Francouzský jaderný blok EPR1200 – jediná nabídka z EU

ABSTRACT: The French state-owned company EDF is one of the bidders in the tender for the construction of Unit 5 at the Dukovany nuclear power plant. The offered EPR unit has a capacity of 1,200 MW and extensive flexibility options.

V Evropě musí být dodržována pravidla provozování propojené Evropské soustavy ENTSO-E. Projekty jaderných bloků EPR (1650) vycházejí ze starších provozovaných typů (900, 1300, 1450), které mají certifikované režimy „Load Following“ (režim rozšířeného řízení výkonu), tzv. „Extended Load-Following“, a pochopitelně režim řízení frekvence „Frequency control“. Všechny tyto režimy výrazně zvyšují provozní flexibilitu jaderných bloků, včetně dodávek služeb výkonové rovnováhy a kompenzace proměnlivých výkonů obnovitelných zdrojů energie (OZE). Vzhledem k energetickému zdrojovému mixu Francie a požadavkům provozovatele její přenosové soustavy je možné konstatovat, že flexibilita francouzských jaderných bloků je nejvyšší ze všech bloků na světě.

Využívání výše uvedených režimů u starších francouzských bloků představuje referenci mnohaletých provozních zkušeností.

Parametry flexibilního provozu bloků třídy 900, 1300, 1450 jsou následující:

• Primary Control v rozsahu + 2 až 3 % Pr (Pr = nominální výkon),

• Secondary Control v rozsahu + 3 až 5 % Pr,

• Load Following, rychlost 5 % Pr /min.,

• Primární a sekundární regulace poskytuje flexibilitu, tzn. rozsah změny výkonu až do 5 % jmenovitého výkonu Pr (tj. 45 MW pro řady 900 MW, 65 MW pro 1300 MW a 72 MW pro 1450 MW).

• Parametry u bloků EPR (1650) režimu sledování spotřeby/zatížení jsou ještě vylepšeny:

• Load Following - změna v rozsahu ± 7 % Pr (115 MW) je realizovatelná rychlostí 5 % Pr /min (82 MW/min).

EPR – EPR2 – EPR1200

Na základě zkušeností při stavbě a přípravě bloků EPR (OL3, FA3, Taishan 1,2 a HPC 1,2) francouzská státní společnost EDF vyvíjí optimalizovanou variantu EPR2, která je jednodušší a umožňuje snížení doby výstavby i nákladů na stavbu. Stejně jako EPR, tak i EPR2 má čtyři smyčky v primární části. Mezi nejdůležitější zjednodušení patří nahrazení dvojitého kontejnmentu jednoduchým s ocelovým pláštěm a snížení počtu bezpečnostních systémů ze 4 na 3.

Pro Dukovany je podle požadavků ČEZ připraven blok EPR1200, výkonově menší verze bloku EPR/EPR2. Pro bloky EPR1200 byl použit stejný projekt, stejný přístup k bezpečnosti a stejné materiály, které již získaly licenci a certifikáty z projektů v čínské elektrárně Taishan 1, 2 a britské elektrárně Hinkley Point C, aby byly maximálně replikovány všechny osvědčené prvky a zařízení bloků EPR.

Součástí strategie EDF dále je, aby po celé Evropě vyrostla řada těchto reaktorů, což by přineslo důležitou synergii, ze které by mohly těžit všechny země, které technologii EPR využívají, např. v provozních otázkách, díky sdílení osvědčených postupů, geografické blízkosti a evropskému prostředí, které dobře známe a ve kterém působíme. Aktuálně zvažuje reaktory EPR vedle Česka také Polsko, Slovinsko či Nizozemí, staví se ve Velké Británii, dokončují ve Francii a Finsku.

STROJOVNA – PARNÍ TURBÍNA A GENERÁTOR

Vzhledem k dosavadnímu využívání v Česku výhradně rychloběžných turbín ŠKODA z Plzně je vhodné se zmínit o obecných výhodách a nevýhodách rychloběžných (3000 ot/min) a pomaloběžných turbogenerátorů (1500 ot/min), se zřetelem na požadovaný výkon 1200 MWe pro blok EDU 5.

POMALOBĚŽNÁ KONSTRUKCE (1500 OT/MIN)

Nevýhody

– Velké rozměry, velké hmotnosti (výroba jen u speciálně vybavených dodavatelů, obtížná a komplikovaná doprava), potřeba většího prostoru

– Rozměrově větší tělesa vyžadují větší tloušťku stěn vysokotlakého (VT) tělesa, což způsobuje pomalejší prohřívání (negativní dopad do flexibility)

– Větší průměr VT rotoru vede k většímu tepelnému namáhání (negativní dopad do flexibility)

– Někteří výrobci používají skládané nízkotlaké (NT) rotory (nasazované disky) – nebezpečí stress corrosion cracking, horší dynamické vlastnosti

– Větší rozměry těles vyvolávají větší síly v dělící rovině – může být problém s těsností
 

Výhody

– Dostatečná výstupní plocha průtočné části, poslední lopatka může být dlouhá až 1,8 m, cca 28 m², díky polovičním otáčkám jsou odstředivé síly menší, což má pozitivní vliv na dynamiku rotorů a na menší erozi lopatek

RYCHLOBĚŽNÁ KONSTRUKCE (3000 OT/MIN)

Nevýhody

– Vzhledem k vysokým otáčkám jsou odstředivé síly větší, což má negativní vliv na dynamiku rotorů a na erozi lopatek
 

Výhody

– Vyšší účinnost ve VT stupních

– Menší rozměry a hmotnosti, snadnější doprava), stačí menší prostor

– Rozměrově menší tělesa vystačí s menší tloušťkou stěn VT tělesa, je dosahováno rychlejšího prohřívání (pozitivní dopad do flexibility)

– Menší průměr VT rotoru vede k menšímu tepelnému namáhání (pozitivní dopad do flexibility)

– Menší nebezpečí stress corrosion cracking, lepší dynamické vlastnosti

– Menší rozměry těles vyvolávají menší síly v dělící rovině – není problém s těsností

ANALYTICKÝ ZÁVĚR K VOLBĚ TURBÍNY

Existují však jednoznačné technické důvody, proč rychloběžná turbína je pro jaderný blok 1200 MWe již prakticky nepoužitelná, a proto také full-speed turbína (3000 ot/min) pro výkon 1200 MW neexistuje nikde na světě. Je to proto, že na nízkotlaké části, kde jsou nejdelší lopatky, může dosahovat obvodová rychlost rychlosti zvuku a také síly, které působí na lopatku, jsou na mezi kluzu, možná na mezi pevnosti standardních ocelí. Provozně lopatky tzv. “courají ve vodě”, což vede k jejich opotřebení a nebezpečí větší koroze.

Důvodů, proč se používá turbína s polovičními otáčkami, je ale více. Polorychlostní turbíny mají přirozeně vyšší vnitřní účinnost než plnorychlostní díky použití delších, protáhlejších lopatek s vyšší aerodynamickou účinností a celkově sníženými ztrátami způsobenými sekundární stěnou. Rozdíl v hrubém výkonu na svorkách generátoru mezi těmito dvěma typy strojů je obecně považován za +3 až +4 % ve prospěch poloviční rychlosti. Tzn. u výkonové třídy 1200 MW typicky o +36 až +48 MWe více.

Důležitým aspektem je i to, že turbíny ARABELLE, se kterými EDF počítá, jsou konstruovány a realizovány s odběrem páry pro dálkové vytápění. V současnosti probíhají intenzivní jednání mezi MPO, ČEZ a Teplárnami Brno o realizaci dálkového horkovodu z Dukovan, který by měl být využíván po mnoho desítek let, tedy dlouho po roce 2036/2038, kdy bude uveden do provozu nový blok EDU 5 o výkonu 1200 MWe.

STABILITA SÍTĚ

Výhodou pomaloběžných turbín je tedy velká hodnota rotační setrvačnosti hřídele generátoru parní turbíny, která je prospěšná pro stabilitu sítě.

Pozitivní vliv setrvačnosti je následující. Během elektrických poruch sítě, jako je náhlý pokles síťového napětí, bude mít rychlost rotace turbínového generátoru tendenci se zvyšovat, protože ze sítě již není žádný odporový moment. Když otáčky hřídele dosáhnou určité prahové hodnoty (typicky 110 % jeho nominálních otáček), bude potřeba turbínový generátor odpojit od sítě, aby se předešlo nehodě s překročením otáček. Turbíny s poloviční rychlostí mají 6 až 8krát větší rotační setrvačnost než řešení s plnou rychlostí, proto se jejich rychlost při narušení sítě zvýší pouze pomalu, a mohou tedy zůstat připojeny k síti déle. Je tedy evidentní, že turbíny s poloviční rychlostí mají mnohem lepší schopnost „projíždění poruchy“ než turbíny s plnou rychlostí.

SIMULÁTORY A TRÉNINK ŘÍZENÍ PROVOZU

Bloky EPR využívají plnorozsahové simulátory vyvinuté francouzskou společností CORYS. Její simulační technologie umožňují inženýrům, programátorům a technikům provádět identifikaci problémů a validaci nápravných řešení od nejranější fáze vývojového cyklu. Poskytnutím virtuálního pohledu na dynamické chování komplexních systémů jaderných elektráren v jejich plném provozním rozsahu a měnících se podmínkách lze zabránit nákladným a časově náročným revizím během projektu, výstavby a uvedení do provozu. Společnost CORYS za posledních 25 let vyvinula a dodala zákazníkům 190 tréninkových simulátorů plného rozsahu (FSS – Full Scope Simulators).

Francouzská firma CORYS vyvinula SW a HW nástroje umožňující simulovat provozní scénáře s vysokou věrností, včetně modelování ztráty napětí až do úplného výpadku typu blackout (výkonové závislosti akčních členů, závislosti napětí na I&C (Instrumentation and Control, přístrojové vybavení a řízení), kompletní najetí elektrárny).

NOVÝ ÚSVIT EVROPSKÉ JADERNÉ ENERGETIKY

Sedm členských zemí EU vyzvalo v dubnu 2021 Evropskou unii k přehodnocení pohledu na jadernou energetiku: aby se stala nejen uznanou, ale i podporovanou v rámci přechodu na bezuhlíkové zdroje. Do skupiny se řadí vedle Česka také Maďarsko, Polsko, Slovensko, Rumunsko, Slovinsko a jediná západoevropská země Francie.

Česká republika má v jaderné energetice EU potenciálního silného spojence a tím je právě Francie. Tato země je jediným členským státem EU s komplexním vlastním vývojem, výrobou, dodávkou a uváděním do provozu jaderných bloků. Má současný provozní potenciál 56 reaktorů a špičkový jaderný průmysl (Framatome, Orano, ...). Česká republika však také patří mezi jaderné státy EU s vyspělým jaderným strojírenstvím. Je tedy prakticky velmi výhodné s Francií sdílet evropskou jadernou cestu.

O AUTOROVI

Ing. Petr Neuman, CSc., působí jako senior konzultant ve sdružení NEUREG. Je členem Asociace energetických manažerů, Spolku Jaderní veteráni a Mezinárodní federace automatického řízení – International Federation of Automatic Control, technické komise TC 6.3 – Power and Energy Systems.

Oblastí jeho odborného zájmu je modelování a simulace energetických procesů, zdrojů a soustav, simulátory a trenažéry pro energetiku, automatická regulace a řízení procesů silnoproudé elektrotechniky a elektroenergetiky. Aktuálně se věnuje současnému stavu a rozvoji energetiky v České republice a Evropě, se zaměřením na jaderné elektrárny s odběrem tepla pro dálkové vytápění SCZT v rámci teplárenství.

Kontakt: neumanp@volny.cz