Jadrové bloky SMR s odberom tepla pre sústavy SZT (2)

ČVUT FEL – univerzitný návrh bloku SMR

Na úvod sa budeme zaoberať flexibilitou, ktorá má pri malých modulárnych reaktoroch niekoľko možných významov.

Prvým významom je flexibilné prispôsobenie sa premenlivým požiadavkám v energetickej sieti dopytovanému množstvu elektrickej energie či ďalších dodávaných komodít (tepla, vodíka a pod.) a s tým súvisiacim rýchlym zmenám výkonu reaktora v čase. Podľa najnovších európskych požiadaviek na budúce jadrové elektrárne musí reaktor reagovať minimálne rýchlosťou 3 % reaktorového výkonu za minútu medzi 100 % výkonu a minimálnou prevádzkovou úrovňou. Zároveň sa definuje aj početnosť zmien výkonov, keď počas dňa môže zmena výkonu nastať dvakrát, počas týždňa päťkrát a kumulatívne až 200-krát za rok. Pri malých modulárnych reaktoroch je snaha dosiahnuť ešte väčšie percentuálne zmeny, a to minimálne o 5 % reaktorového výkonu za minútu medzi 50 až 100 % menovitého výkonu. Táto flexibilita jadrových zdrojov by bola už výrazná a malé modulárne reaktory by sa tak mohli viac zapojiť do podporných služieb (napr. sekundárnej či terciárnej regulácie) poskytovaných prevádzkovateľmi prenosovej sústavy.

Druhý význam flexibility v prípade malých modulárnych reaktorov je nielen výroba elektrickej a tepelnej energie, ale aj výroba vodíka alebo skvapalňovanie či splynovanie uhlia. Pri návrhu a výpočte univerzitného bloku SMR ČVUT FEL [12] bol zvolený ako ideový vzor reaktor NuScale.

Celková účinnosť obehu ηcelk je 41,66 % a účinnosť obehu pri výrobe elektriny a tepla je ηE = 29,66 % a ηT = 12,00 %. Vďaka kombinovanej výrobe elektriny a tepla je dosiahnutá vyššia celková účinnosť, pretože v prípade výroby iba elektriny by bola celková účinnosť obehu mierne nad 30 %.

Odvedený tepelný výkon kondenzátorom Q ^·ąodv predstavuje 143,4 MW, ktorý následne chladiaca voda s hmotnostným prietokom m^·_Chl = 2 287,13 kg·s^-1 odvedie do chladiacej veže. Množstvo vody m^·_chl,d, ktoré treba dopĺňať do okruhu chladiacej vody vplyvom strát odparom a únosom pri mokrej chladiacej veži, je 61,02 kg·s^-1, čo dovoľuje výstavbu viacerých reaktorov tohto typu v navrhnutej lokalite Tušimice, kde je dovolené odoberať priemerne 600 kg·s^-1 surovej vody z vodného toku Ohře.

Na obr. 3 je zobrazený parný obeh v T-s diagrame.

Ďalšími analyzovanými projektmi sú teplárenský SMR do roku 2021 dlhodobo prevádzkovaný na Čukotke (s českými turbínami PBS Brno), analýza manévrovateľnosti blokov VVER 440 a štúdia uskutočniteľnosti znižovania elektrického výkonu bloku VVER 440 bez znižovania výkonu reaktora realizovaná v minulosti.

Tab. 3 Parametre teplárenského SMR Bilibino, analýza EGÚ Běchovice a štúdia ŠKODA Praha

Bilibino NCP (Nuclear Cogeneration Plant)

Príkladom je jadrová tepláreň na Čukotke so štyrmi rovnakými blokmi, ktorá môže byť považovaná za SMR-DHN (District Heating Network). Tepláreň bola v prevádzke do roku 2019. Turbíny boli vyrobené v PBS v Brne.

EGÚ Běchovice – všeobecná analýza odberu tepla na vykurovanie z blokov VVER 440 (2 x 220 MWe)

Predmetom analýzy blokov VVER (2 x 220 MWe) bolo využitie odberu pary z turbín na zásobovanie teplom okolitých miest a obcí [10], [11]. Okrem toho bola analyzovaná možnosť odberu ostrej pary z hlavných parných kolektorov (HPK) s dodatočnou inštaláciou teplárenských protitlakových turbín na dodávku tepla do systémov CZT. Analýza bola vykonaná vo Výskumnom energetickom ústave – EGÚ Běchovice.

V spojitosti s týmto zámerom vznikla požiadavka prešetriť vplyv odberu pary na prevádzku blokov, najmä na reaktor a schopnosť SKR zaistiť stabilnú prevádzku blokov v tomto teplárenskom režime. Zmeny odberu pary z HPK sa prejavia najskôr zmenami tlaku pary. Bloky VVER 440 sú prevádzkované v regulačných programoch konštantného tlaku pary v HPK, pričom regulácia tlaku pary sa uskutočňuje všeobecne týmito spôsobmi:

1. Zmenou výkonu reaktora, t. j. pri blokoch EBO V2 regulátorom výkonu reaktora ARM-5S v režime T s necitlivosťou +0,05 MPa na zadanú hodnotu pz = 4,51 MPa.
2. Zmenou výkonu turbín, t. j. regulátory turbín TVER 2. Regulátor TVER môže pracovať v režime P – regulácia zadaného tlaku pz = 4,51 MPa alebo v režime N – regulácia zadaného výkonu, režim P je blokovaný, ak je ARM v režime T.
3. Marením pary v HPK, ktorá sa na JEBO otvára pri stúpnutí tlaku o Δp2 = 0,4 MPa a PI regulátorom sa reguluje tlak na hodnotu vyššiu o Δp1 = 0,2 MPa, ako je zadaná hodnota tlaku regulátora ARM alebo TVER. V prípade výpadku TG sa ?p2 znižuje na hodnotu 0,2 MPa a súčasne sa na regulátor prepúšťacieho systému do kondenzátora (PSK) privádza urýchľujúci derivačný signál úmerný výkonu vypadávajúcej turbíny.

Pri analýze boli uvažované nasledujúce poruchy:

1. Rýchle zníženie a opätovné zvýšenie odberu pary o 120 t/h z prietoku 500 t/h. Zmena odberu pary bola modelovaná skokovou zmenou pomernej polohy regulačného ventilu odberu pary URO z 1 na 0,76 a späť.
2. Skokové úplné prerušenie odberu pary z HPK o 500 t/h, zodpovedajúce odpojenie teplárenskej turbíny rýchlouzáverom.

Záver analýz vykonaných v energetickom ústave EGÚ Běchovice možno zhrnúť tak, že splnenie ekonomických i technických požiadaviek by mohol zabezpečiť teplárenský regulačný program (Heat Following), v ktorom by reaktor pracoval pri základnom zaťažení zadaného výkonu a tlak pary by udržiavali obe turbíny [8].

ŠKODA Praha – štúdia „marenia“ tepelnej energie

Štúdia možností znižovania elektrického výkonu turbíny pri zachovaní konštantného výkonu reaktora pre jadrovú elektráreň Dukovany, ŠKODA PRAHA, a. s., bola na požiadanie spoločnosti ČEZ vypracovaná v roku 1998 [9]. Štúdia analyzovala možnosti riešenia problému znižovania elektrického výkonu bloku bez zmeny tepelného výkonu reaktora, a to aj s ohľadom na možnosť realizácie primárnej regulácie (regulácia frekvencie), prípadne sekundárnej a terciárnej regulácie (tak sa v tom čase tieto prevádzkové služby nazývali).

Vtedy sa stávalo, že v letnom období dochádzalo v noci a cez víkendy k takému prebytku vyrábanej elektrickej energie, ktorý vyžadoval znižovanie výkonu JE Dukovany. Navyše sa očakávalo, že táto situácia sa ešte vyostrí s uvedením ďalšej JE Temelín do prevádzky (B1, B2). Bolo teda prirodzené, že štúdia bola zameraná na bloky VVER 440 MWe. V štúdii bol skúmaný spôsob regulácie elektrického výkonu jadrovej elektrárne, pri ktorom je tepelný výkon reaktora stopercentný alebo sa znižuje len pomaly a málo (bez negatívneho vplyvu na životnosť tlakových častí), zatiaľ čo elektrický výkon parných turbín sa sleduje s rádovo vyššou rýchlosťou kolísania spotreby v ES a prebytočná časť pary z parogenerátorov sa odvádza prepúšťacími stanicami PS do kondenzátu (PSK).

Spôsob zníženia teplotných zmien v primárnom okruhu (P.O.) pri zmene elektrického výkonu bloku, navrhnutý a analyzovaný v tejto štúdii, dosahuje minimálne teplotné zmeny P.O. udržiavaním konštantného tepelného výkonu P.O. a takmer konštantného parného výkonu parogenerátorov. Zníženie elektrického výkonu bloku sa dosahuje predovšetkým prepúšťaním časti pary cez prepúšťacie stanice do kondenzátu (PSK).

Výsledok štúdie ŠKODA PRAHA je možné veľmi stručne formulovať takto:

1. Bez rekonštrukcie určitých technologických častí sekundárneho okruhu a chladiacich okruhov možno znižovať elektrický výkon bloku až na cca 50 % nominálneho. Pre bloky 440 MWe to je zníženie výkonu na cca 220 MWe, to znamená zníženie o 687,5 MWt na úkor diaľkového vykurovania.
2. Za predpokladu rekonštrukcie a úpravy vybraných komponentov je ďalej možné znižovať elektrický výkon bloku až na úroveň cca 30 % nominálneho. Pre bloky 440 MWe to je zníženie výkonu na cca 140 MWe, to znamená zníženie o 300 MWe a marenie cca 1 000 MWt prepúšťaním do kondenzátora.

Výsledkom prác oboch uvedených pracovísk boli návrhy troch metód riešenia:

1. ŠKODA PRAHA, marenie energie pary v HPK. Metóda spĺňala požiadavky, ukázala sa ako najlacnejšia, v cenách v roku 1998 cca 5 mil. Kč.
2. EGÚ Běchovice, zmena výkonu reaktora štandardne regulačnými tyčami. Variantom tejto metódy bola regulácia s kĺzavým tlakom v PG, tzv. dvojitá regulácia tyčami. Investičná cena v roku 1998 bola cca 40 až 50 míľ Kč.
3. EGÚ Běchovice + ŠKODA PRAHA.

Rýchla regulácia zmeny výkonu cez prepúšťacie stanice (PS). V ustálenom stave „jemná“ regulácia regulačnými tyčami. Táto kombinovaná metóda najviac zodpovedala sovietskym požiadavkám a ich spôsobu regulácie bloku, bola teda preferovaná prevádzkovateľom – spoločnosťou ČEZ.

Náhrada existujúcich uhoľných elektrární malými jadrovými blokmi SMR

Vzhľadom na parametre existujúcich uhoľných elektrární by ich tlakovodné (z angl. Pressurized Water Reactor), resp. ľahkou vodou chladené a moderované reaktory (z. angl. Light-Water Reactor, LWR) a varné reaktory (z angl. Boiled_Water Reactor, BWR) SMR nemohli nahradiť, čo by teoreticky umožňovalo využitie existujúcich energetických strojov a zariadení. Priamo by ich mohli nahradiť iba vysokoteplotné reaktory HTR, ktoré sú však vo vývoji technologicky a časovo ešte ďaleko za vývojom SMR PWR.

Na ilustráciu majú konvenčné uhoľné parné bloky, nahrubo špecifikované, nasledujúce parametre:

• teplárne do 50 MWe (cca 450 – 500 °C, max. 8 – 9 MPa),
• trieda veľkosti 50 – 70 MWe (cca 540 °C, 11 MPa) – elektrárne a teplárne: EOP, EMĚI, Plzenská teplárenská apod.,
• trieda veľkosti 110 – 250 MWe (cca 540 °C, 15 MPa) – elektrárne a teplárne: ETU, EPR, ENO, EVO,
• 500 MWe (560 °C, 20 MPa) – EME III a pod.,
• ELE 660 MWe (nadkritické parametre: 610 °C, 29 MPa).

Vo všetkých uvedených prípadoch sa využíva prehriata para.

Parametre HTR (teplota 600 – 1 000 °C a viac, tlak 10 až 20 MPa) sú v Mollierovom diagrame voda – para vysoko v oblasti prehriatej pary. Preto by bolo možné HTR priamo zapojiť do technológií existujúcich strojovní v elektrárňach/teplárňach a priemyselných podnikoch, strojovne zachovať, uhoľné parné kotly nahradiť HTR a tým znížiť emisie na zdroji na 0 pri zachovaní technológií a parametrov výroby.

Možnosti a voľba SMR – Slovensko

Napriek tomu, že žiadna z uvažovaných technológií SMR v projekte Phoenix na Slovensku zatiaľ nemá licenciu na prevádzku, štúdia bude zvažovať rad projektov, ktoré sú v súčasnosti vo fáze dokončovania návrhu a v čase dokončenia štúdie by už mali byť v procese licencovania niektorými štátnymi jadrovými dozornými úradmi. Na porovnanie s uvažovanými blokmi SMR v Českej republike možno uviesť, že bloky SMR zvažované v tejto fáze projektu Phoenix pre Slovensko sú tieto: NuScale, Holtec, KAERI, Westinghouse, GE-Hitachi, EDF, Rolls-Royce, X-energy, Kairos a Terra Power. Vzhľadom na to, že kórejská KAERI je priamo zviazaná so spoločnosťou KHNP, možno konštatovať, že výber sledovaných typov SMR obsahuje všetky typy zvažované aj v Česku. Slovenský výber je navyše rozšírený o ďalšie tri typy vysokoteplotných HTR reaktorov GIV.

Kairos

Kairos Power FHR (KP-FHR) je nová pokročilá technológia reaktora, ktorá využíva palivo TRISO vo forme okruhliakov v kombinácii s nízkotlakovým chladivom fluoridovej soli. Technológia využíva efektívny a flexibilný parný cyklus na premenu tepla z jadrového štiepenia na elektrinu a na doplnenie obnoviteľných zdrojov energie [15].

X-energy

X-energy je súkromná americká spoločnosť zaoberajúca sa konštrukciou jadrových reaktorov a palív. Vyvíja vysokoteplotný plynom chladený jadrový reaktor s kamienkovým ložom generácie IV [16].

Tab. 4 Hlavné technické parametre vysokoteplotných SMR generácie GIV uvažovaných na Slovensku

Dôvodom, prečo sa Slovenské elektrárne zaujímajú o SMR, je meniaci sa energetický sektor a očakávania, že dopyt po elektrine a flexibilita vo výrobe elektriny v nadchádzajúcich desaťročiach porastú. Rastúci podiel obnoviteľných zdrojov, a to ani v kombinácii s akumuláciou alebo výrobou vodíka, však nebude schopný tieto potreby pokryť, preto je nutné hľadať bezemisné zdroje, ktoré uspokoja dopyt v pásme základného zaťaženia siete a zároveň umožnia lepšiu reguláciu výkonu v elektrizačnej sústave. Autor nemá presné informácie, či sa aj na Slovensku vyvíja „národný“ SMR, podobne ako v Čechách reaktory CR-100 [13] a DAVID [14].

Záver

Sledovaním záťaže (elektriny či tepla) možno riadiť výkon bloku podľa spotreby energie a ceny elektriny a podľa toho, ako v priebehu dňa kolíše. V existujúcich jadrových elektrárňach sa zmena výkonu realizuje iba zasúvaním regulačných tyčí do tlakovej nádoby reaktora. Je to dané tým, že podľa existujúcich hľadísk je iný spôsob ekonomicky veľmi neefektívny, pretože pri výrobe v jadrových elektrárňach sa náklady skladajú takmer výhradne z fixných a utopených nákladov; preto zníženie výkonu výrazne nezníži výrobné náklady, pričom technologické zariadenia sú termomechanicky oveľa viac namáhané (tzn. zníženie ich životnosti).

Všeobecne však možno povedať, že prevádzkovo efektívnejším riešením elektroenergetiky a teplárenstva je prevádzkovať primárny okruh na stabilnom výkone reaktora a sekundárny okruh využívať na kogeneračné procesy v požadovanom pomere spotreby energií (tab. 5).

Tab. 5 Prevádzkový režim a riadenie jadrových blokov (veľkých a predovšetkým malých a stredných – SMR)

Tento článok hodnotí varianty a technickú uskutočniteľnosť metód prioritného riadenia tepelného odberu na vykurovanie v aplikácii s malými modulárnymi reaktormi (SMR), výsledkom čoho je overenie technickej realizovateľnosti a vyplývajúci koncepčný návrh riešenia [17]. V energetickom mixe má okrem jadrových blokov svoje miesto aj OZE (obnoviteľné, často nazývané občasné zdroje energie), ale s primárnym cieľom zabezpečiť časť spotreby elektrickej energie pre obyvateľstvo miest a dedín bez prehnaných požiadaviek na využívanie OZE ako náhrady za veľké systémové elektrárne a zaistenie elektriny pre priemysel.

Nielen za súčasných podmienok v Európe (energetická kríza, vojna na Ukrajine, dosiahnutie 100 % dekarbonizácie energetiky v roku 2050 v rámci programu Green Deal), ale aj v blízkej a vzdialenejšej budúcnosti je využívanie jadrovej energetiky jedinou cestou, ako dosiahnuť nulovú uhlíkovú stopu pri zachovaní stabilnej a dostatočnej kapacity energetických sústav a sietí.

Literatúra

[8] Neuman, P.: Pokročilé řízení jaderných elektráren s odběrem tepla pro systémy dálkového vytápění. Automa [online]. Děčín, 2021 (10), 12 – 15. Citované 8. 4. 2024. 

[9] Studie možností snižování elektrického výkonu turbíny při zachování konstantního výkonu reaktoru pro jadernou elektrárnu Dukovany. ŠKODA PRAHA, a. s., odbor Projekty, Praha, duben 1998.

[10] Rubek, J. – Bouček, S.: Nelineární regulátor systému KASKÁD a jeho modelování. In: Konference AUTOS 85, Plzeň, 18. – 21. června 1985.

[11] Štirský, P. – Markvart, J. – Bednařík, K.: Vliv odběru ostré páry pro teplárenské účely na systém výkonové regulace JE V1 a V2. In: Konference AUTOS 85, Plzeň, 18. – 21. června 1985.

[12] Poživil, V. – Bouček, S.: Koncepce budoucího využití modulárních reaktorů v ČR – Studie sekundárního II.O. v lokalitě Tušimice. DP ČVUT FEL, Praha 2023.

[13] Malý modulární reaktor CR-100. Skupina ÚJV, Centrum výzkumu Řež. [online]. 

[14] DAVID SMR – Small Modular Reactor Technology, WITKOWITZ Group. [online]. 

[15] Molten salt test system reaches operational milestone, January 2024, World Nuclear News. [online]. 

[16] SMR completes Canadian design review milestones. World Nuclear News. January 2024. [online]. 

[17] Neuman, P.:  Co mohou nabídnout „modulární“ bloky SMR.. In: Energie 21, č. 3 (1.díl) a č. 4 (2.díl), 2024.

Peter Neuman
neumanp@volny.cz

V združení NEUREG pôsobí ako starší konzultant. Je členom Spolku jadrových veteránov a medzinárodnej organizácie International Federation of Automatic Control, Technical Committee TC 6.3 – Power and Energy Systems. Oblasťou jeho odborného záujmu je modelovanie a simulácia energetických procesov, zdrojov a sústav, sieťové simulátory a operátorské/dispečerské trenažéry, automatická regulácia a riadenie procesov v silnoprúdovej elektrotechnike a elektroenergetike. Aktuálne sa venuje súčasnému stavu a rozvoju energetiky v Českej republike a Európe so zameraním na jadrové elektrárne s odberom tepla na diaľkové vykurovanie SCZT (District Heating Systems).