Polski Atom

Materiał informacyjny
opracowany przez Departament Energii Jądrowej
Ministerstwa Klimatu i Środowiska

23 marca 2022 r.

I. Bieżące Wydarzenia w Energetyce Jądrowej na Świecie

1. Bułgaria planuje współpracę jądrową z Grecją

Bułgarski premier Kiril Petkov ma nadzieję, że w ciągu 12 miesięcy przedstawi Grecji „konkretne propozycje” współpracy. Planowane jest podpisanie przez Grecję długoterminowej umowy na dostawę energii elektrycznej z nowego reaktora jądrowego w Bułgarii.

2. Obiekty jądrowe w planie infrastruktury RPA

Rząd Republiki Południowej Afryki opublikował pierwszą fazę swojego Krajowego Planu Infrastruktury 2050. Plan ten ma na celu stworzenie podstaw do realizacji wizji wzrostu sprzyjającego włączeniu społecznemu w ramach Narodowego Planu Rozwoju, w którym energia jest jednym z czterech krytycznych sektorów uwzględnionych w tej fazie.

3. Energia jądrowa może pomóc Singapurowi osiągnąć cele klimatyczne

Według nowego raportu Urzędu ds. Rynku Energii miasta-państwa (EMA), energia jądrowa może pomóc singapurskiemu sektorowi energetycznemu osiągnąć zerową emisję dwutlenku węgla netto do 2050 roku. EMA twierdzi, że energia jądrowa może zaspokoić około 10% potrzeb energetycznych Singapuru.

4. Johnson chce zwiększyć moce jądrowe Wielkiej Brytanii

Brytyjski premier Boris Johnson był gospodarzem okrągłego stołu na Downing Street w dniu 21 marca z liderami przemysłu jądrowego, aby omówić sposoby poprawy krajowego bezpieczeństwa energetycznego i szybkiego przyspieszenia projektów jądrowych w Wielkiej Brytanii.

W innych wiadomościach

Komitet przejściowy prezydenta-elekta Korei Południowej rozważa zwiększenie produkcji energii jądrowej w celu zrównoważenia rosnących cen energii elektrycznej spowodowanych gwałtownie rosnącymi cenami paliwa, donosi Korea JoongAng Daily. Komitet rozważa podniesienie współczynnika wykorzystania mocy jądrowej działających reaktorów w tym kraju z obecnych 70% do 90%. „Ceny energii elektrycznej muszą rosnąć ze względu na wzrost kosztów gazu ziemnego i niepełne wykorzystanie elektrowni jądrowych za administracji Moon Jae-in” – powiedział rzecznik komitetu.

Brazylijski projekt dotyczący uranu i fosforanów w Santa Quitéria został włączony do nowo uruchomionego długoterminowego planu krajowego mającego na celu zmniejszenie zależności brazylijskich producentów wiejskich od importowanych nawozów. Konsorcjum Santa Quitéria składające się z państwowego Industrias Nucleares do Brasil i firmy nawozowej Galvani zostało utworzone w celu produkcji uranu i fosforanów z projektu Itataia w stanie Ceará. Projekt wygeneruje równowartość 25% zapotrzebowania na nawozy fosforowe w regionach północnych i północno-wschodnich, powiedział INB.

Rada dyrektorów Belgijskiego Centrum Badań Jądrowych (SCK-CEN) powołała Petera Baetena na nowego dyrektora generalnego z dniem 1 listopada. Karierę rozpoczął w SCK-CEN w 1995 roku i był odpowiedzialny za bezpieczną eksploatację i programy eksperymentalne reaktorów badawczych BR1 i VENUS, a później za rozwój techniczny projektu Myrrha. Od 2018 roku pełni funkcję zastępcy dyrektora generalnego. Baeten zastąpi Erica van Walle'a, który przejdzie na emeryturę.

 

II. Opinie, Komentarze

Elektrownie jądrowe: aspekty techniczne i ekonomiczne

1.03.2022 r. POWER

dr Ishai Oliker

W wydaniu POWER z lutego 2022 r. przedstawiono przegląd istniejących systemów ciepłowniczych wykorzystujących energię jądrową jako źródło energii oraz dokonano przeglądu najlepszych praktyk i udanych instalacji (patrz „Centralne systemy ciepłownicze zasilane z elektrowni jądrowych”). W niniejszym artykule omówiono techniczne i ekonomiczne aspekty tych skojarzonych systemów ciepłowniczych.

Systemy dostarczania ciepła z elektrowni jądrowych oparte są na obiegu trzeciorzędowym (trzeci w stosunku do rdzenia reaktora). Ciśnienie w tym obwodzie jest utrzymywane na poziomie wyższym niż maksymalne możliwe ciśnienie odciąganej pary. Zapobiega to przedostawaniu się produktów promieniotwórczych do wody ciepłowniczej.

Uwagi dotyczące projektowania sieci ciepłowniczych

Rozmiar rur ciepłowniczych jest określany przez obciążenie cieplne i spadek temperatury wody w systemie. W większości przypadków wymagana ilość ciepła jest dostarczana do klienta poprzez zmianę temperatury w sieci zasilającej w elektrowni w funkcji temperatury otoczenia. Znaczny spadek temperatury między przewodem zasilającym i powrotnym zmniejsza natężenie przepływu wody obiegowej, a w rezultacie rozmiar orurowania i moc pompowania. Jednak wysoka temperatura zasilania w elektrociepłowni jądrowej (nuclear combined heat and power, NCHP) zmniejsza wytwarzanie energii elektrycznej.

Aby zmaksymalizować produkcję energii elektrycznej, optymalna temperatura zasilania jest zwykle ustawiona na około 250F (121C); w najzimniejsze dni jest zwiększana nawet do 300F (149C) w kotłach szczytowych. Temperatura powrotu wynosi zwykle około 160F (71C). W przypadku transportu na duże odległości wzięto pod uwagę temperatury zasilania do 400F (204C).

Zazwyczaj rury o średnicy 60 cali (1,524m) przeniosą około 2400 MWth, a rury o średnicy 40 cali (1,02m) będą przenosić około 700 MWth. Instalacja podziemnej sieci ciepłowniczej w USA zwykle kosztuje od 800 USD/stopę (2667 USD/m) do 1500 USD/stopę (5000 USD/m). Jednak pomimo wysokich kosztów rurociągów, transport gorącej wody na odległość do 100 mil (150 km) do miast z obciążeniem cieplnym od 1500 MWth do 2500 MWth może być opłacalny.

Możliwy jest również jednokierunkowy transport ciepła z wykorzystaniem dużych pomp ciepła z napędem elektrycznym w celu zwiększenia ilości ciepła użytkowego. W takim przypadku po stronie użytkownika woda może zostać schłodzona do temperatur akceptowalnych dla zrzutu.

Optymalne obciążenie cieplne

Generalnie nie jest opłacalne dostarczanie ciepła z sieci miejskiej do obszarów o gęstości ciepła poniżej 90 MWth na milę kwadratową (MWth/mi2) (35MWth/km2). Komercyjne i wielorodzinne obszary mieszkalne o gęstości ciepła od 130 MWth/mi2 (50 MWth/km2) do 180 MWth/mi2 (70 MWth/km2) są najbardziej odpowiednie dla sieci ciepłowniczych.

Problem obciążenia cieplnego jest szczególnie ważny, gdy rozważamy systemy NCHP. Takie zakłady byłyby zlokalizowane zwykle daleko od obszaru miejskiego i wymagały długich rurociągów. Ponieważ transportowanie dużych ilości ciepła zmniejsza jednostkowy koszt przesyłu ciepła, największe miasta są najbardziej korzystne dla systemów zasilania NCHP. Jednak duże systemy ciepłownicze w miastach USA, takich jak Nowy Jork, Filadelfia, Boston i Indianapolis, to głównie systemy parowe o średnim ciśnieniu (od 150 psi do 400 psi) (10,5 at do 28,1 at) i odbiór i transport pary na duże odległości przy tych parametrach nie ma ekonomicznego uzasadnienia.

Turbiny ciepłownicze

Aby podgrzać wodę w systemie NCHP, konieczne jest regulowanie ilości ciepła pobieranego z obwodu reaktora zgodnie z obciążeniem, maksymalizacja produkcji energii elektrycznej przy każdym stopniu ekstrakcji oraz wykorzystanie standardowego wyposażenia turbiny, o ile to możliwe. Najbardziej satysfakcjonującą modyfikacją do odprowadzania ciepła jest zastosowanie wielu punktów poboru, w tym odprowadzanie ze skrzyżowania sekcji niskociśnieniowych. Schemat ten można wykorzystać do podgrzania wody do około 300F (149C) w procesie trzystopniowym, przy całkowitym odebranym cieple równym około połowie ciepła normalnie kondensowanego w trybie pełnej kondensacji. Straty energii elektrycznej są bliskie 0,2 kWe na wydobytą kWth.

Alternatywnie można zastosować dwa etapy ekstrakcji do podgrzania wody do około 250F (121C). W tym przypadku strata energii elektrycznej wynosi około 12% ekstrakcji termicznej. Ekstrakcja jednopunktowa jest znacznie mniej wydajna niż ekstrakcja wielopunktowa. Badania nad obiegami parowymi dla NCHP wskazują, że istniejące turbiny można zmodyfikować tak, aby zapewnić wydajną łączną produkcję energii elektrycznej i ciepła, zgodną ze zmiennym zapotrzebowaniem.

Współczynnik CHP i systemy końcowego wykorzystania

Współczynnik CHP to stosunek obciążenia cieplnego dostarczanego przez turbinę parową do maksymalnego zapotrzebowania szczytowego w sieci ciepłowniczej. W celu zwiększenia współczynnika mocy turbina kogeneracyjna jest zwykle projektowana do pracy przy obciążeniu podstawowym, a obciążenie szczytowe jest zaspokajane przez inne źródło ciepła. Ze względu na wysoki koszt NCHP należy zapewnić maksymalne wykorzystanie reaktora przy mocy znamionowej.

Turbina powinna pracować przy bliskim stałemu przepływie pary oraz zmiennym obciążeniu elektrycznym i cieplnym. Jeśli jednak obciążenie cieplne zostanie odłączone, energia elektryczna jest wytwarzana w trybie kondensacyjnym. Dlatego też cylinder niskociśnieniowy turbiny powinien być zaprojektowany dla pełnego przepływu pary do skraplacza. Badania optymalizacyjne wskazują, że współczynnik CHP dla elektrowni jądrowych powinien wynosić około 0,5–0,6. W niektórych przypadkach do celów szczytowych może być używana przepustnica dławiąca pary.

Końcowe systemy ogrzewania pomieszczeń i dostarczania ciepłej wody są łatwo dostępne. Przy wprowadzaniu systemów ciepłowniczych wykonalność często zależy od możliwości zamiany istniejących jednostek grzewczych budynków na gorącą wodę, jeśli nie zostały one już zaprojektowane w taki sposób. Wymiana może kosztować od 50 USD/kWth do 150 USD/kWth. Ciepło sieciowe może być również wykorzystywane w absorpcyjnych agregatach chłodniczych do klimatyzacji.

Rozwój systemu ciepłowniczego

Przy ocenie wykonalności sieci ciepłowniczych jednym z głównych czynników jest tempo wzrostu obciążenia cieplnego. Odpowiedni czas na wprowadzenie NCHP jest bardzo ważny z ekonomicznego punktu widzenia. Przedwczesne wprowadzenie takiego zakładu lub opóźnienie w rozwoju systemu sieciowego byłoby nieopłacalne. Aby temu zapobiec, można zastosować jedno z dwóch podejść.

Jednym z nich jest podejście krok po kroku, w którym elektrownia oparta wyłącznie na paliwach kopalnych uwzględnia wczesne obciążenia grzewcze. Wraz ze wzrostem systemu można dodać elektrociepłownię na paliwo kopalne, a na koniec instalację NCHP. Instalacja tylko do ogrzewania może wtedy służyć jako jednostka szczytowa i rezerwowa.

Innym podejściem jest budowa zakładu NCHP z możliwością rozbudowania przyszłego systemu ciepłowniczego. Można zainstalować turbiny NCHP z kondensacyjnymi końcówkami wydechowymi. W trybie tylko produkcji energii elektrycznej turbiny te są w stanie zapewnić taką samą moc elektryczną netto, jak jednostki konwencjonalne. Są one również zdolne do zasilania sieci ciepłowniczej, gdy jest ona rozwinięta. W tym czasie można zainstalować wymagane wymienniki miejskie, pompy i związany z nimi sprzęt.

Uwzględnienie dostaw ciepła o mocy 1500 MWth w projekcie standardowej elektrowni jądrowej o mocy 1000 MWe generalnie zwiększą jej koszty o mniej niż 5%. Wydobywanie pary do sieci ciepłowniczych wiąże się z ograniczeniem wytwarzania energii elektrycznej. W zależności od natężenia przepływu pary, ciśnienia i liczby ekstrakcji, stosunek straconej energii elektrycznej do ciepła dostarczanego do systemów opartych na gorącej wodzie może wynosić około 1 kWe na 5 kWth do 10 kWth.

Wyzwania w procesie realizacji

Kwestie, które należy rozwiązać w związku z wykorzystaniem ciepła dostarczanego przez energię jądrową, obejmują publiczną akceptację lokalizacji elektrociepłowni jądrowych w bliskiej odległości od zaludnionych ośrodków, rozwój ekonomicznych metod transportu ciepła oraz dostępność dużych turbin dwufunkcyjnych do produkcji energii elektrycznej i pary ekstrakcyjnej w odpowiednich temperaturach i ciśnieniach. W Stanach Zjednoczonych przyszłe wykorzystanie sieci ciepłowniczej dostarczanej z NCHP będzie wymagało zwiększonych zobowiązań w zakresie sieci ciepłowniczych i większej akceptacji elektrowni jądrowych znajdujących się stosunkowo blisko miast w celu ograniczenia kosztów przesyłu.

Chociaż koszty i stan technologii ciepłownictwa jądrowego są korzystne i istnieją korzyści środowiskowe, bariery instytucjonalne zniechęcają do jego wdrażania. Bariery te muszą zostać przezwyciężone, zanim potencjał oszczędności energii tego podejścia będzie mógł zostać zrealizowany na znaczącą skalę.

dr Ishai Oliker, PE (jtcincorp@optonline.net) jest dyrektorem w Joseph Technology Corp. Od ponad 30 lat jest zaangażowany w rozwój i projektowanie elektrowni w byłym ZSRR, Korei, Chinach i Stanach Zjednoczonych.