Elektrownie jądrowe w Finlandii. Specyfikacja, rola i przyszłość
advertisement
Elektrownie jądrowe w Finlandii. Specyfikacja, rola i przyszłość energetyki jądrowej w Finlandii 1. Sektor energetyczny w Finlandii Według danych Energy Authority pozyskanych bezpośrednio z raportów danych elektrowni, dnia 8.1.2014 w Finlandii znajdowało się 346 jednostek wytwórczych o zainstalowanej mocy powyżej 1 MWe, co daje łączną moc zainstalowaną 16,895 GW (stan z dnia 8.1.2014). Warto zwrócić uwagę na fakt, że zainstalowana moc w elektrowniach w Finlandii utrzymuje się praktycznie na tym samym poziomie, wykazując delikatną tendencję wzrostu głównie dzięki modernizacji istniejących obiektów. Kolejną istotną kwestią jest struktura wytwarzania energii w tym kraju, którą bardzo czytelnie ilustruje wykres 1.1. Wykres 1. 1 Struktura wytwarzania energii w Finlandii w roku 2013 6% 8% Energia jądrowa 27% Energia importowana Energia wodna 12% Biopaliwa Węgiel 13% 19% Gaz ziemny Inne 15% Źródło: opracowanie własne na podstawie danych FEI Analizując wykres 1.1 nietrudno zauważyć, że Finlandia opiera produkcję energii elektrycznej na bardzo zdywersyfikowanym miksie energetycznym, co gwarantuje jej dużą niezależność energetyczną. Zróżnicowanie źródeł wytwórczych oraz duży udział energetyki jądrowej (ok. 27%), która jest bardzo niezawodną formą produkcji energii chociażby poprzez fakt, że paliwo jądrowe jest sprowadzane z krajów stabilnych politycznie, sprawia, że system energetyczny tego kraju gwarantuje duże bezpieczeństwo dostaw. Jedynym mankamentem, który powinien zostać zminimalizowany, jest ilość energii importowanej do Finlandii z krajów sąsiadujących – ok. 19%. Takie duże zapotrzebowanie na energię tłumaczy chęć tworzenia nowych reaktorów jądrowych, a co za tym idzie zwiększenie majątku wytwórczego Finlandii i jeszcze większą niezależność energetyczną. 2. Elektrownie jądrowe w Finlandii Energetyka jądrowa w Finlandii cieszy się bardzo dużo popularnością i akceptacją społeczeństwa. Od końca lat siedemdziesiątych Finlandia eksploatuje 4 reaktory w dwóch elektrowniach jądrowych: Loviisa i Olkiluoto. W tej ostatniej siłowni trwa budowa piątego reaktora – najnowszej francuskiej konstrukcji EPR (więcej w rozdziale 3.1). Istniejące reaktory (ogółem około 2700 MWe netto) należą do najbardziej wydajnych na świecie, ze średnim współczynnikiem wykorzystania mocy znamionowej wynoszącym ponad 85% w ciągu całego czasu użytkowania, natomiast w ostatnich dziesięciu latach – 95%. Tak duże wykorzystanie elektrowni jądrowych w systemie energetycznych Finlandii zwiększa opłacalność planowanych siłowni jądrowych w przyszłości. 2.1 Olkiluoto Elektrownia Olkiluoto znajduje się na wyspie na zachodzie Finlandii, od której pochodzi też jej nazwa. Obiekt składa się z dwóch istniejących bloków OL1 i OL2 oraz wciąż budowanego OL3. Operator Olkiluoto – firma TVO – ma kilkudziesięciu udziałowców. Fortum ma w niej 25 proc. udziałów, natomiast reszta należy przede wszystkim do firm z energochłonnych sektorów przemysłu (np. do PVO – Pohjolan Voima czy do koncernów przemysłu papierniczego – UPM oraz Stora Enso), ale też i samorządów. Udziałowcy, proporcjonalnie do swojego wkładu, otrzymują energię elektryczną po kosztach produkcji. Bloki elektrowni jądrowych elektrowni Olkiluoto 1 i Olkiluoto 2 (OL1 i OL2) są identyczne. Oba mają reaktory typu BWR o znamionowej mocy netto 860 MWe. Bloki zostały oddane do eksploatacji odpowiednio w 1978 i 1980 roku. Reaktory OL1 i OL2 wymagają corocznego zasilenia łączną ilością około 40 ton niskowzbogaconego uranu. Warto również zwrócić uwagę, o czym wspomniano we wstępie, na bardzo wysoki współczynnik wykorzystania mocy znamionowej, który dla Olkiluoto waha się między 93 a 97%. Od 2005 roku budowany jest tam również trzeci blok OL3, który będzie posiadał reaktor EPR (więcej w rozdziale 3.1). Rysunek 2. 1 Elektrownia jądrowa w Olkiluoto (bloki 1 i 2) 2.2 Loviisa Elektrownia jądrowa Lovissa znajduje się blisko fińskiego miasta o tej samej nazwie na wyspie Hästholmen. Jest pierwszą wybudowaną w Finlandii elektrownią jądrową. Mieszczą się w niej dwa reaktory typu PWR (Loviisa 1 oraz Loviisa 2), każdy o mocy 510 MWe. Zostały one oddane do użytku odpowiedni w 1977 oraz 1980 roku. Bloki generują łącznie 8 TWh energii elektrycznej rocznie, co obejmuje około jednej dziesiątej produkcji energii elektrycznej w Finlandii. Loviisa należy w całości do kontrolowanego przez państwo koncernu energetycznego Fortum oraz zaliczana jest do najlepszych na świecie elektrowni jądrowych pod względem niezawodności. Roczne współczynniki obciążenia przekraczały 90%. Rzeczywista liczba poważnych awarii w ciągu 30 lat pracy była niewielka. Produkcja energii na wyspie Hästholmen będzie kontynuowana przynajmniej przez następne 16 lat. Na mocy licencji udzielonej przez fiński rząd w 2007 roku, blok Loviisa 1 może pracować do 2027 roku, a Loviisa 2 do 2030. Oprócz tego elektrownia jest unikalna z racji wykorzystania ekspertyz oraz niektórych technologii zachodnich m.in. od Westinghouse czy Siemensa, przy jednoczesnej pracy na reaktorach projektu radzieckiego. Jako ciekawostkę można podać również fakt, że jeden ze zbiorników reaktora w Loviisie został wykupiony od Polski – pierwotnie miał być on używany w nieukończonej elektrowni jądrowej w Żarnowcu. Rysunek 2. 2 Elektrownia jądrowa w Loviisie 3. Przyszłość energetyki jądrowej w Finlandii W celu zwiększenia udziału wytwarzania energii elektrycznej w źródłach jądrowych, a co za tym idzie ograniczenia importu energii z krajów zewnętrznych, Finlandia podjęła zdecydowane kroki. W Olkiluoto trwa budowa piątego reaktora w tym kraju – reaktora typu PWR, konstrukcji EPR. Plany zakładają jeszcze budowę czwartego reaktora w Olkiluoto oraz co najmniej jednego w nowej elektrowni Hanhikivi 1 (będzie ona znajdować się na półwyspie Hanhikivi, w pobliżu miejscowości Pyhäjoki). Po 2020 roku w Finlandii ma działać 6-7 reaktorów, pokrywających 60% zapotrzebowania kraju na energię elektryczną. Działania te mają zapewnić niezależność energetyczną. Również po 2020 roku ruszy budowane na wyspie Olkiluoto geologiczne składowisko Onkalo, w którym za sto lat znajdzie się całość wypalonego paliwa z całego okresu eksploatacji reaktorów w Olkiluoto i Loviisa (według prawa fińskiego wypalone paliwo jądrowe musi być składowane na terenie kraju). 3.1 Reaktor EPR w elektrowni jądrowej Olkiluoto 3 Budowany obecnie blok trzeci w elektrowni Olkiluoto 3 będzie pierwszym blokiem jądrowym z reaktorem EPR (ang. European Pressurised Reactor), reaktorem generacji III. Jest w budowie od lipca 2005 roku, a jego rozruch planowany był pierwotnie na rok 2009. Budowa realizowana jest przez konsorcjum Areva – Siemens. W początkowych jej latach datę rozruchu kilkukrotnie przesuwano. Dziś wiadomo, że elektrownia nie wyprodukuje energii elektrycznej przynajmniej do roku 2016, jak wynika z raportu TVO – przyszłego operatora elektrowni. W grudniu 2012 roku Areva oszacowała, że pełne koszty budowy reaktora osiągną kwotę 8,5 miliarda euro – prawie 3-krotnie wyższą od projektowanej ceny 3 miliardów euro. Mimo problemów i bardzo poważnych opóźnień, za które wzajemnie obwiniają się zleceniodawca i główny wykonawca projektu, warto przyjrzeć się konstrukcji reaktora EPR. Moc zainstalowana bloku (netto) będzie wynosiła 1600 MWe, co niemal podwoi obecnie zainstalowaną moc w elektrowni Olkiluoto. Przewidywana produkcja energii z bloku wynosi 13 TWh rocznie. Reaktor ten będzie eksploatowany projektowo przez następne 60 lat, czyli znacznie dłużej niż starsze bloki jądrowe (ok. 40 lat). EPR jako najnowszy reaktor ciśnieniowy będzie posiadał bardzo wysokie standardy bezpieczeństwa oraz wysoką sprawność (sprawność bloku netto wynosi 37% co jest o około 4 punkty procentowe lepszym wynikiem niż ta osiągana przez bloki OL1 i OL2). Paliwem w reaktorze będzie tlenek uranu (UO2), przy dość niewielkim stopniu wzbogacenia paliwa izotopem 235U – ok. 5%. Konstrukcja reaktora pozwala na zmianę zużytego paliwa w cyklu 12-sto lub 24-ro miesięcznym – w pierwszym przypadku po tym czasie eksploatacji wymianie ulega około 25% wszystkich prętów paliwowych. Woda w obiegu pierwotnym reaktora (a więc ta chłodząca kasety paliwowe) opuszcza reaktor o parametrach 329oC/155bar, a następnie jest transportowana do czterech wytwornic pary, gdzie oddaje ciepło do obiegu wtórnego. Temperatura na powrocie do reaktora wynosi ok. 296oC. W obiegu wtórnym, para opuszczająca wytwornicę pary jest parą nasyconą o parametrach 290oC/75,5bar. Trafia ona na część wysokoprężną turbiny, a następnie odpowiednio do separatora wilgoci – w celu odprowadzenia cząstek wody i do trzech, równolegle połączonych część niskoprężnej turbiny. Po przejściu przez części NP turbiny para kierowana jest do skraplaczy (2 skraplacze dla każdej z turbin niskoprężnych, co pozwala na wyłączenie z eksploatacji jednego z nich bez konieczności zatrzymania turbiny). Czynnikiem odbierającym ciepło w skraplaczu będzie woda morska, która dla EPR w Olkiluoto 3 ogrzeje się o ok. 12oC na wylocie. Skropliny w obiegu wtórnym są natomiast kierowane na 7 podgrzewaczy regeneracyjnych osiągając temperaturę 230oC przed wytwornicami pary. Uzyskana z rozprężania pary energia mechaniczna zostaje przekazana do generatora, który zamienia ją na energię elektryczną. Moc znamionowa generatora wynosi 1992 MVA. Głównym celem, któremu ma służyć budowa reaktora EPR III generacji, jest zwiększenie bezpieczeństwa dzięki zastosowanym aktywnym i pasywnym systemom zabezpieczeń. Ochrona przed wyciekiem radioaktywnych substancji do otoczenia jest zapewniona dzięki trzem barierom ochronnym: metalowej osłonie prętów paliwowych, ciśnieniowemu zbiornikowi reaktora i szczelnemu budynkowi ochronnemu reaktora. O ile pierwsze dwa nieznacznie różnią się od tych w konstrukcjach reaktorów budowanych dotychczas, o tyle osłona budynku reaktora jest elementem wyróżniającym reaktor EPR. Zewnętrzną osłonę reaktora stanowi szczelna betonowa skorupa, która składa się z podwójnej ściany zbudowanej ze zbrojonego betonu, każda z nich ma grubość 1,4 m, ponadto wewnętrzna część jest pokryta stalowym płaszczem, który pozawala jej na wytrzymanie ciśnień do 5,3 bara. Osłona taka pozwala uchronić reaktor np. przed nagłymi wzrostami temperatury czy uderzeniem samolotu. Prędkość reakcji kontrolowana jest przez dwa czynniki: pręty regulacyjne złożone głównie z elementów takich jak srebro, iryd, kadm oraz węglik boru. Opuszczenie wszystkich prętów do przestrzeni reaktora daje możliwość zatrzymania reakcji łańcuchowej w ciągu 3,5 s. Takie awaryjne wsunięcie prętów oznacza wprowadzenie do reaktora ujemnej reaktywności, co powoduje zmniejszenie ilości zachodzących reakcji rozszczepienia oraz zmniejszenie ilości generowanego w pastylkach paliwowych ciepła tylko do ciepła powyłączeniowego. Występuje ono na skutek przemian rozszczepienia zachodzących w reaktorze po wyłączeniu. W reaktorze EPR po 1 godzinie od awaryjnego wyłączenia stanowi ono ok. 1% mocy cieplnej reaktora. Na wypadek gdyby pręty regulacyjne nie spadły i nie doszłoby do wyłączenia reaktora oraz pompy obiegu pierwotnego przestały działać, automatycznie zostaje uruchomiony system wypełnienia reaktora borem. Kontrolę nad systemami sterowania bloku można sprawować z pomocą każdego z czterech oddzielnych systemów zabezpieczeń. Należy tu podkreślić, że każdy z nich niezależnie od innych może opanować awaryjną sytuację. Każda z tych sekcji zawiera systemy awaryjnego chłodzenia reaktora, awaryjny system uzupełniania wody obiegu wtórnego oraz systemy elektroniczne i kontrolne wymagane do operowania ww. elementami. Każdy z czterech systemów uzupełniania wody, czy to w obiegu pierwotnym, czy wtórnym, jest podłączony do własnego zbiornika z wodą, co więcej każdy z nich jest połączony ze zbiornikiem przeciwpożarowym. Elektrownia posiada 4 generatory Diesla, które w razie awarii zasilania z zewnątrz są w stanie utrzymać zasilanie dla kluczowych systemów przez 24 h, oraz 2 rezerwowe generatory, zdolne do pracy przez kolejne 12 h. Na wypadek gdyby jednak doszło do utraty chłodziwa z reaktora i w rezultacie do stopienia rdzenia, pod reaktorem znajduje się konstrukcja mająca za zadanie uchwycić stopiony rdzeń i skierować go do obszaru, w którym może on zostać schłodzony i przy tym nie wydostać się poza budynek ochronny (poprzez stopienie betonowej płyty pod budynkiem). Gdy rdzeń trafi do tego obszaru zostaje on najpierw zalany stopioną płytą betonową (ang. sacrificial concrete), a następnie całość chłodzona jest wodą ze zbiornika awaryjnego znajdującego się w budynku reaktora. Rdzeń jest tam przechowywany aż do czasu gdy cały ulegnie skrzepnięciu. 4. Podsumowanie Energetyka jądrowa pełni w Finlandii bardzo kluczową rolę. Obecnie istniejące elektrownie jądrowe wytwarzają niecałe 30% energii, a plany rozbudowy tego sektora sprawią, że w przyszłości będzie to znacznie więcej, co jeszcze bardziej uniezależni energetycznie ten kraj. Warto również zauważyć, że nowoczesne reaktory jądrowe generacji III (np. przedstawiony w niniejszej pracy, budowany w Olkiluoto – EPR), oprócz niezawodności i stabilności dostaw, są bardzo bezpieczne. Jedynym zauważalnym i dość dotkliwym problemem wynikającym z rozbudowy elektrowni Olkiluoto jest znaczne przedłużenie okresu budowy oraz zwiększenie jej kosztów. Wynika to z faktu, że jest to pierwsza budowa tego typu reaktora na świecie, co w połączeniu z bardzo restrykcyjnymi przepisami dozoru jądrowego w Finlandii oraz błędami komunikacji między zleceniodawcą oraz wykonawcą czyni ją jeszcze bardziej skomplikowaną. Elektrownia z reaktorem EPR – Olkiluoto 3 na pewno będzie nowym etapem rozwoju energetyki jądrowej na świecie, a jej pomyślne ukończenie zwiększy szansę na realizację innych podobnych projektów jak choćby budowy elektrowni Hinkley Point C w Wielkiej Brytanii. 5. Źródła: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. http://energia.fi/en http://www.world-nuclear.org/info/Country-Profiles/Countries-A-F/Finland/ http://pl.wikipedia.org/wiki/Elektrownia_j%C4%85drowa_w_Loviisa http://pl.wikipedia.org/wiki/Elektrownia_J%C4%85drowa_Olkiluoto http://www.atom.edu.pl/index.php/ekonomia/spor-o-olkiluoto-3.html http://www.epcengineer.com/projects/details/79/olkiluoto-nuclear-power-plant http://www.tvo.fi/uploads/julkaisut/tiedostot/ydinvoimalayks_OL3_ENG.pdf
