Mgr inż. Dariusz Witold Kulczyński – Professional Engineer (P.Eng.) w Kanadzie. Jest tam zatrudniony jako Senior Technical Engineer, Engineering Services, Darlington Nuclear Generating Station, Ontario Power Generation Inc. (OPG). Autor artykułu przez 6 lat pracował w szkoleniu i w elektrowni jądrowej w Rolphton, a przez kolejne 21 lat w Darlington. Do Polski przyjeżdża prywatnie i nie reprezentuje tu OPG.
Ewolucja reaktorów CANDU
w kontekście dyskusji o polskiej energetyce jądrowej
Dariusz Witold Kulczyński
Kanadyjskie reaktory ciężkowodne na uran naturalny (PHWR’s – Pressurized Heavy Water Cooled and Moderated Reactors) noszą nazwę CANDU (Canada – Deuterium – Uranium). Technologia ta istnieje już od 46 lat i zrodziła się na bazie badań i ciężkowodnych reaktorów badawczych w laboratoriach w Chalk River, Ontario. Już w 1946 roku zbudowano i uruchomiono tam pierwszy na świecie poza USA reaktor ZEEP (Zero Energy Experimental Pile), a następnie większe reaktory NRX (National Reactor Experimental) i NRU
(National Reactor Universal). Ten ostatni pracuje do dziś, produkując izotopy medyczne dla całej Kanady, USA i wielu krajów świata.
W drugiej połowie lat czterdziestych laboratoria w Chalk River były miejscem badań i szkolenia całych generacji jądrowców, także z USA. Technologia CANDU opiera się więc na doświadczeniach co najmniej 60 lat.
Pierwszą elektrownią z reaktorem cANdu była elektrownia NPd NGs (Nuclear Power demonstration Nuclear Generating station) uruchomiona w Rolphton, ontario w 1962 roku. kolejnymi elektro-wniami w prowincji ontario były douglas Point, Pickering A i b (8 bloków), bruce A i b (8 bloków), w prowincji Quebec Gentilly ii (1 blok) oraz w prowincji New brunswick Point Lepreau (1 blok). Najnowszą elektrownią cANdu w kanadzie jest darlington NGs (4 bloki) w miejscowości bowmanville (prowincja ontario), uru-chomiona w latach 1989-1993.
Elektrownie z reaktorami cANdu-6, o mocy 600-700 Mw, w róż-nych krajach świata buduje Grupa team cANdu, złożona z Ato-mic Energy of canada Ltd. (AEcL), sNc-Lavalin, Hitachi-canada, GE-canada, babcock&wilcox przy kooperacji wielu innych, mniej-szych firm kanadyjskich. Elektrownie wybudowane w ciągu ostatnich kilkunastu lat w korei Południowej, w chinach (a ostatnio w Rumunii) zostały oddane do eksploatacji bez opóźnień i bez przekroczenia wyceny kosztorysowej. Niektóre bloki oddano kilka miesięcy przed terminem, co w przypadku inwestycji Qinshan iii oznaczało pół miliarda dolarów oszczędności dla chińskiego klienta. Na projekcie Qinshan oparty jest następny model cANdu-6, tzw. Ec-6 (Enhanced cANdu-6), o mocy 740 Mw, będący obecnie w stadium projektowania.
doskonalenie dobrej, sprawdzonej konstrukcji umożliwia unik-nięcie nieprzyjemnych niespodzianek, takich jak np. znaczne opóź-nienia w budowie nowego reaktora EPR w Finlandii (po 28 mie-siącach budowy reaktor olkiluoto-3 miał opóźnienie co najmniej 24 miesięcy, a koszty przekroczyły wycenę o 50%).
Ewolucja reaktorów cANdu: od prototypów, poprzez jedno- i wieloblokowe (model eksportowy to jednoblokowy cANdu-6 o mocy 740 Mw,
w wersji ulepszonej Ec-6)
bloki cANdu-6 osiągają najwyższe na świecie współczynniki wykorzystania mocy zainstalowanej (capacity factors). bloki elek-trowni cANdu w wolsong w korei Południowej plasują się na czo-łowych miejscach w grupie 25 najlepiej pracujących reaktorów na świecie. blok nr 1 cANdu-6 w elektrowni cernavoda w Rumunii osiągnął w 2007 roku współczynnik wykorzystania mocy zainstalo-wanej powyżej 97%, a po rozruchu bloku nr 2 w 2008 roku firma Nuclearelectrica zanotowała fantastyczny wzrost dochodów – bloki cANdu-6 produkują tani prąd.
CANDU dla Polski?
Elektrownie jądrowe oparte na modelu eksportowym cANdu-6 mają szereg zalet, które mogą być interesujące także dla naszego kraju. A oto niektóre z nich:
● tanie paliwo – uran naturalny, a nie drogi uran wzbogacony, co daje wysoki stopień niezależności energetycznej (kanada jest jed-nym z trzech największych producentów uranu na świecie). ● każdy kraj – użytkownik reaktora cANdu produkuje własne pa-liwo (proste, nieduże wiązki papa-liwowe, ułatwiające transport i skła-dowanie przed i po wypaleniu).
● koszty energii obniża osiąganie przez reaktor cANdu bardzo wysokich współczynników wykorzystania mocy zainstalowanej. ● Prowadzenie bloku cANdu jest w pełni skomputeryzowane (pole do popisu dla doskonałych polskich informatyków).
● blok cANdu może pracować przez kilka lat bez przerwy, za-pewnia to skomputeryzowana wymiana paliwa z zachowaniem pra-cy reaktora na stałej mopra-cy, stałej reaktywności rdzenia i dodawaniu stałych ilości tych samych odczynników chemicznych do obiegu moderatora i chłodzenia.
● Reaktor cANdu posiada wysoce niezawodne specjalne systemy zabezpieczeń, w tym dwa całkowicie niezależne systemy odstawia-nia awaryjnego.
● specjalne systemy zabezpieczeń są testowane w ruchu, co umoż-liwia rzadkie przestoje planowe (co dwa, a nawet co trzy lata). ● czas eksploatacji reaktora cANdu-6 to dwa okresy po 25 lat, z jedną wymianą rur ciśnieniowych (przykład EJ Embalse w Ar-gentynie).
● budowa „pod klucz” i rozruch w czasie krótszym niż 5 lat (przy-kłady: 5 bloków w ciągu ostatniego dziesięciolecia).
● znaczny udział dostaw urządzeń z kraju budowy (tzw. lokalizacja dostaw cANdu) pozwala, by kolejne bloki mogły wykorzystywać do 70% urządzeń i usług z rynków lokalnych (przykład korei Po-łudniowej).
● doskonale opracowany system szkolenia personelu licencjono-wanego przez dozór jądrowy, tj. nastawniczych bloku i inżynierów dyżurnych ruchu.
● Przeszkolenie całego personelu potrzebnego do rozruchu elek-trowni w ciągu czterech i pół roku (najpierw w kanadzie, potem w kraju docelowym).
● Pełny transfer technologii: klient otrzymuje narzędzia analizy, niezbędną wiedzę, oprogramowanie i system szkolenia, włącz-nie z kompletną makietą nastawni i symulatorem komputerowym bloku.
● wymiana doświadczeń między elektrowniami z reaktorami cANdu na całym świecie w ramach coG (candu owners Group). ● w energetyce jądrowej w kanadzie pracuje wielu Polaków na stanowiskach o różnorodnych specjalnościach.
● budując szybko kilka bloków cANdu-6, Polska odnotowałaby dodatkowy zysk wskutek zmniejszenia opłat na rzecz unii Europej-skiej za emisję co2.
● Gdyby uranu kiedyś zaczynało brakować i stałby się zbyt drogi, to reaktor cANdu może używać jako paliwa także toru − jeszcze bar-dziej powszechnie występującego niż uran. cykl torowy jest nieco bardziej skomplikowany niż uranowy, ale taka alternatywa nie istnie-je oczywiście dla reaktorów lekkowodnych na uran wzbogacony. ● istnieje możliwość „dopalania” w reaktorach cANdu zużytego paliwa z reaktorów lekkowodnych (rozcinanie koszulek i pakowa-nie w wiązki duPic lub produkcja paliwa typu MoX).
zużyte paliwo z reaktorów lekkowodnych (PwR) można przepakowywać w stanie suchym do wiązek cANdu, aby dopalać je w reaktorach ciężkowodnych. Na zdjęciu: RFFL (Recycle Fuel Fabrication Facility) – fabryka przetwarzania zużytego paliwa
Po kilkunastu latach składowania w basenie zużyte paliwo cANdu można składować w stanie suchym. Na zdjęciu: MAcstoR (Modular Air-cooled storage) – chłodzone powietrzem składy betonowe, projektowane na sto lat eksploatacji, wykorzystywane już obecnie w kanadzie, korei i w Rumunii. każdy moduł mieści 24 tysiące wypalonych wiązek. dwublokowa elektrownia 2xEc-6 w założonym okresie eksploatacji 60 lat będzie potrzebowała 30 takich modułów. Po 100 latach paliwo należy przetransportować do nowych modułów MAcstoR lub do składu w głębokich formacjach geologicznych
synergia cykli paliwowych reaktorów lekko- i ciężkowodnych może być atrakcyjna, gdy dane państwo ma sporą liczbę reaktorów PwR obok reaktorów cANdu, bo wykorzystuje się lepiej nośniki energii i zmniejsza aktywność odpadów. (Przetwarzanie zużytego paliwa jest związane z poważnymi zagrożeniami radiologicznymi, ale wiele państw robi to w sposób bezpieczny i odpowiedzialny. za-letą cANdu jest jednak proste składowanie wypalonego paliwa, bez potrzeby odzysku pierwiastków rozszczepialnych, jak to ma miejsce z wypalonym wzbogaconym uranem z reaktorów PwR). ● Reaktor cANdu charakteryzuje się wysoką ekonomią neutronów, w wyniku której ilość zużytego uranu naturalnego na 1 Mwh wypro-dukowanej energii elektrycznej jest niższa niż w przypadku reaktorów lekkowodnych. (oczywiście, wypalenie w kw/kg jest w cANdu kilkakrotnie niższe niż w reaktorach PwR, przez co proporcjonalnie większa jest ilość odpadów. Natomiast przy wzbogacaniu uranu na potrzeby reaktorów PwR i bwR powstają ogromne ilości uranu zu-bożonego (depleted uranium). Jest on wykorzystywany do produkcji pancerzy czołgów, pocisków przeciwpancernych i elementów samo-lotów, ale największa jego część po prostu się marnuje).
● Federalna firma państwowa AEcL oferuje klientom zagra-nicznym pomoc w zarządzaniu cyklem paliwowym od produkcji świeżego paliwa do ostatecznego składowania odpadów. ostatnio z ekspertyzy kanadyjskiej w tej dziedzinie skorzystały chiny, które posiadają reaktory ciężko- i lekkowodne.
Ewolucja systemu CANDU
Elektrownia NPd NGs 1 (jeden blok o mocy 25 Mwe) zbudowa-na została łącznie przez AEcL, ontario Hydro i cazbudowa-nadian General Electric (dziś GE−canada) i pracowała w latach 1962-1987. budo-wana była w głąb, poniżej powierzchni ziemi, a najniżej umieszczo-no pomieszczenie zbiornika zrzutowego moderatora (dump tank Room), basen zużytego paliwa (spent Fuel bay), kotłownię (boi-ler Room) i bunkier reaktora (Reactor Vault) − niedostępny, z wy-jątkiem tzw. pomieszczeń końcowych (End Rooms), zamykanych ekranami obrotowymi (Rotating shields).
Rdzeń reaktora NPd (NPd Reactor core) stanowiły 132 kanały zawierające po 9 wiązek paliwowych w kanale, a każda składała się z 13 prętów zwanych „ołówkami” (Fuel Pencils). Pręty zawierały pastylki (pellets) uo2 – uran naturalny w koszulkach ze stopu cyr-konu zircalloy-2. w reaktorze NPd wypalano również eksperymen-talne wiązki zawierające tor i pluton. stosowany był pręt z uranem wzbogaconym (tzw. booster Rod), nie używany już w późniejszych rozwiązaniach, takich jak elektrownia darlington. stosuje się w niej pręty kompensujące (Adjuster Rods) ze stali nierdzewnej, które po-chłaniają neutrony i mogą być usuwane z rdzenia, w celu dodatko-wego podniesienia reaktywności.
Reaktory w elektrowni darlington (4 bloki po 935 Mwe) mają 480 poziomych kanałów po 13 wiązek w kanale, a każda zawiera 37 elementów paliwowych (pencils). wymiana paliwa odbywa się przez dwie maszyny przeładowcze ustawione na końcach tego sa-mego kanału: jedna wprowadza świeże, a druga odbiera wypalone paliwo i umieszcza je w basenie składowym (spent Fuel bay).
Ewolucja systemu cANdu poszła w kierunku zminimalizowa-nia przypadków uszkodzezminimalizowa-nia paliwa i uproszczezminimalizowa-nia sposobu jego wymiany. Na przykład w elektrowni darlington w ciągu dnia wy-mienia się średnio 17 wiązek na reaktor (4 kanały po 4 wiązki plus jedna − z uśrednienia w dniu, kiedy wymienia się 20 wiązek). każda operacja wymiany paliwa polega na wprowadzeniu czte-rech nowych i usunięciu czteczte-rech wypalonych wiązek. w prze-ciwieństwie do elektrowni NPd nie wprowadza się częściowo wypalonych wiązek na inne pozycje w innych kanałach. Rezul-tatem jest prawie bezawaryjne funkcjonowanie systemu wymia-ny paliwa i bardzo niski poziom promieniowania w porównaniu z elektrownią NPd.
Elektrownia NPd NGs podzielona była na cztery strefy (zones 1, 2, 3 i 4) o zwiększającym się prawdopodobieństwie wystąpie-nia skażeń i odpowiednio zmniejszającym się ciśnieniu. Powietrze płynie z najczystszej strefy nr 1 do strefy 2, do strefy 3 i na końcu do strefy 4, a potem przez osuszacze i filtry do komina. w nowych elektrowniach liczbę stref zredukowano z 4 do 3.
obieg surowców i materiałów oraz logistyka procesów technologicznych przy wykorzystaniu ciężkowodnych reaktorów cANdu. Paliwem może być tani uran naturalny, tor, zużyte paliwo z reaktorów lekkowodnych oraz produkty uboczne fabryk wzbogacających uran
kanadyjski urząd dozoru jądrowego AEcb (dziś cNsc) ustalił suro-we normy emisji dEL (derived Emission Limits), jak również dopusz-czalne dawki promieniowania dla personelu. Administracyjnie dozwo-lone dawki promieniowania dla różnych organów (kończyny, tarczyca, oko itd.) − tzw. administrative dose limits − kanadyjskiej energetyki jądrowej są dużo niższe niż maksymalne dawki prawnie dozwolone. wynika to między innymi z tego, że w dzisiejszych elektrowniach dawka promieniowania personelu jest dużo niższa niż w pierwszej elektrowni NPd, ze względu na wprowadzenie wielu ulepszeń.
zagrożenia radiologiczne w elektrowniach cANdu (Radiation Ha-zards in cANdu Nuclear Generating stations) można podzielić na: zewnętrzne (pochodzące od promieniowania gamma, beta i neutro-nów), wewnętrzne (pochodzące od trytu) oraz zewnętrzne i wewnętrz-ne (od skażenia powietrza, powierzchni lub skażonych płynów).
tryt powstaje z deuteru bombardowanego neutronami, w więk-szym stopniu w ciężkiej wodzie obiegu moderatora niż w pierwot-nym obiegu chłodzenia. izotop ten jest zagrożeniem wewnętrzpierwot-nym, emitującym wyłącznie cząstki beta (elektrony), które mają zbyt ni-ską energię, aby przejść przez skórę. Natomiast w postaci wody za-nieczyszczonej trytem (Hto) można go wchłonąć drogą absorpcji przez skórę lub przez drogi oddechowe.
Przed trytem zabezpiecza szczelność systemów wodnych, systemy wentylacji, osuszacze, a wreszcie osobisty sprzęt ochronny od respira-torów, przez maski zasilane powietrzem, aż do wentylowanych ubrań plastykowych. ubrania plastykowe (Plastic suits) używane są przy pracy w obecności skażeń w postaci pyłów, które mogą doprowadzić do skażenia powietrza, oraz przy potencjalnie wysokich stężeniach trytu. w nowych elektrowniach układ pierwotny chłodzenia (PHt) i moderator są zupełnie oddzielone, co znacznie obniżyło potencjal-ne stężenie trytu w powietrzu przy przeciekach. PHt ma czystość izotopową w przedziale 97-98%, zaś moderator powyżej 99,75%.
Elektrownia darlington posiada urządzenie do uzdatniania d2o (sta-tion upgrader) oraz instalację kriogeniczną usuwania trytu (tritium Removal Facility). tryt wiąże się z tytanem (w pastylkach) i sprzedaje na rynku izotopowym do krajów, które podpisały traktat o nieroz-przestrzenianiu broni jądrowej. Materiał ten stosowany jest między innymi w tokomakach – urządzeniach mających na celu opracowanie kontrolowanej reakcji termojądrowej na późniejsze potrzeby energety-ki. zatwierdzone zasady eksploatacji (operating Policies&Principles) ograniczają zawartość trytu w pierwotnym obiegu chłodzenia do 1 ci/ kg, a jego emisję regulują bardzo surowe normy ochrony środowiska. tryt usuwa się drogą wymiany katalitycznej i destylacji kriogenicznej.
kierunki rozwojowe reaktorów cANdu to wspomniany Ec-6, o mocy projektowanej 740 Mwe, oraz AcR-1000 (Advanced cAN-du Reactor, 1200 Mw), w którym planuje się zastosować system chłodzenia z lekką wodą. uprości to obsługę i wydłuży okres eks-ploatacji do 2 razy po 30 lat (z 2 razy po 25 lat), ale będzie wyma-gało lekko wzbogaconego paliwa (2,2% u-235 zamiast 0,7% u-235 jak w uranie naturalnym). o tym, który kierunek rozwoju cANdu zwycięży, zadecyduje rynek.
w przeciwieństwie do odstawianych w tym celu co kilkanaście miesięcy reaktorów lekkowodnych, wymiana paliwa cANdu odbywa się codziennie – z zachowaniem ruchu reaktora. dwie sterowane komputerowo maszyny przeładowcze wkładają nowe paliwo do kanału i transportują wypalone wiązki do głębokiego basenu, gdzie pozostają przez kilkanaście lat. Nastepnie usuwa się je do składowania w stanie suchym (np. w betonowych modułach MAcstoR)
Makieta elektrowni dwóch bloków Ec-6. ze względów eksploatacyjnych (takich jak wykorzystanie personelu) najbardziej celowe jest budowanie dwóch bloków cANdu obok siebie
Materiał był prezentowany na seminarium zorganizowanym przez Polskie Towarzystwo Nukleoniczne na Politechnice Warszawskiej w grudniu 2008 roku. Podziękowania za uzupełnienia referatu należą się dr. hab. Jerzemu Sawickiemu (Interatomics) i dr. Stefanowi Doerf-ferowi (AECL) za informacje na temat paliwa CANDU. Ilustracje do artykułu zostały udostępnione autorowi przez AECL (Atomic Energy of Canada Ltd.).
Elektrownie cANdu budowano jako jednoblokowe, czteroblo-kowe, a obecnie dwublokowe. ta ostatnia konfiguracja okazała się optymalna. zapewnia ona elastyczną wymianę personelu między dwoma blokami.
Wdrożenie energetyki jądrowej w Polsce
sytuację energetyki w Polsce opisuje poniższy cytat: „Polskie regu-lacje prawne, głównie Prawo atomowe z dnia 29 listopada 2000 roku (wraz z późniejszymi nowelizacjami) odpowiadają międzynarodowo uzgodnionym umowom i przepisom w zakresie wymagań formalnych wszystkich etapów procesu inwestycyjnego obiektów jądrowych, ist-nienia specjalistycznego, rządowego urzędu dozoru jądrowego – Pań-stwowej Agencji Atomistyki, zgodności polskich przepisów prawnych i zasad organizacyjnych z konwencjami i traktatami międzynarodo-wymi. odrębnym zagadnieniem będzie organizacja kształcenia wy-sokokwalifikowanego personelu i pewne przygotowania w tym za-kresie zostały już poczynione”(cytat za:Tadeusz Wójcik, Andrzej T. Mikulski: Konferencja NPPP 2006 „Elektrownie jądrowe dla Polski – spostrzeżenia i wnioski”, Warszawa, 1-2 czerwca 2006 r.).
Ministerstwo Gospodarki opracowuje Politykę energetyczną Pol-ski do 2030 roku, kiedy skończą się w Polsce płytkie pokłady wę-gla, co bardzo podniesie koszty jego wydobycia. Jednym z celów tego dokumentu jest dążenie do zmniejszenia do 2030 roku emisji co2 z sektora paliwowo-energetycznego o 20% w stosunku do 2005 roku. Jest to pilne z kilku powodów. Przede wszystkim z uwagi na konieczność spowolnienia zmian klimatycznych, a po drugie − ze względu na opłaty za emisję co2, które nakłada na Polskę i nakładać będzie coraz bardziej agresywnie komisja Europejska.
szybkie wdrożenie energetyki jądrowej będzie możliwe, jeżeli Polska natychmiast upoważni podmioty polskie, zagraniczne i mie-szane do występowania o autoryzację budowy elektrowni jądrowych według systemów wybranych przez inwestorów, pod warunkiem zatwierdzenia danego systemu i lokalizacji elektrowni atomowych przez krajowy urząd dozoru jądrowego. taki rozwój energetyki ją-drowej jest preferowaną metodą zdobycia nowych źródeł zasilania, zgodnie z dyrektywą unii Europejskiej dotyczącej funkcjonowania rynku elektryczności w państwach unii (dyrektywa 2003/54/Ec).
według Tez do dyskusji nad polityką energetyczną Polski do roku 2030 ma następować „(…) interwencyjna polityka państwa, poprzez stabilizację rynku zasobami produkcyjnymi Polskiej Grupy Energe-tycznej, zgodnie z Programem dla elektroenergetyki, gdyż rosną-ce i niestabilne rosną-ceny energii elektrycznej mogą ograniczyć rozwój gospodarczy”. Aby Polska Grupa Energetyczna mogła powyższe zadanie pomyślnie wykonywać, musi mieć instrumenty w postaci technologii produkcji energii elektrycznej o najniższych kosztach. celem tej polityki energetycznej w odniesieniu do Polskiej Grupy Energetycznej powinno być osiągnięcie do 2030 roku 33% udziału energetyki jądrowej, co jest obecną średnią w unii Europejskiej.
Pierwsza na świecie jednoblokowa elektrownia cANdu NPd NGs, o mocy 25 Mw(e), w Rolphton nad ottawą (ontario, kanada) została uruchomiona w 1962 roku i przez 25 lat była poligonem doświadczalnym dla nowych rozwiązań
