Vývoj jaderného paliva pro Dukovany
Vývoj jaderného paliva se nezastavuje, podobně jako se neustále modernizují jaderné elektrárny a jejich komponenty. Do reaktorů se zaváží palivo, které je stále spolehlivější a navíc může pracovat až dvakrát déle. Cílem provozovatele jaderné elektrárny je pochopitelně vyrobit co nejvíce elektřiny a jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je vývoj jaderného paliva. Příkladem může být jaderná elektrárna Dukovany, která se mezi elektrárnami s reaktory VVER-440 těší významné pozici, protože se aktivně podílí na vývoji paliva. Ruská palivová společnost TVEL, která ji zásobuje palivem po celou dobu jejího provozu, do ní dodává své palivové novinky jako do první zahraniční elektrárny. Pochopitelně po důkladném otestování v ruských jaderných elektrárnách a schválení ruským regulačním úřadem Rostechnadzor.
SPOLEHLIVOST PROVOZU
I díky tomu se podařilo prodloužit pobyt paliva v aktivní zóně reaktoru ze tří na pět let a připravuje se přechod na šestiletý palivový cyklus. Dlouhodobá spolupráce provozovatele s dodavatelem paliva má také pozitivní přínos ke spolehlivosti provozu paliva i elektrárny jako celku. Za dobu 30 let provozu Dukovan bylo zaznamenáno jen osm případů netěsnosti v palivovém souboru, což je výsledek, o kterém si drtivá většina jaderných elektráren provozovaných po celém světě může nechat jen zdát. Spolehlivost jaderného paliva přitom není jen otázkou kvality výroby, ale také manipulace s ním a kultury provozu elektrárny jako celku.
PŮVODNÍ PALIVO A PŘÍPRAVA TENDRU
Předpoklady k tomu, aby jaderná elektrárny Dukovany měla důležitý podíl při vývoji paliva pro reaktory typu VVER-440 přišly s prvním tendrem na dodávky paliva, který byl vypsán v roce 1993. Vítězem byl původní dodavatel paliva ELEMAŠ (dnes součást TVELu. Zároveň byla zahájena zcela nová éra spolupráce s daleko větším zapojením provozovatele elektrárny. První blok Dukovan byl spuštěn v roce 1985 a poslední v roce 1987. Ve stejném roce začal ČEZ připravovat přechod elektrárny na čtyřletý palivový cyklus. Původní palivo pro JE Dukovany obsahovalo uran s obohacením 3,6 % v 312 palivových kazetách a 2,4 % v regulačních kazetách, které se skládají z absorpční a palivové části. Z důvodu rovnoměrného rozložení neutronového toku bylo čerstvé palivo zaváženo na okraj aktivní zóny a po roce přemisťováno do středu podle takzvaného schématu out -in-in. V čerstvém palivu je nejvyšší obsah uranu 235, takže zde probíhá štěpení nejintenzivněji a tomu odpovídá i intenzita neutronového toku a výkonu. Umístění čerstvého paliva do vnější části aktivní zóny tedy vede k většímu toku neutronů na stěny reaktorové nádoby, což působí degradaci materiálu, z něhož je vyrobena. Protože reaktor je komponenta elektrárny, kterou nelze vyměnit, určuje životnost celé elektrárny. V zájmu řízení stárnutí reaktorové nádoby se tedy s novým typem paliva přešlo na schéma in -in -in -out.
NABÍDKY OD VŠECH SVĚTOVÝCH VÝROBCŮ
Tendr na dodávky paliva pro jadernou elektrárnu Dukovany byl společností ČEZ vypsán v roce 1994. Cílem byl nejen přechod na čtyřletý palivový cyklus, ale také zahájení spolupráce mezi provozovatelem a dodavatelem v oblasti projektování, konstrukce a testování paliva. Původně totiž ČEZ měl jen velmi omezený přístup k informacím o tom, jak tyto činnosti v Rusku probíhají a jak jsou zdůvodňovány provozní a bezpečnostní limity. Přístup k těmto informacím pomáhá provozovatelům jaderných elektráren optimalizovat jejich provoz a tím zlepšit i ekonomickou stránku provozu. Jednání byla vedena se všemi světovými výrobci paliva, tedy s firmami z Ruska, Spojených států, Spojeného království, Francie, Německa, Švýcarska a Japonska. Pomoc při technickém hodnocení nabídky poskytovaly české firmy Škoda Plzeň, ÚJV Řež a Energoprojekt Praha, tedy společnosti, které byly velmi podstatně zapojeny do výstavby dukovanských bloků. Poměrně brzy vypadly společnosti z Japonska, Spojeného království a Švýcarska, další dvě vytvořily společný podnik, takže v užším výběru zůstaly: ruský ELEMAŠ, americký Westinghouse a francouzsko -německá EVF. Během technického a komerčního hodnocení nabídek (v oblastech fyziky aktivní zóny, bezpečnostních analýz, ceně paliva a možnosti užší spolupráce provozovatele elektrárny s dodavatelem paliva) ukončila svou účast v tendru společnost EVF. Z technického hlediska se americká a ruská nabídka nijak zásadně nelišily, rozdíl spočíval v přístupu ke sdílení informací. ČEZ od tendru neočekával jen výběr technicky nejlepšího dodavatele, ale také změnu formy kontraktu a zrovnoprávnění vztahů s dodavatelem. Mělo dojít k rozšíření přenosu zkušeností z provozu reaktorů VVER na ostatních elektrárnách, vypracování komplexního systému kontroly jakosti paliva a možnosti co nejširšího přístupu ČEZu k informacím o metodách vývoje a testování paliva. Z jednání nakonec vzešel vítězně ELEMAŠ, který přišel s významným zlepšením nejen paliva, ale i komerční stránky kontraktu. Smlouvy byly podepsány v roce 1996 a v roce 1998 bylo poprvé zavezeno nové palivo do prvního bloku Dukovan.
DODÁVKY PALIVA PRO DUKOVANY
Podle smlouvy s vítězem prvního tendru na palivo pro jadernou elektrárnu Dukovany začalo být postupně nahrazováno původní palivo palivem s profilovaným obohacením. To znamená, že míra obohacení se mění v rámci jednoho souboru jak po délce, tak radiálně, což přináší výhody z provozní a z ekonomické stránky. Střední obohacení tohoto paliva bylo 3,82 %. Došlo také k vylepšení konstrukce paliva, například odstraněním materiálů s parazitickou absorpcí neutronů, které zhoršují neutronovou ekonomiku. Další změnu v typu paliva pro Dukovanskou elektrárnu přinesl rok 2003, kdy bylo do reaktoru prvního bloku poprvé zavezeno palivo s vyhořívajícími absorbátory označované jako Gd-1. Vyhořívající absorbátory jsou látky s vysokou pravděpodobností toho, že neutron bude po srážce s jádrem této látky absorbován, čímž dojde k přeměně na látku, která má tuto pravděpodobnost velmi malou. Tímto způsobem je možné kompenzovat přebytek reaktivity čerstvého paliva, usnadnit řízení reaktoru a díky tomu i zvyšovat obohacení paliva. Palivo Gd-1 znamenalo také přechod ze čtyřletého palivového cyklu na pětiletý. V roce 2006 se ČEZ s dodavatelem paliva, společností TVEL, dohodl na inovaci v rámci stávajícího kontraktu, takže do Dukovan začalo být dodáváno palivo s označením Gd-2 (případně Gd-2M) se středním obohacením 4,25 %. Poslední inovací je typ Gd-2M+, který byl do prvního bloku Dukovany zavezen poprvé v roce 2014. Toto palivo má obohacení 4,75 %. Tento typ má již znaky paliva označované jako třetí generace, které je v provozu na ruské Kolské jaderné elektrárně. Ta již přechází na šestiletý palivový cyklus.
NÁRŮST VÝKONU JADERNÉ ELEKTRÁRNY
Při vyvíjení nových typů jaderného paliva dochází ke zvyšování jeho spolehlivosti a také množství energie, které z něj můžeme získat. Aby palivo mohlo být v reaktoru delší dobu, je nutné zlepšovat jeho neutroniku a zvyšovat množství uranu 235 v něm obsaženého. Neutroniku lze zlepšit odstraněním materiálů s parazitickou absorpcí, což zlepšuje využití jaderného paliva, a použitím vyhořívajících absorbátorů, které umožňují zavážet palivo s větším obohacením. Oba faktory hrají roli v délce využívání paliva v aktivní zóně. Vnější rozměry palivové kazety nelze měnit, protože musí zapadat do distanční mříže uvnitř reaktoru, lze však měnit její konstrukci. Například prodloužit palivový sloupec, ztenčit pokrytí a zvýšit průměr palivových tablet. Samostatnou kapitolou je potom palivová tableta. V ruském palivu pro reaktory VVER byly původně válcové tablety s centrálním otvorem. Takové palivo mělo mnohem vyšší rezervy, protože centrální otvor snižuje teplotu ve středu palivové tablety a poskytuje další prostor pro plynné štěpné produkty, čímž klesá tlak uvnitř palivového proutku. Společnost TVEL postupně přešla na tablety s čočkovým vybráním v podstavách válce, čímž je navýšeno množství uranu v palivovém proutku. Výsledkem vývoje paliva je i zvýšení výkonu jaderné elektrárny Dukovany. Díky modernizaci turbíny, zvýšení účinnosti dalších zařízení a zvýšení tepelného výkonu samotného paliva mohl výkon narůst na současných 510 MW.
O AUTOROVI
VLADISLAV VĚTROVEC studoval na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT. Během studia stál u zrodu nezávislého zpravodajského portálu Atominfo.cz, kde nyní působí jako šéfeditor. Již několik let také publikuje populárně naučné články o jaderné energetice, které se zaměřují především na současné inovativní projekty. Kontakt: vladislav.vetrovec@atominfo.cz
Zdroj: PRO-ENERGY | 9.6.2016 | Rubrika: elektro energetika | Strana: 30 | Autor: Vladislav Větrovec | Téma: JE Dukovany
