Svět jaderných reaktorů: Vývoj tlakovodních reaktorů východní koncepce (VVER)

Předchozí díl byl zakončen Jadernou elektrárnou A-1 spuštěnou roku 1972 v Jaslovských Bohunicích. Celá jaderná energetika v 70. letech procházela dynamickým vývojem. Roku 1970 bylo v provozu celkem 84 jaderných elektráren s celkovým instalovaným výkonem 17 656 MWe a dalších 37 se nacházelo ve výstavbě. Na konci roku 1980 bylo celosvětově v provozu již 245 jaderných elektráren, jejichž instalovaný výkon dosahoval 133 037 MWe, což znamenalo více než sedminásobný nárůst instalovaného výkonu. Největší zastoupení už v té době měly tlakovodní reaktory.

Tlakovodní reaktory lze rozdělit na západní (PWR) a východní koncepci (VVER). O první jaderné elektrárně typu PWR se občas vedou spory. Dle názoru některých byl Shipping port přímým předchůdcem reaktorů PWR, podle jiných byl přímo první elektrárnou PWR. Design VVER byl vyvinutý v Rusku konstrukční kanceláří OKB Gidropress, která dnes patří do struktury Rosatomu.

První prototypy reaktorů VVER v Novovoroněži

Pokud pomineme reaktory pro pohon jaderných ponorek, byl prvním reaktorem VVER blok Novovoroněž 1. Jednalo se o vývojový typ s označením V-210 s instalovaným elektrickým výkonem 210 MW, který sloužil k ověření principu reaktoru ve větším měřítku než na experimentálních reaktorech. Tento reaktor byl v provozu mezi lety 1964 – 1988. Zajímavostí je, že podobný typ reaktoru Rusové postavili v bývalé NDR, kde byl první jadernou elektrárnou, která vyráběla elektřinu. Instalovaný výkon byl však pouze 60 MWe. Výkon byl v průběhu provozu zvýšen až na 80 MWe. Elektrárna byla v roce 1990 odstavena z politických důvodů stejně jako zbývající východoněmecké bloky s reaktory typu VVER.

Následující blok postavený v lokalitě Novovoroněž byl projektovým typem a opět byl určen k odladění projektu komerčního reaktoru, který následoval. Blok měl označení V-365 a instalovaný výkon 365 MWe. Další dva novovoroněžksé bloky již byly typu VVER-440, a šlo tedy o prototyp komerčního dvojbloku. Po mírných úpravách verze V179 přišla výstavba typu V230 v Rusku i v ostatních socialistických republikách. Později přišla verze V213 se zesílenou bezpečností a dvě speciální verze – arménská V270 pro provoz v seismicky aktivních oblastech a finská V311 s kontejnmentem a západními řídicími systémy.

Bloky novovoroněžské elektrárny s číslem 3 a 4 byly k síti přifázovány v letech 1971 a 1972 (do komerčního provozu byly uvedeny v letech 1972 a 1973). Instalovaný výkon každého bloku je 417 MWe a v současnosti jsou stále v provozu. Jejich odstavení je plánováno na roky 2016 a 2017. To by znamenalo uzavření po 45 letech provozu, avšak počítá se s desetiletým prodloužením provozu.

Vývoz reaktorů mimo Rusko

Rozšíření reaktorů typu VVER je spojen os verzí V230, jejíž bezpečnostní systémy přibližně odpovídaly starším typům západních varných reaktorů BWR. Na rozdíl od PWR tyto reaktory nemají kontejnment a navíc ani barbotážní věž. Za maximální projektovou havárii elektrárny je stanovena trhlina primárního potrubí do velikosti 32 mm. Těchto reaktorů bylo celosvětově postaveno 14. V Rusku, Německu, Bulharsku a na Slovensku (Jaslovské Bohunice V-1). Z těchto jaderných reaktorů jsou v provozu pouze dva bloky ruské elektrárny Kola v oblasti Murmansk. Ostatní byly odstaveny kvůli politickému tlaku environmentálních aktivistů. Po sjednocení Německa nebyla snaha o modernizaci původních sovětských projektů a všechny bloky byly odstaveny v roce 1990. Bulharské a slovenské bloky tohoto typu musely být uzavřeny jako daň za vstup do Evropské unie, na Slovensku k tomu došlo i přes to, že byly investovány miliardy do modernizací, které zvýšily bezpečnost na úroveň západních bloků. Přesto slovenská vláda neodolala tlaku zelených a tyto bloky v letech 2006 a 2008 odstavila, ač měly od dozorného orgánu licenci k dalšímu dlouholetému provozu.

Zajímavý je příběh arménských bloků v jaderné elektrárně Metsamor. Verze V270 je vybavena hydraulickými tlumiči otřesů, takže je možné ji bezpečně provozovat v oblastech s vyšší seismickou aktivitou než panuje v Evropě. Po zemětřesení roku 1988 byly oba bloky uzavřeny. V roce 1993 však vláda rozhodla o opětovném spuštění druhého bloku, který nyní pokrývá přibližně 40 % elektrické spotřeby Arménie. V současnosti je ve spolupráci se společností Rosenergoatom (provozovatel ruských jaderných elektráren) rozbíhán projekt na prodloužení jejího provozu, neboť jinak by se Arménie stala velmi vážně závislou na dovozu elektřiny. V plánu je také výstavba bloku s reaktorem VVER-1000 v sousedství stávajících bloků, avšak zatím nebylo zajištěno financování.

Zvyšování bezpečnosti na úroveň západu

Druhá generace reaktorů VVER-440 nesla označení v213. Oproti předchozím verzím došlo k významnému zvýšení bezpečnostních opatření. Za maximální projektovou havárii (tedy havárii, s níž se jsou schopny bezpečnostní systémy vyrovnat, aniž by došlo k poškození aktivní zóny) je považováno úplné roztržení hlavního cirkulačního potrubí o průměru 50 cm, v jehož důsledku dojde k velkému úniku chladicí látky. Tento model reaktoru získal navíc další systémy pro řízení a barbotážní věž, která v případě havárie slouží jako prostor pro kondenzaci vzniklé páry a odvod nekondenzovatelných plynů. Na jeden reaktor připadá 6 parogenerátorů, které vyrábí páru pro dvě turbíny o stejném výkonu. Toto uspořádání je výhodnější při provozu na nižších výkonových hladinách a konstrukce turbín s nižší parní hltností je jednodušší. Jak se časem zjistilo, projekt je velmi robustní a v průběhu provozu byl kromě prodloužení délky palivové kampaně zvýšen i tepelný a elektrický výkon. Typické parametry reaktoru VVER 440 V-213 před využitím projektových rezerv:

• Instalovaný tepelný výkon: 1375 MW
• Instalovaný elektrický výkon: 440 MW
• Počet smyček primárního okruhu: 6
• Tlak vody v reaktoru: 12,25 MPa
• Teplota vody na vstupu do reaktoru: 267 °C
• Teplota vody na výstupu z reaktoru: 299 °C
• Počet palivových proutků v 1 kazetě: 126
• Počet palivových kazet v reaktoru: 349
• Počet regulačních kazet v reaktoru: 37
• Celková hmotnost uranu v reaktoru: 42 t
• Délka palivové kampaně: 3 roky

Jako palivo se využívá uran s obohacením 3 – 5 % ve formě UO2. Palivové pelety jsou uloženy v proutcích ze slitiny zirkonia a niobu. Keramická forma pelety a ZR-Nb pokrytí tvoří první dvě bariéry proti úniku štěpných produktů do okolí. Třetí bariérou je samotný primární okruh. Palivové proutky jsou uloženy v palivové kazetě, ze kterých je poskládána aktivní zóna reaktoru. Tlaková nádoba reaktoru je vyrobena z nízkolegované nízkouhlíkaté oceli. Na vnitřní straně je navařena vrstva austenitické nerezové oceli.

Modifikace typu VVER-440

Typickým zástupcem upraveného reaktoru VVER-440 v213 se zvýšeným elektrickým výkonem je jeden z bloků JE Dukovany. Díky zvýšení obohacení paliva, změnou na profilované (jiné obohacení uranu mezi proutky a skladba aktivní zóny dle úrovně vyhoření) a změnou systémů řízení lze dosáhnout palivové kampaně o délce 5 let. Navíc lze tepelný výkon reaktoru zvýšit na cca 1485 MW a jeho elektrický výkon až na 510 MW.

Finská jaderná elektrárna Loviisa je speciálně upravený model VVER-440 v213. Finové při její výstavbě trvali na přítomnosti kontejnmentu, proto tato elektrárna je jediným dokončeným modelem VVER-440, který disponuje navíc kontejnmentem a bezpečnostními systémy od firem Westinghouse a Siemens. Ostatní zařízení obstaral hlavní dodavatel Atomstrojexport. Pro zajímavost na Kubě probíhala v letech 1983 až 1992 výstavba dvou bloků s reaktory typu VVER-440, která ale byla po pádu východního bloku ukončena z finančních důvodů.

Větší, výkonnější a bezpečnější

Následovníkem reaktorů typu VVER-440 je modernější a výkonnější model VVER-1000. Prototyp byl opět postaven v rámci elektrárny Novovoroněž s pořadovým číslem 5. Tento blok je na této elektrárně prozatím poslední (koncem tohoto roku má být spuštěn první blok s reaktorem VVER-1200) a byl uveden do komerčního provozu 8 let po bloku Novovoroněž 4. Blok má instalovaný elektrický výkon 1000 MW, do komerčního provozu byl uveden v roce 1981 a v současnosti je jeho provoz plánován až do roku 2035.

Všechny reaktory VVER-1000 mají kontejnment a projektová havárie musí být navíc zvládnuta bez vnějších dodávek elektřiny. Elektrárna je tedy v krizových situacích absolutně soběstačná. Elektrárenský blok je seizmicky zodolněn. Počet primárních smyček je snížen na 4 a všechny čtyři parogenerátory vyrábí páru pro jednu turbínu. Na světě je momentálně nejvíce reaktorů VVER právě typu 1000.

Typické parametry reaktoru VVER 1000 V-320 v základní verzi:

• Instalovaný tepelný výkon: 3000 MW
• Instalovaný elektrický výkon: 1000 MW
• Počet smyček primárního okruhu: 4
• Tlak vody v reaktoru: 15,7 MPa
• Teplota vody na vstupu do reaktoru: 290 °C
• Teplota vody na výstupu z reaktoru: 320 °C
• Počet palivových proutků v 1 klastru: 312
• Počet palivových klastrů v reaktoru: 163
• Počet řídících svazků v reaktoru: 61
• Celková hmotnost uranu v reaktoru: 92 t

Kontejnment – ochranná obálka, která hermeticky odděluje primární okruh od okolí a v případě havárie zabraňuje úniku radioaktivních látek. Dvojitý kontejnment má vnější vrstvu z betonu a vnitřní z oceli, která je předepnuta ocelovými lany. Kvůli pevnosti má nejčastěji válcovitý tvar s kulovým vrchlíkem.

Na požádání vylepšíme

Existuje 9 verzí tohoto reaktoru. Typy 392, 466 a 466B spadají již do třetí generace jaderných reaktorů. V ČR stojí dva reaktory VVER-1000 v320 na území jaderné elektrárny Temelín. Vyšší verze druhé reaktorové generace číslo 2 (338, 446, 428 a 412) jsou mírně modifikované. Například verze 446 stojí pouze na území Iránu (Búšehr 1-4) a úpravy projektu jsou voleny za účelem přizpůsobení elektrárny pro provoz v oblastech vyšší seismické aktivity a v podmínkách vysokých teplot a přímořského podnebí. Z tohoto důvodu jsou z nerezu vyrobeny i součásti, které jsou běžně z klasické oceli. Verze 428 je zase pouze čínskou doménou. Základ projektu je opět od Atomstrojexportu, ale řídící a bezpečnostní systémy jsou upraveny s cílem zvýšení provozní bezpečnosti. Díky tomu je elektrárna z 94 % automatizována.

Zdroj obrázků: cez.cz (pokud není uvedeno jinak)