Diverzifikace jaderného paliva pro reaktory typu VVER

Dodávky elektrické energie v regionu východní Evropy velmi závisí na provozu tlakovodních reaktorů typu VVER, což jsou ruské projekty jaderných elektráren, které se od tlakovodních reaktorů západního typu označovaných jako PWR podstatně liší. V pěti východních státech EU jich je v provozu 18 a dalších 15 na Ukrajině. Detailní rozpis provozovaných bloků VVER v jednotlivých zemích východní Evropy je uveden v tabulce.

Kromě uvedených jsou ve výstavbě ještě Mochovce 3-4 na Slovensku (VVER-440), Ostrovsts 1-2 v Bělorusku (VVER-1200), Akkuyu 1-4 v Turecku (VVER-12000) a v blízké budoucnosti začne stavba Pacs 5-6 v Maďarsku (VVER-1200).  Po anexi Krymu a dalších událostech na Ukrajině se mezi vládami uvedených zemí a Evropskou komisí zvýšila obava o dodávky jaderného paliva pro tyto typy reaktorů.

Jediným alternativním dodavatelem je Westinghouse

Kromě ruské společnosti TVEL (přes společnosti JSC Atomic Energy Power Corporation Atomenergoprom a Rosatom ji vlastní stát) je jediným alternativním dodavatelem paliva pro reaktory VVER společnost Westinghouse Electric Company (WEC), které byl nedávno prodloužen kontrakt na dodávku paliva pro ukrajinské bloky VVER-1000. V květnu tohoto roku získalo konsorcium složené z dalších devíti firem vedené společností WEC grant od EURATOMu, který umožní další vývoj paliva pro reaktory typu VVER-440. Vývojem paliva pro reaktory VVER-440 dojde k požadované diverzifikaci trhu s VVER palivem. Na rozdíl od tlakovodních reaktorů západní koncepce, je v reaktorech typu VVER použita trojúhelníková mříž, tedy šestihranné palivo.

Palivo pro reaktory typu VVER-1000 (Jaderná elektrárna Temelín) je větší a využívá klastry k regulaci přebytečné reaktivity. Palivo pro VVER-440 (jaderná elektrárna Dukovany) je menší a obsahuje i podstatně menší počet palivových tyčí, k regulaci nejsou využívány klastry, ale regulační části palivových tyčí. Při zasouvání regulační části dochází k vysunování palivové části kazety, což je oproti reaktorům typu VVER-1000 koncept značně odlišný.

V českých jaderných kruzích se používá označení palivová kazeta pro palivo VVER-440 a palivový soubor pro palivo VVER-1000. Označení kazeta se používá proto, že palivový soubor je ohraničen šestihrannou obálkou, která ho uzavírá. U paliva VVER-1000 obálka chybí, což vede ke snížení tuhosti celé konstrukce a v extrémních případech až k prohýbání. U paliva VVER-440 se u budoucích modelů uvažuje o odebrání šestihranné obálky, takže podle zavedených definic by už nemělo jít o kazety, ale také o soubory.

Alternativní dodávka paliva na Ukrajině

Všech 15 ukrajinských reaktorů je provozováno státní společností Energoatom. Vývoj paliva pro ukrajinské VVER reaktory začal v roce 2001 na základě mezivládní dohody Ukrajiny a USA o spolupráci v energetice a bezpečnosti. V té době již Westinghouse navrhoval a dodával svoje nechvalně známé palivo pro český Temelín. Jednalo se však o kompletní aktivní zónu navrženou WEC. Na Ukrajině docházelo k mixování původních ruských palivových souborů s novými americkými, což vede k řadě komplikací. Podle představitelů WEC byla jedním z hlavních problémů při navrhování směsné zóny komunikace mezi WEC a TVEL (ruský dodavatel paliva). WEC neměl dostatek provozních a výrobních dat o původním ruském palivu, což design nového paliva dále komplikovalo. Po úspěšném vývoji bylo ve výrobním závodě v Jižní Karolině vyrobeno šest palivových souborů, jež byly zavezeny do aktivní zóny třetího bloku Jihoukrajinské elektrárny v roce 2005. Po čtyřech kampaních v tomto reaktoru bylo palivo vyvezeno a byly provedeny detailní testy a zkoušky.

Po ukončení uvedeného pilotního programu změnil WEC konstrukci distančních mřížek kvůli větší mechanické pevnosti paliva. Zároveň změnili konstrukční materiál pro 13 z celkových 16 distančních mřížek z důvodu snížení neutronové absorpce. Kvůli snížení nákladů na dopravu byla výroba a kompletace paliva přesunuta do pobočky WEC ve švédském Västeråsu. V roce 2009 bylo v tomto zařízení vyrobeno 42 palivových souborů, které byly následně zavezeny do třetího bloku Jihoukrajinské elektrárny. V dalším roce byly dodány čerstvé palivové soubory pro druhý i třetí blok uvedené elektrárny. WEC zároveň dodal systém Beacon určený k monitorování chování aktivní zóny. Dříve jej dodal také na český Temelín, kde se používá dodnes. Systém slouží mimo jiné k přesnějšímu předpovídání chování směsné aktivní zóny reaktoru.

Každý rok se při odstávce reaktoru mění čtvrtina nebo pětina celé aktivní zóny. V aktivní zóně reaktoru VVER-1000 je 163 palivových souborů. WEC tedy dodával každý rok zhruba čtvrtinu nových souborů. Zbylé tři čtvrtiny tvořilo původní ruské palivo, proto se hovoří o směsné aktivní zóně. Při přechodu na nového dodavatele paliva v Temelíně (od roku 2010 je to ruský TVEL) bylo rozhodnuto, že bude nahrazena celá aktivní zóna ruským palivem, nikoliv postupně části jako na Ukrajině. Přineslo to zjednodušení zejména při získávání licence, ale ekonomicky se samozřejmě více vyplatí postupný přechod se směsnou zónou.

V roce 2012 se ukázaly první vážnější problémy amerického paliva na ukrajinských blocích. Při inspekcích bylo odhaleno poškrábání paliva a dokonce mechanické zničení některých distančních mřížek, integrita paliva však zůstala zachována. Uváděný důvod poškození je vyšší napětí způsobené rozdílnou geometrií mezi ruským a západním designem. Při prohnutí souboru budou v trojúhelníkové mříži působit větší síly než v západní čtvercové (viz. obrázek), což může vést zejména při manipulacích k poničení paliva. Poškozené soubory se podařilo úspěšně opravit a mohly být dále použity.

Ukrajinský regulátor po této zkušenosti však neschválil další zavážení nového paliva tohoto typu. WEC proto spustil dva nové programy s cílem optimalizace zavážek a modifikace mechanického designu paliva. Byl změněn design i materiál distančních mřížek a modifikovány dolní i horní koncovky. Do výpočtů nových vsázek byly zahrnuty také výpočty mechanických napětí a prohýbání.

Nové robustnější palivové soubory byly zavezeny v březnu 2015, což byly první čerstvé soubory dodané WEC od odstávek v roce 2012. Původně dodané palivo zůstalo podle plánu v reaktorech a od zmíněné odstávky se neobjevily další větší problémy. 26 souborů prošlo plánovanými čtyřmi kampaněmi a bylo podrobeno detailnímu testování. Výsledky ukazují, že axiální růst paliva se řídí předpoklady WEC pro povlakový materiál – ZIRLO, prohnutí a kroucení palivových tyčí a souborů je pod stanovenými limity, tloušťka oxidické vrstvy byla také pod stanovenými limity.

Na základě chování paliva a schopnosti společnosti WEC reagovat a vyřešit problémy jejich produktu, se ukrajinské společnost Energoatom rozhodla prodloužit kontrakt pro dodávky jaderného paliva pro Jihoukrajinskou elektrárnu, ale také pro elektrárnu v Zaporozhye. Že to Ukrajina myslí s diverzifikací zdrojů opravdu vážně, potvrdil Energoatom podepsáním kontraktu na obohacování uranu pro všechny ukrajinské bloky s francouzskou Arevou. Areva zvítězila ve veřejné soutěži a dohoda byla podepsána na konci dubna v Bruselu.

Existuje více způsobů zajišťování jaderného paliva od dodávky na klíč se vším všudy až po rozdělení jednotlivých kroků (těžba uranu, fyzikální a chemická úprava, obohacování, lisování a pečení pelet, výroba pokrytí a kompletace paliva) mezi různé světové dodavatele.

Vývoj paliva pro reaktory VVER-440

V dalších zemích provozující reaktory VVER-440 se také objevil zájem o alternativního dodavatele paliva. V roce 1998 britská společnost British Fuel Nuclear Limited (BNFL) dodala testovací palivové kazety do druhého bloku finské elektrárny Loviisa a do elektrárny Pacs v Maďarsku. Po úspěšném testu ve Finsku získala v roce 1999 firma BNFL kontrakt pro dodávky paliva na elektrárnu Loviisa. Bylo dodáno sedm zavážek mezi lety 2001-2007.

Společnost BNFL koupila firmu Westinghouse, která rozhodla, že se palivo pro VVER-440 bude vyrábět v Španělsku. Následovaly dva prohrané tendry a proto vedení WEC rozhodlo o ukončení vývoje paliva VVER-440. Kvůli zájmu o diverzifikaci zdrojů proběhla jednání mezi WEC a provozovateli elektráren VVER-440 o obnovení výroby paliva pro tyto reaktory. Plány zahrnovaly použití moderních materiálů a zvýšení mechanické odolnosti, což je jasně nejslabší stránka paliva pro VVER reaktory od WEC.

V červnu tohoto roku vypsal EURATOM s podporou Evropské komise grant na vývoj alternativního paliva pro reaktory VVER. Westinghouse byl již dopředu díky svým předchozím zkušenostem hlavním favoritem na získání financování. Konsorcium vedené právě WEC získalo 2 miliony Eur, které budou použity zejména na vývoj a licencování paliva pro reaktory VVER-440. V konsorciu jsou zahrnuty organizace s bohatou zkušení s palivem pro VVER reaktory včetně českého ÚJV Řež nebo slovenského VUJE.

V současnosti se připravuje tendr na dodávky paliva pro Temelín, které má do roku 2020 na starosti firma TVEL. Podobný tendr bude muset být vypsán i pro Dukovanské reaktory. Pro ČEZ nebo i české občany přináší diverzifikace dodavatelů jen pozitiva. Na trhu bude větší soutěž a tedy i tlak na snížení cen. Zároveň budou výrobci nuceni k dalším inovacím a dalšímu zvýšení kvality a bezpečnosti produkovaného jaderného paliva.

Zdroj úvodní fotografie: Nuclear Regulatory Commission