Przyszłościowe koncepcje energetyki jądrowej

Trwający już od kilku dekad obecny kryzys zaufania do energetyki jądrowej stanowi bodziec do projektowania generacji reaktorów, które byłyby w stanie sprostać stawianym im najwyższym wymaganiom. Bezapelacyjnie głównym problemem jest całokształt zagrożeń jakie stanowi elektrownia jądrowa w społecznym odczuciu, a w drugiej kolejności - jej wysoki koszt inwestycyjny. Stąd przed światowym przemysłem jądrowym pojawiają się następujące cele:
1) Podniesienie bezpieczeństwa
2) Obniżenie kosztów

Najbardziej rozpowszechnione w świecie (blisko 90% mocy zainstalowanej) są reaktory na neutronach termicznych, w których jednocześnie chłodziwem i moderatorem neutronów jest woda (niemal zawsze lekka - rzadko D₂O), pod ciśnieniem dopuszczającym (lub nieco częściej - nie) do jej wrzenia (reaktory wodne ciśnieniowe i wodne wrzące). Wszystkie reaktory tego typu cechuje niezawodny (jako wynikający z działania praw fizyki a nie jakiegoś urządzenia) fenomen ujemnego temperaturowego sprzężenia zwrotnego. Skrótowo mówiąc - towarzyszące wzrostowi temperatury zmniejszanie gęstości moderatora (np. wrzenie) oznacza osłabianie procesu spowalniania neutronów, a stąd malenie strumienia neutronów termicznych, pociągające za sobą zmniejszanie intensywności rozszczepień. Reakcja łańcuchowa musi więc natychmiast ustać w razie podniesienia się temperatury w reaktorze np. skutkiem utraty chłodziwa lub tylko jego przepływu itp. Eksplozja z wydzieleniem znacznej ilości energii jest fizycznie niemożliwa, wobec czego źródłem największego zagrożenia pozostaje eksploatowane paliwo o skrajnie wysokiej radiotoksyczności. Wydziela ono ciepło (z rozpadów beta i gamma fragmentów rozszczepień) także po wyłączeniu reaktora, w ilości - gdy nie odprowadzone - grożącej zniszczeniem rdzenia reaktora. W tych warunkach naczelną przesłanką ulepszeń staje się minimalizacja prawdopodobieństwa takich awarii, a ich skutków - przez zapewnienie maksymalnego odizolowania używanego paliwa jądrowego od otoczenia.

Innymi słowy energetyka jądrowa nowej generacji staje przed wyzwaniem: to be perfect or not to be. Drogą do osiągnięcia postawionych wyżej celów jest:

Ad.1. Ogólnie: "zwiększenie pasywności" układów bezpieczeństwa
Upraszczanie konstrukcji (redukcja liczby rurociągów ciśnieniowych, pomp i zaworów)
Upraszczanie obsługi (eliminacja możliwości błędów ludzkich)
Zmniejszenie ilości i toksyczności odpadów
Zamknięcie cyklu paliwowego (transmutacje odpadów)

Ad. 2.
Upraszczanie budowy oraz standaryzacja i modularyzacja
Krótszy czas budowy - do 60 miesięcy (sprawny proces licencyjny)
Dłuższy czas eksploatacji elektrowni - 60 lat
Rzadsza wymiana paliwa (krótsze przerwy w produkcji energii el.)
Podniesienie stopnia wypalenia paliwa (>50 MWd/kg - 5-6 lat eksploatacji)
Ew. mniejsza moc - (większy rynek)

Nowe koncepcje elektrowni jądrowych pojawiły się w postaci projektów szeregu firm znanych na całym świecie, wyspecjalizowanych w najbardziej zaawansowanych technologiach. Wymienimy tu jedynie kilka najważniejszych: APWR - (Westinghouse, USA), EPR - (Framatome & Siemens, Francja/Niemcy), ABWR (GE, Hitachi & Toshiba, USA/Japonia), PIUS - (ABB Atom, Szwecja) i in.

Sposoby realizacji powyższych postulatów najlepiej omówić na przykładzie. Jest nim oferta Westinghouse'a - elektrowni na bazie reaktora AP-600, który po 6-letnim procesie licencjonowania uzyskał aprobatę amerykańskiej komisji dozoru jądrowego (Nuclear Regulatory Commission, NRC) we wrześniu 1998 r. Schemat budynku reaktora tej elektrowni przedstawia rys. 1 [1].

Bezpośrednim skutkiem Maksymalnej Awarii Projektowej (MAP) - czyli np. skądinąd wielce nieprawdopodobnego rozerwania głównego rurociągu chłodzącego - byłby gwałtowny wzrost ciśnienia w wypełnionej wówczas parą obudowie bezpieczeństwa. Ponieważ na dalszą metę mogłoby to zagrażać wydostaniem się silnie aktywnych substancji promieniotwórczych na zewnątrz, wysiłki projektantów koncentrują się na ograniczaniu tego wzrostu, a następnie szybkiej redukcji ciśnienia oraz na zapobieganiu istotnym termicznym uszkodzeniom paliwa.

Jest to do osiągnięcia drogą możliwie najskuteczniejszego schładzania zarówno rdzenia reaktora jak i całego wnętrza obudowy bezpieczeństwa. Stąd przewidziano tam umieszczenie ogółem trzech systemów awaryjnego chłodzenia: wysoko-, średnio- i niskociśnieniowego (rys.1). Spełnianie stawianego im zadania polegającego na dostarczeniu wody chłodzącej do rdzenia nie jest uwarunkowane działaniem żadnego urządzenia. Pod ciśnieniem sprężonego gazu woda będzie wpływać do reaktora przez zawór utrzymywany dotąd w stanie zamknięcia przez ciśnienie panujące w reaktorze w czasie jego normalnej pracy. Dalszy spadek ciśnienia uruchamia wypływ wody z podobnych zbiorników średniociśnieniowych. Ostatni w kolejności wykorzystany byłby znajdujący się także wewnątrz obudowy basen wymiany paliwa - jako układ niskociśnieniowy. Ponieważ jest on umieszczony powyżej reaktora woda wypływać będzie z niego grawitacyjnie. W końcu woda z pary skraplającej się na wewnętrznej powierzchni obudowy spływać będzie również ku reaktorowi znajdującemu się w dolnej części wolnej przestrzeni wnętrza obudowy (rys.1).

W perspektywie długotrwałego chłodzenia przewidziano także specjalny odbiór ciepła z zewnątrz obudowy. Do tego celu służyć ma umieszczony u szczytu budynku elektrowni zbiornik z wodą wypływającą z niego bez użycia pomp pod własnym ciężarem, w ilości zapewniającej spryskiwanie obudowy w ciągu 3-dni. W razie braku uzupełniania tego zapasu, obudowa pozostaje nadal chłodzona konwekcyjnie powietrzem atmosferycznym (rys.1), co zapewnia utrzymanie ciśnienia wewnątrz obudowy w granicach 90% wartości dopuszczanej w projekcie, o maximum osiąganym po dopiero dwóch tygodniach.

Podsumowując: postęp w dziedzinie bezpieczeństwa zasadniczo polega na przejęciu istotnych funkcji od urządzeń przez podstawowe efekty fizyczne: grawitację, konwekcję, ciśnienie gazu. W odniesieniu do pozostałych czynników bezpieczeństwa - w projekcie elektrowni z reaktorem AP 600 - 5-krotnie zmniejszono liczbę rurociągów ciśnieniowych, o połowę liczbę zaworów, 3-krotnie - kabli itp. Maleje więc prawdopodobieństwo awarii. W związku z odpadami należy podkreślić - szczególnie wyraźną we Francji - tendencję do stopniowo coraz pełniejszej recyklizacji zużytego paliwa (powszechne stosowanie paliwa MOX (UO₂ + PuO₂) a także opracowanie paliwa z domieszką ²³⁷Np) [2]. W ten sposób w istotnym stopniu zahamowano wzrost ilości gromadzonego plutonu a także łącznego wolumenu odpadów.

Odnośnie do aspektów ekonomicznych energii jądrowej na uwagę zasługuje - dokonane 4 lata temu w Szwecji - po 20 latach użytkowania licencjonowanie reaktora wodnego wrzącego na dalsze 40 lat. Zważywszy nieunikniony wzrost kosztów paliw organicznych na przesztrzeni 60 lat, w zestawieniu z nikłym udziałem ceny surowca (uranu) w kosztach energii elektrycznej z elektrowni jądrowych - ich konkurencyjność nie może budzić poważniejszych wątpliwości.

Bibliografia

1. http://www.ap600.westinghouse.com
2. S.Taczanowski, Postępy Fizyki, Transmutacje, układy podkrytyczne i energia