Energetyka jądrowa. Rodzaje reaktorów, działanie i budowa elektrowni.

Kilka faktów historycznych…

Energetyka jądrowa to stosunkowo młoda gałąź przemysłu. Powstała dopiero w 1951 r. kiedy to amerykanie po raz pierwszy wytworzyli parę w reaktorze jądrowym i zastosowali ją do napędu turbiny. Za pierwszą elektrownię jądrową uważa się obiekt otwarty w 1954 r. w Obnińsku w ZSRR, który jako pierwszy wyprodukował energię elektryczną pochodzącą z rozszczepienia jądra atomu. Jednak większość specjalistów uważa, że pierwszą komercyjną elektrownią jądrową była brytyjska Calder Hall. Do końca lat sześćdziesiątych powstało jeszcze na świecie kilkanaście różnych reaktorów określanych mianem Generacji 1. Były to bardzo różne konstrukcje, często prototypowe.

Od początku lat siedemdziesiątych mówi się już o reaktorach drugiej generacji. Są to w pełni komercyjne reaktory, które były masowo budowane w USA, ZSRR, Francji, Wielkiej Brytanii oraz innych krajach. Wśród nich dominują reaktory wodne ciśnieniowe PWR (lub ich radziecki odpowiednik WWER) oraz wodne wrzące BWR. Reaktory tego typu były budowane do połowy lat dziewięćdziesiątych, kiedy stopniowo rozpoczęto wdrażanie reaktorów Generacji III/III+. Są to ulepszone konstrukcje reaktorów lekkowodnych PWR i BWR, w których zaimplementowano wnioski z awarii jakie miały miejsce w elektrowniach jądrowych i jednocześnie poprawiono ich ekonomikę. Do tej grupy zaliczane są obecnie ofertowane reaktory EPR, AP1000, APR1400 oraz inne.

Po 2030 roku planowane jest wdrożenie kolejnej generacji reaktorów, które będą charakteryzowały się jeszcze lepszą ekonomiką, wyższym poziomem bezpieczeństwa oraz mniejszą produkcją odpadów. Obecnie energetyka jądrowa odgrywa istotną rolę w pokryciu europejskiego zapotrzebowania na energię

- dr inż. Przemysław Żydak, Członek Zarządu/Współwłaściciel, Sotis Advisors.

Udział elektrowni jądrowych w produkcji energii elektrycznej w Europie wyniósł w 2020 r. około 25% przy udziale w mocy zainstalowanej na poziomie około 12% (Dane Eurostat). W Unii Europejskiej trzynaście krajów dysponuje elektrowniami jądrowymi. Największy udział energii elektrycznej produkowanej z energii jądrowej mają takie kraje jak Francja (67%) oraz Słowacja (54%). Szczegółowe dane przedstawiono na wykresach poniżej.

Źródło: Baza EuroSTAT.

Elektrownia jądrowa – jak działa?

Elektrownie, w sensie naukowym, nie produkują energii, ale przetwarzają jedną formę energii na inną. Elektrownie spalające paliwa kopalne przekształcają energię zgromadzoną w paliwie w energię cieplną, która następnie zamieniana jest w energię mechaniczną a ta ostatecznie przekształcana jest na energię elektryczną. W elektrowniach wiatrowych energia wiatru zamieniana jest na energię mechaniczną i następnie na energię elektryczną.

Elektrownia jądrowa działa podobnie jak elektrownia węglowa. Różnica tkwi w źródle ciepła, które jest wykorzystywane do produkcji energii cieplnej. W przypadku elektrowni węglowej jest to kocioł, w którym spalane jest paliwo. Natomiast w elektrowni jądrowej jest to układ określany mianem „jądrowego systemu wytwarzania pary” (JSWP). W zależności od technologii system ten składa się wyłącznie z reaktora (reaktory wrzące BWR), lub z obiegu pierwotnego obejmującego reaktor, wytwornice pary, pompy oraz dodatkowych urządzeń współpracujących (reaktory ciśnieniowe PWR). W reaktorze zachodzi kluczowy proces wytwarzania ciepła w wyniku reakcji jądrowej.

Inne różnice w budowie elektrowni jądrowej w porównaniu do elektrowni węglowej wynikają np. z niższych parametrów pary zasilającej turbinę, co wymusza stosowanie innych turbin oraz bardziej złożonego układu cieplno-przepływowego w części konwencjonalnej. Nie zmienia to jednak ogólnej zasady funkcjonowania tej części elektrowni.

Rodzaje reaktorów

Na świecie funkcjonuje bardzo wiele klasyfikacji reaktorów w zależności od ich zaawansowania technicznego lub kluczowych cech. Mówimy o m.in. reaktorach lekkowodnych oraz ciężkowodnych, gazowych, kanałowych, prędkich, wysokotemperaturowych, powielających. Poniżej opisano główne rodzaje i typy reaktorów.

Komercyjnie na rynku dostępne są dwa rodzaje reaktorów. Pierwszy z nich to reaktory lekkowodne ciśnieniowe PWR. Są to reaktory w których są dwa obiegi cieplne – pierwotny i wtórny, co zapewnia, że produkty rozszczepienia jądra uranu nie mogą przedostać się do części turbinowej elektrowni. Paliwem jest uran wzbogacony do poziomu około 5%. Reaktory PWR są dominujące na rynku. Na koniec 2021 r. eksploatowano 303 reaktory tego typu o łącznej mocy 288,2 GW z 437 (389,5 GW) reaktorów energetycznych wszystkich typów będących w eksploatacji. Główne oferowane rozwiązania to amerykański AP1000, francuski EPR, koreański APR1400, rosyjski WWER oraz chiński Hualong.

Obecnie w Europie w budowie jest 8 energetycznych reaktorów jądrowych i wszystkie są typu PWR.

Źródło: Baza PRIS MAEA, dostęp 2022.11.20. MAEA formalnie podaje 16 reaktorów w budowie w Europie zaliczając do sumy reaktory budowane w Rosji i Turcji.

Drugim najbardziej popularnym typem reaktorów są reaktory BWR – wrzące reaktory lekkowodne. Na koniec 2021 r. w eksploatacji było 61 tego typu reaktorów o mocy 61,8 GW. W reaktorze tego typu woda jest podgrzewana i odparowuje, po czym bezpośrednio trafia do turbiny. Główną zaletą tego rozwiązania jest jego prostota. W dużym uproszczeniu, elektrownia jądrowa oparta o reaktor BWR działa na podobnej zasadzie co elektrownia węglowa w której zamiast kotła zainstalowano reaktor. Reaktory tego typu oferuje głównie GE Hitachi (reaktory ABWR oraz ESBWR).

Wyróżnia się również reaktory kanałowe, które mają inną konstrukcję rdzenia. Każdy element paliwowy ma w nim własny kanał chłodzący, co pozwala na wymianę poszczególnych elementów paliwowych bez wyłączania całego reaktora jak w przypadku reaktorów PWR i BWR. Jednak takie konstrukcje są duże i wyjątkowo skomplikowane. Ich głównym przedstawicielem jest kanadyjski reaktor CANDU oraz reaktor czarnobylski RBMK. Pod koniec 2021 r. w eksploatacji było 47 tego typu jednostek o mocy 24,3 GW.

Stosunkowo nową i interesującą grupę stanowią reaktory SMR – małe modułowe reaktory jądrowe. Są to reaktory o mocy elektrycznej poniżej 300 MW, wykorzystujące pasywne systemy bezpieczeństwa i budowane w fabrykach w postaci modułów, z których są składane na placu budowy

- Robert Karczmarczyk, FRM, Dyrektor, Risk Advisory, Corporate Risk, Deloitte.

Jest to bardzo perspektywiczna grupa reaktorów, która oferuje dostęp do zeroemisyjnej energii nie tylko dużym przedsiębiorstwom państwowym, które dysponują odpowiednimi zasobami finansowymi na budowę dużego bloku o mocy tysiąca MW, ale również mniejszym, energochłonnym firmom, które pragną zabezpieczyć swoje bezpieczeństwo energetyczne budując blok o mocy kilku lub kilkunastu MW.

Reaktor jądrowy – podstawy

Źródłem ciepła w elektrowni jądrowej jest reaktor jądrowy, w którym zachodzi reakcja rozszczepienia ciężkich jąder uranu 235 w wyniku zderzenia z neutronem termicznym. Efektem reakcji jest powstanie dwóch mniejszych izotopów oraz 2 do 3 (średnio 2,5) neutronów. Różnica mas produktów i substratów tej reakcji zamieniana jest na energię zgodnie ze znanym równaniem Alberta Einsteina E=mc².

Powyższy proces wydaje się bardzo prosty, jednak w praktyce jego przeprowadzenie wymaga stworzenia odpowiednich warunków w reaktorze. W procesie uczestniczą izotopy uranu 235, który w naturze stanowi zaledwie około 0,7% rudy uranowej, oraz neutrony termiczne (powolne). Jednak w wyniku reakcji rozszczepienia powstają neutrony prędkie (o znacznie wyższej energii), które nie wywołują reakcji rozszczepienia. Konieczne jest zatem ich spowolnienie. W tym celu w reaktorze znajduje się moderator, czyli substancja spowalniająca neutrony. Najczęściej jest nim woda.

Niestety lekka woda nie ma odpowiednich własności fizycznych, aby zapewnić możliwość stabilnej pracy reaktora opartego o naturalny uran. Z tego powodu konieczne jest wzbogacenie uranu do poziomu około 5% udziału izotopu U235. W ten sposób funkcjonują reaktory lekkowodne.

Drugie rozwiązanie polega na zastosowaniu ciężkiej wody (wody, w której zamiast atomów wodoru w cząsteczce wody jest deuter – izotop wodoru zawierający dwa neutrony). Wówczas wzbogacenie paliwa nie jest konieczne. Na tej zasadzie pracują reaktory ciężkowodne, których głównym przedstawicielem jest kanadyjski reaktor CANDU.

Należy zaznaczyć, że głównym paliwem w obecnie eksploatowanych elektrowniach jest uran wzbogacony do poziomu około 5%. Jednak wykorzystuje się również paliwo MOX zawierające pluton odzyskany w procesie przeróbki paliwa wypalonego oraz uran. Możliwe jest również zbudowanie reaktora w oparciu o tor, pierwiastek znacznie częściej występujący w skorupie ziemskiej niż uran.

Fizyczna budowa reaktora

Reaktor to zbiornik ciśnieniowy w którym umieszczony jest rdzeń reaktora. Rdzeń zbudowany jest z siatki elementów paliwowych, które z kolei składają się z prętów paliwowych zawierających pastylki paliwowe będące praktycznym źródłem ciepła, miejscem w którym zachodzi reakcja jądrowa.
Przez rdzeń przepływa woda, która pełni podwójną rolę: moderatora oraz czynnika chłodzącego. Do reaktora trafia woda o temperaturze około 250°C, która jest następnie jest podgrzewana w rdzeniu.

W przypadku reaktorów PWR woda zostaje podgrzana do około 320°C i opuszcza reaktor trafiając do wytwornicy pary gdzie przeponowo oddaje ciepło do obiegu wtórnego, w którym produkowana jest energia elektryczna. W przypadku reaktorów BWR nad rdzeniem znajduje się parownik i podgrzana woda odparowuje w reaktorze, a następnie trafia bezpośrednio do turbiny.

Energetyka jądrowa, pomimo stosunkowo krótkiej historii, stanowi dobrze rozwiniętą i znaczącą gałąź przemysłu, która z powodzeniem zapewnia dostawy energii elektrycznej dla milionów odbiorców. Poza wytwarzaniem energii cieplnej i elektrycznej wykorzystywana jest także w medycynie i przemyśle

- Piotr Hałoń, Senior Manager, Risk Advisory, Deloitte.

Elektrownie jądrowe pozostają też jedynym zeroemisyjnym źródłem energii, które jest w pełni niezależne od warunków meteorologicznych oraz które jest zdolne do nieprzerwanych dostaw energii po racjonalnych i przewidywalnych kosztach.