrowej Co jest niezbędne dla europejskiego programu budowy pierwszej instalacji z reaktorem HTR Europejski potencjał w technologiach HTR i instalacji wykorzystujących ciepło z HTR Zapotrzebowanie przemysłu na bezemisyjne ciepło procesowe Intencja a następnie decyzja jednego z krajów europejskich zostania gospodarzem projektu Czym jest reaktor HTR i do czego może być wykorzystany Doświadczenie europejskie w technologiach HTR Stan projektów HTR na świecie i ostatnie trendy Po co europejski program budowy instalacji demonstracyjnej Konkluzje

Perspektywa energetyki jądrowej w Polsce Bezpieczeństwo energetyczne i konieczność ograniczenia emisji CO2 wymagają niskoemisyjnych technologii Obecnie jest opracowywany program energetyki jądrowej w Polsce Cel: uruchomienie pierwszej elektrowni jądrowej około 2020 roku Program ten wymaga solidnych podstaw w obszarach zależnych od nauki, badań i rozwoju technologii Silna i stabilna akceptacja społeczna oparta na wiedzy Wzmocnienie ram prawnych dla procesu licencjonowania i nadzoru Pozyskanie wsparcie ze strony przemysłu węglowego poprzez prowadzenie wspólnych badań Edukacja i trening: wdrożenie w Polsce energetyki jądrowej wymaga wykształcenia kilku tysięcy specjalistów w ciągu najbliższych 10 lat Współpraca międzynarodowa oparta na wsparciu ze strony europejskich programów badawczych w obszarze technologii jądrowych System akumulowania i rozwoju w Polsce wiedzy o energetyce jądrowej

Strategia rozwoju energetyki jądrowej w Europie Reaktory lekkowodne (LWR) Obecnie dostępna technologia Dostarczyciele i użytkownicy wyznaczają trendy rozwoju Reaktory prędkie (powielające) Długofalowy program mający dać odpowiedź na ograniczone zasoby rozszczepialnego paliwa i możliwie pełny recycling wypalonego paliwa W Europie Francja jest liderem projektu. Prototyp Sodium cooled Fast Reactor (SFR) jest oczekiwany około 2020 European Sustainable Nuclear Energy Technology Platform (SNE-TP) rozpoznała reaktory typu HTR jako jeden z filarów programów R&D Reaktory wysokotemperaturowe (High Temperature Reactors, HTR) dla produkcji energii elektrycznej, ciepła procesowego i wodoru http://www.snetp.eu

Droga do synergii węglowo - jądrowej Wsparcie dla programu energetyki jądrowej, budowy elektrowni jądrowych Uruchomienie pierwszej europejskiej instalacji HTR na początku dekady 2020 R&D vision Ramy programu synergii węglowo jądrowej w Polsce: Baza programu Europejskie doświadczenie w technologiach HTR Zasoby węgla i potrzeby przemysłu chemicznego w Polsce i w Europie Co jest niezbędne dla europejskiego programu budowy pierwszej instalacji Europejski potencjał w technologiach HTR i instalacji wykorzystujących ciepło z HTR Zapotrzebowanie przemysłu na bezemisyjne ciepło procesowe Intencja a następnie decyzja jednego

European High Temperature Reactor Technology Network

RAPHAEL - ReActor for Process heat, Hydrogen And ELectricity generation

Konsorcjum wiodących polskich uczelni i instytutów dla programu synergii węglowo - jądrowej AGH w Krakowie Instytut Problemów Jądrowych, Świerk Główny Instytut Górnictwa w Katowicach Politechnika Częstochowska Politechnika Śląska w Gliwicach Politechnika Warszawska Politechnika Wrocławska Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu Instytut Chemii i Techniki Jądrowej, Warszawa Instytut Energii Atomowej, Świerk Uniwersytet Śląski Instytut Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie Uniwersytet Warszawski Instytut Inżynierii Chemicznej PAN w Gliwicach Konsorcjum zawiązano 28 czerwiec 2006 Lider: Profesor Kazimierz Jeleń, Akademia Górniczo Hutnicza w Krakowie Koordynatorzy: Ludwik Pieńkowski, Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów UW Jerzy Cetnar, Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH w Krakowie

Czym jest reaktor HTR? ANTARES Projekt firmy AREVA (są też projekty firm PBMR i GA) Reaktor HTR jest źródłem ciepła o temperaturze do T=850 C (przy dzisiaj dostępnych materiałach), który: pracuje na neutronach termicznych, spowolnionych w graficie ma silnie ujemny współczynnik temperaturowy (wzrost temperatury rdzenia powoduje zmniejszenie mocy, co sprzyja obniżeniu temperatury) chłodzony jest helem, który nie pochłania neutronów i jest gazem obojętnym chemicznie ma niewielką gęstość mocy (kilka MW/m3, w porównaniu do 100 MW/m3 w reaktorach PWR) może pracować na paliwie uranowym, plutonowym, thorowym, jak i wypalać transuranowce rozszczepialne paliwo jest zamknięte w ceramicznych mikrokapsułkach TRISO zachowujących szczelność w ekstremalnie wysokich temperaturach (do 1600 C)

Po co potrzebny jest HTR? Rynek ciepła procesowego jest duży, większy niż rynek energii elektrycznej Im wyższa temperatura, tym wartość ciepła procesowego większa Reaktory HTR otworzą rynek ciepła procesowego dla technologii jądrowych

Przykładowa konfiguracja reaktora HTR Dominique Hittner, AREVA NP

Europejskie doświadczenia w HTRach W Europie działały doświadczalne reaktory HTR, jak i demonstracyjna elektrownia z takim reaktorem reaktory doświadczalne demonstracja koncepcja modularna Opracowano elementy technologii dla przemysłowego wykorzystania jądrowego ciepła procesowego 10MW wymiennik ciepła Opanowano technologie produkcji wysokiej jakości paliwa TRISO 10MW reformer parowy metanu

Europejskie doświadczenia w HTRach Nuclear Hydrogenating Coal Gasification Karl Verfondern, IAEA Int. Conf. On Non Electric Applications of Nuclear Power April 16 19, 2007, Oarai, Japan Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz Gemeinschaft

Europejskie doświadczenia w HTRach Pilot Plant for Hydro Coal Gasification Semi technical scale testing 1975 1982 with 0.2 t/h Pilot plant scale testing 1983 1986 with 10.0 kg/h Gasification at 850 950 C and 6 12 MPa Coal throughput of ~40,000 t with up to 6400 Nm3/h of SNG Operation time of ~8000 h Karl Verfondern, IAEA Int. Conf. On Non Electric Applications of Nuclear Power April 16 19, 2007, Oarai, Japan Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz Gemeinschaft

Europejskie doświadczenia w HTRach Nuclear Steam Coal Gasification Karl Verfondern, IAEA Int. Conf. On Non Electric Applications of Nuclear Power April 16 19, 2007, Oarai, Japan Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz Gemeinschaft

Europejskie doświadczenia w HTRach Nuclear Simulated Steam Coal Gasification Lab scale testing 1973 1980 with 5.0 kg/h Semi technical scale testing 1976 1984 with 0.5 t/h Gasification at 750 850 C and 2 4 MPa Total coal gasified: 2413 t Operation time of ~26,600 h with ~13,600 h under gasification conditions Karl Verfondern, IAEA Int. Conf. On Non Electric Applications of Nuclear Power April 16 19, 2007, Oarai, Japan Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz Gemeinschaft

Europejskie doświadczenia w HTRach Konkluzje W końcu lat 80 tych XX wieku jądrowe ciepło procesowe okazało się niekonkurencyjne w stosunku do źródeł klasycznych Obecne i prognozowane ceny paliw i ich dostępność oraz konieczność redukcji emisji CO2 wskazują na konieczność zrewidowania konkluzji sprzed 20 tu lat Możliwe, że niskie ceny ropy utrzymają się w czasach światowej recesji, ale gdy wróci gospodarcza hossa, to ceny ropy i gazu poszybują, a politycy i kapitał będą pilnie poszukiwali gotowych dobrych projektów

Status of HTR development

Status rozwoju HTRów program Next Generation Nuclear Plant w USA Cel: uruchomienie ~ 2020 Budżet (DOE funding): 2007: 30 M$ 2008: 118 M$ 2009: ~ 200 M$ (oczekiwany) http://www.nextgenerationnuclearplant.com/

Status rozwoju HTRów ostatnie trendy (konferencja HTR08) http://www.asmeconferences.org/htr08

Po co europejski program demonstrujący HTRy? Programy dziś realizowane w Chinach, RPA i USA czerpią z doświadczeń europejskich. Bez tych doświadczeń programy te byłyby zbyt słabe Programy te są realizowane z wykorzystaniem dzisiejszego potencjału technologicznego Europy. Wiele zasadniczych elementów do budowy instalacji będzie zamówione w Europie Takie uczestnictwo w obcych programach prowadzi do drenażu Europy. Brak spójnego programu w Europie będzie skutkował tym, że technologie zostaną opanowane poza Europą, z dużym wkładem Europy, ale Europa będzie jedynie potencjalnym nabywcą finalnej technologii Program NGNP w USA poszukuje wzmocnienia przez spójny program europejski Natomiast Polska zostając gospodarzem europejskiego demonstratora HTR uzyska duży program R&D, który będzie akumulował wiedzę o energetyce jądrowej w kraju wsparcie dla programu energetyki jądrowej (budowy elektrowni jądrowych) ze strony przemysłu węglowego, chemicznego poprzez perspektywę technologicznej synergii węglowo jądrowej

EUROPAIRS krok w stronę budowy europejskiego demonstratora HTR End User Requirements for industrial Process heat Applications with Innovative nuclear Reactors for Sustainable energy supply Work package 0: Coordination Work package 1: Viability Assessment Task 1.1: End user processes: characteristics and requirements Task 1.2: Nuclear system: characteristics and limits Task 1.3: Identification of operating window(s) for combined system Work package 2: Safety and licensing Task 2.1: Safety and licensing evaluation Work package 3: System Deployment Outlook Task 3.1: Scenario Study

EUROPAIRS krok w stronę budowy europejskiego demonstratora HTR End user industries ArcelorMittal France Steel making Gesellschaft für Anlagen und Reaktorsicherheit (GRS) Germany Technip KTI Italy L Air Liquide Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety (IRSN) France Prochem Poland ZAK Poland Saipem France/Italy TüV Nord Germany Utility Support Group B.V. (USG/DSM) The Netherlands Chemistry + energy supply operator Technical Support Organizations of Nuclear Regulatory Bodies Nuclear research Commissariat à l'energie Atomique (CEA) France Joint Research Centre of the European Commission (JRC) Energy supply operators (+ nuclear operator) Fortum Power and Heat Oy Finland Suez Belgium ForschungsZentrum Jülich GmbH (FZJ) Germany Nuclear industry Nexia Solutions Ltd UK Amec NNC UK Areva NP France Nuclear Research & consultancy Group (NRG) The Netherlands Celem projektu jest zbudowanie silnej grupy end user

Wizja struktury europejskiej instalacji HTR fabryka chemiczna, nawozów sztucznych, petrochemia, huta relacje biznesowe europejski ośrodek demonstrujący reaktory HTR badania i demonstracja w dużej skali: reaktor HTR produkcja: energii elektrycznej pary technologicznej gazu syntezowego zasilanego nuklearnym ciepłem procesowym relacje naukowo badawcze relacje naukowo badawcze celem zademonstrowania nowych technologii nowych technologii wysokotemperaturowych materiałów i procesów, w tym chemii węgla i procesów rozkładu wody na wodór i tlen rozwój technologii reaktorów HTR

Koszt programu budowy demonstratora HTR Y1 REACTOR R&D Conceptual design Preliminary design Final design Construction Startup and testing Total reactor Y2 Y3 Y6 69 91 91 91 Y7 12 16 28 45 60 160 181 460 4 5 6 20 APPLICATIONS R&D Conceptual design Preliminary design Final design Construction Startup and testing Total applications 170 45 60 60 650 50 1035 10 10 20 15 25 15 10 10 35 40 45 90 Total 3324 38 55 95 200 226 257 Milion EUR 27 33 Y5 311 77 181 197 1177 346 2289 Additional cost for advanced larger reactor 18 27 Y4 Y8 Y9 Y10 Y11 Y12 68 16 8 2 98 98 85 162 315 308 167 199 170 317 308 308 154 462 18 17 170 150 70 30 15 30 25 20 192 192 60 60 100 150 200 200 85 120 150 200 200 50 50 284 290 467 508 662 242 800 600 400 200 0 1 2 3 Projekt wstępny 3 lata ~ 200 mln EUR 4 5 6 7 8 9 10 11 Projekt Projekt końcowy i budowa 2 lata 7 lat ~ 400 mln EUR ~ 2700 mln EUR 12 Year

Główne założenia przy oszacowaniu kosztów Najszybszy technologicznie możliwy projekt Reaktor HTR Wszędzie tam gdzie jest to możliwe program bazuje na dostępnych dziś technologiach: Para wodna jest czynnikiem wykorzystanym do transportu ciepła Reaktor pracuje w temperaturze < 800 C aplikacje wykorzystujące ciepło procesowe < 600 C Reaktor jest największy z możliwych do zaprojektowania z jedną pętlą chłodzącą (zakładając, że chłodzenie jest w wytwornicy pary) Moc cieplna reaktora ~ 250 MW th Szacunkowe koszty odnoszą się do całości programu Pewna część kosztów zostanie zredukowana w przypadku zawiązania konsorcjum, do którego jako wkład rzeczowy (in kind) zostaną włączone dotychczasowe osiągnięcia firm i instytucji europejskich Dalsza redukcja kosztów i zadań wydaje się że będzie celowa i możliwa poprzez nawiązanie partnerskiej współpracy z programem NGNP w USA Do osiągnięcia tych celów konieczne jest uruchomienie programu przygotowawczego o budżecie kilku milionów EUR na okres do jednego roku, ale mającego wsparcie intencji rządu zostania gospodarzem europejskiego programu HTR

Konkluzje Europa posiada potencjał technologiczny umożliwiający budowę demonstracyjnej instalacji przemysłowej wykorzystującej reaktor HTR Europejski przemysł potrzebuje niezawodnego dostępu do taniej, bezpiecznej, bezemisyjnej energii, w tym do ciepła procesowego Polska zostając gospodarzem europejskiego demonstratora HTR Uzyska duży program R&D, który będzie akumulował wiedzę o energetyce jądrowej w kraju, który będzie wsparciem dla budowy elektrowni jądrowych ze strony przemysłu węglowego poprzez perspektywę technologicznej synergii węglowo jądrowej Zwiększy swoje bezpieczeństwo technologiczne i energetyczne poprzez dywersyfikację technologiczną pozyskiwania paliw płynnych i gazowych Możliwe, że niskie ceny ropy utrzymają się w czasach światowej recesji, ale gdy wróci gospodarcza hossa, to ceny ropy i gazu poszybują, a politycy i kapitał będą pilnie poszukiwali gotowych, dobrych projektów Do osiągnięcie tych celów konieczne jest uruchomienie programu przygotowawczego o budżecie kilku milionów EUR na okres do jednego roku, ale mającego wsparcie intencji rządu zostania gospodarzem europejskiego programu HTR