Francouzský jaderný blok EPR1200 pro Česko – předpoklady a přínosy

Autorem textu je Ing. Petr Neuman, CSc. z NEUREG energetické sdružení, Praha, a člen Spolku Jaderní Veteráni (SJV/F.NV). Článek vyjadřuje individuální stanovisko autora, nikoliv stanovisko celého spolku.

1. Úvod

V posledních letech v české časopisecké a odborné literatuře bylo psáno především o ruských blocích a jejich výhodách pro českou energetiku. Jako kdyby jiní uchazeči ani neexistovali, což platí zejména o francouzském bloku EPR. Na souvislosti bloku EPR s tendrem na nový blok EDU 5 chce právě upozornit tento článek.

Lze to říci i jinak, v současnosti se zdá, že Francie se vrací do svých nejlepších let, resp. mohla by se vrátit (Francouzská státní společnost EDF provozuje kromě jiného padesát šest jaderných reaktorů). Česká republika by při hledání dlouhodobého jaderného spojence měla vzít v úvahu naše členství v EU a vybrat si pro jadernou spolupráci další členský stát EU s tím, že naši politici a Evropští vyjednavači by pro to měli vyjednat v Bruselu co nejlepší podmínky.

Ve vztahu k Rusku a ROSATOMu uvádím následující. Když už se situace vyvinula tak, jak se vyvinula (kauza Vrbětice), nemá význam „resuscitovat“ staré reminiscence, ale zaměřit se na budoucnost – na dlouhodobou perspektivní spolupráci v rámci EU. V oblasti bezpečnosti státu je zvýšená obezřetnost nutná nejen v oblasti „čisté politiky“, ale rovněž v oblasti „kritické infrastruktury“, a tedy zejména v jaderné energetice.

Příkladem nových moderních způsobů provozování jaderných bloků je režim Load Following, používaný u francouzských bloků (900, 1300, 1450, 1650 MWe) a z důvodů „tradiční bezpečnostní opatrnosti“ nepoužívaný na českých EDU a ETE. Podrobnější popis bude uveden v kapitole 3. a 4.

2. Technický popis: EPR – EPR2 – EPR1200

(1) Na základě zkušeností z obtíží při výstavbě bloků EPR (Olkiluoto 3, Flamanville 3, Tchaj-šan 1, 2 (angl. Taishan) a Hinkley Point C 1,2)), EDF v současné době vyvíjí optimalizovanou variantu EPR – tzv. EPR2, která je prezentována jako konstrukčně a výrobně jednodušší, umožňující snížení doby výstavby i snížení nákladů na výrobu a výstavbu. Stejně jako EPR, i EPR2 má čtyři smyčky v primární části. Mezi nejdůležitější zjednodušení patří nahrazení dvojitého kontejnmentu jednoduchým s ocelovým pláštěm a snížení počtu redundantních bezpečnostních systémů ze 4 na 3.

(2) EPR už má skutečné provozní licence ve 4 zemích, bezpečnostní zpráva pro získání licence pro EPR2 byla předána francouzské ASN – ekvivalent našeho SÚJB – v únoru 2021.

(3) EPR2: „Na základě pověření EDF (Électricité de France) spolupracoval tým odborníků z několika společností od roku 2011 s „francouzskou společností zabývající se elektrickým rozvodem“ (RTE) na vývoji nového EPR.  Když byl projekt spuštěn, bylo počátečním cílem pouze provést různá vylepšení EPR, ale úsilí bylo zaměřeno na jednodušší a levnější EPR, který by byl především ještě bezpečnější než dříve. V průběhu projekčního procesu se však objevovaly další myšlenky, takže bylo jasné, že to nebude jen upgrade EPR, ale nová generace – EPR2,“ říká Gilles Maes – výkonný ředitel společnosti Bilfinger Peters Engineering.

(4) Pro Dukovany navrhovaný blok EPR1200 je tedy menší verze bloku EPR2.

(5) EPR1200 bude mít o jednu chladící primární smyčku méně, čímž se jeho výkon sníží z 1650 MWe na zhruba 1200 MWe. Při třech primárních smyčkách vzniká výhodná symetrie pro napojení tří bezpečnostních systémů.

(6) V rozhovoru při příležitosti návštěvy v Praze dne 19. května 2021 řekl viceprezident EDF Vakis Ramany:

„…Konkrétně jsme upravili technologii EPR 1200 MW. To znamená, že použijeme stejný návrh, stejný přístup k bezpečnosti a stejné materiály, abychom maximálně replikovali všechny osvědčené prvky, které byly použity v čínské elektrárně Tchaj-šan 1, 2 a britské elektrárně Hinkley Point C.

Použijeme tedy co nejvíce stejných prvků. Některé prvky je ovšem třeba upravit vzhledem k českému požadavku na maximální výkon. Toho bude dosaženo obvyklým snížením počtu smyček v reaktoru o výkonu 1650 MW ze čtyř na tři, čímž se dosáhne právě požadovaného výkonu 1200 MW. Tyto úpravy zvládáme, protože pouze replikujeme použité materiály, přístup k bezpečnosti a další prvky, které již získaly licenci a certifikáty.

České republice chceme předložit nabídku, která bude francouzská, založená na francouzských technologiích s evropským dodavatelským řetězcem ve spolupráci s českými dodavateli. V tom spočívá naše nabídka. Framatome je dceřiná společnost EDF, která společně s EDF vyvinula optimalizovaný reaktor EPR2, následně EPR1200 upravený a přizpůsobený Dukovanům. České republice tedy EDF předloží plně francouzskou nabídku, která používá pouze již schválené prvky. Při vývoji vycházíme z vlastních zkušeností nejen s návrhem, ale i s výrobou. Tyto dva aspekty spolu úzce souvisejí a zaručují kvalitu i konkurenceschopnost nabídky.

Součástí naší strategie 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. Z našeho pohledu jde o svrchovanost Evropy a její energetickou nezávislost. Budeme tak moci lépe společně bránit pozici jaderné energetiky v Bruselu.“

V rozhovoru jsme se dále dozvěděli o jmenování vysokého představitele francouzské vlády – Philippe Crouzet – pro JE Dukovany, který Prahu již také navštívil a bude Česko navštěvovat pravidelně.

(7) Nový reaktor bude tedy optimalizovanou a zmenšenou verzí současného EPR. Všechny osvědčené prvky i základní design zůstanou stejné. V upraveném návrhu budou však zohledněny minulé zkušenosti, zejména s ohledem na bezpečnost a ochranu životního prostředí, a budou splněny budoucí požadavky na jaderný reaktor. Mezi tyto nové požadavky patří i energetický mix, který se v posledních letech významně změnil v důsledku rostoucího významu obnovitelné energie.

V reakci na tuto konstelaci nových faktorů je kladen zvláštní důraz na vysokou provozní flexibilitu reaktoru. Nová verze bude navíc těžit z nejmodernějších procesů a výrobních technologií. Cílem je výrazně snížit dobu výroby a výrobní náklady. Proto bude mít EPR2 jednodušší design než jeho předchůdce, což usnadní sériovou výrobu (využívání automatických výrobních linek, robotizace). Stejně tak prefabrikace mnoha komponent EPR2 umožní rychlou instalaci na místě.

Tyto požadavky znamenají v podstatě technické, ekonomické a obchodní principy ala SMR, uplatněné však na velký blok.

Vhodná turbína

Ve všech variantách výběru dodavatele by však bylo vhodné použít rychloběžnou turbínu z DOOSAN ŠKODA z Plzně, zejména pro blok o výkonu do 1200 MWe. Lze samozřejmě diskutovat výhody a nevýhody rychloběžných (3000 ot/min) a pomaloběžných (1500 ot/min) turbogenerátorů (TG), ale velkou výhodou by bylo používání stejných turbín pro všechny jaderné bloky v ČR (EDU 1,2,3,4; ETE 1,2; EDU 5) – údržba, servis, náhradní díly, školení techniků i operátorů.

Parní turbíny pro jaderné aplikace – porovnání turbogenerátorů pro jaderné bloky do 1200 MW

I. Pomaloběžná konstrukce (1500 ot/min):

Nevýhody

• velké rozměry, velké hmotnosti (výroba jen u speciálně vybavených dodavatelů, obtížná a komplikovaná doprava, vysoké náklady na montáž, údržba – jeřáby, základ), potřeba většího prostoru, větší hmotnost = vyšší cena
• rozměrově větší tělesa vyžadují větší tloušťku stěn – vysokotlakého (VT) tělesa – 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 – dlouhá poslední lopatka (až 1,8 m, cca 28 m²), díky polovičním otáčkám menší odstředivé síly, pozitivní vliv na dynamiku rotorů a WDE (erozi).

II. Rychloběžná koncepce (3000 ot/min):

• Vyšší účinnost ve VT stupních
• Výhody – viz nevýhody pomaloběžné koncepce

Z Tab. 1. je zřejmé, že pomaloběžné turbogenerátory jsou větší a výrazně těžší než rychloběžné (ŠKODA DOOSAN POWER). Jedná se např. o francouzské parní turbíny ARABELLE – ALSTOM (NPP Flamanville, Francie), nebo turbíny firmy SIEMENS Power (NPP Oilikuoto 3, Finsko).

V rámci diskuze a volby technického řešení bloku EDU 5 je nutné mít na paměti, že nabízené systémy odvodu zbytkového tepla Containment Heat Removal System nemusí být nutně pasivní. Pasivní není u EPR, ani u ATMEA. Na rozdíl od v Česku známého projektu MIR.1200 se lapač koria ve francouzské verzi EPR nenachází přímo pod reaktorovou nádobou, ale roztavené korium se po protavení ocelovou přepážkou ve dně reaktorové šachty odvádí transportním tunelem mimo šachtu reaktoru do záchytného prostoru – viz následující Obr. 1.

3. Load Follow

Měl by být analyzován problém řízení výkonu bloku, protože Francie jako (po Německu nejvýznamnější) člen EU přesně zná a musí dodržovat pravidla provozování elektráren v rámci propojené Evropské soustavy ENTSO-E. Francouzi realizují jaderné bloky s provozními režimy: Extended „Load-Follow“ and „Frequency control“ capabilities, které musí vyhovovat požadavkům a nařízením ENTSO-E.

V uvedených „starších“ (2019) podkladech o bloku ATMEA 1 je popis režimu: Load follow operation 25 – 100 % (1 % – 3 % per minute), including automatic frequency control. Dnes (2021) je to již 20 – 100 % (2 % – 5 % per minute).

U bloků vyvinutých a instalovaných před EPR, tedy PWR-900, PWR-1300 a N4 (1450), podrobněji v Tab. 3., je parametrický popis režimu: Primary Control v rozsahu + 2 až + 3 % Pr ; Secondary Control v rozsahu + 3 až > 5 % Pr ; Load Following  rychlostí 5 % Pr /min.

Blok EPR2 (new EPR) je 4-smyčková konstrukce stejně jako EPR, ale má 3 redundantní bezpečnostní systémy, ne 4 jako EPR. Proti tomu EPR1200 má 3 smyčky, čímž logicky sníží výkon na 1200 MW. Vizualizace bloku EPR2 je na Obr. 3. Reaktor EPR2 má dlouhou historii, původně byl nazýván EPR NM (Nouveau Modèle).

Hlavní změny oproti EPR Flamanville 3 jsou následující:

• změny v konstrukci palivových souborů;
• použití řídicích klastrů „black1“ pro ovládání reaktoru;
• vývoj přístrojové techniky zaměřené na ochranu a monitorování reaktoru;
• snížení ze čtyř systémů pro záložní systémy (bezpečnostní vstřikování, nouzové napájení parních generátorů atd.) na tři systémy;
• zdokonalení systémů podporujících výkon bezpečnostních funkcí (posílení diverzifikace zdroje chladu, zdokonalení elektrických zdrojů, ventilačních systémů a tepelné úpravy prostor atd.);
• přechod na jednoplášťový kontejnment s vloženým uzavřeným „kontejnerem“ reaktoru (BR);
• zjednodušení konstrukce rekuperátoru – lapače koria, zejména zmenšením plochy pro šířící se korium;
• odstranění koncepce „dvou vstupních prostorů“ (neexistuje 2. vstupní prostor do budovy reaktoru za provozu);
• integrace a tedy „odstranění“ budovy jaderných pomocných zařízení (BAN)

	počet primárních smyček	počet bezpečnostních systémů	kontejment
EPR (1650), Flamanville	4	4	kompletní 2-plášťový
EPR2 – optimized	4	3	1-plášťový + vložený uzavřený „kontejner“ reaktoru s jedním vstupním prostorem
EPR1200	3	3	1-plášťový + vložený uzavřený „kontejner“ reaktoru s jedním vstupním prostorem
ATMEA1	3	3	1-plášťový

4. Flexibilita jaderných bloků EDF

Primární a sekundární regulace poskytují flexibilitu, tzn. rozsah až do ± 7 % jmenovitého výkonu bloku Pr (tj. + 63 MW pro řady 900 MW, + 91 MW pro 1300 MW a + 105 MW pro 1500 MW). Jak bylo již uvedeno u bloků EPR, je parametrický popis režimu následující: Load Follow – změna v rozsahu ± 7 % Pr je realizovatelná rychlostí 5 % Pr /min.

Příklad záznamu flexibilního provozního výkonu pro francouzskou jadernou elektrárnu je uveden na Obr. 5., který ilustruje typické variace výkonu v jednom reaktoru (bloku) v elektrárně PWR s výkonem 1300 MW po dobu 24 hodin.

Řízení výkonové zátěže a regulace frekvence jsou dvě možnosti řízení flexibility v denním časovém horizontu. Za zmínku stojí i další možnosti. V časovém horizontu týdne lze upravit dostupnost bloků posunutím rutinních testů o několik dní.

V sezónním časovém horizontu lze naplánovat operace doplňování paliva a údržby během období nízké poptávky, což poskytuje dalších 100 TWh během sezóny nejvyšší poptávky po elektrické energii. Dodaná elektrická energie 100 TWh je počítána pro celou francouzskou jadernou „flotilu“ v počtu 56 jaderných bloků, tzn. průměrně 1,786 TWh na blok. V roce 2020 vyrobila ETE 15,746 TWh. Průměrná „francouzská“ úspora na dva bloky 3,572 TWh potenciálně představuje 22,69 % roční výroby JETE.

Alternativním řešením řízení výkonu bloku je udržovat konstantní tepelnou energii aktivní zóny reaktoru a odvádět páru od turbíny přes obtokové nebo pojistné ventily do kondenzátoru, do atmosféry, nebo do soustav dálkového vytápění SZT.

Toto řešení má však podle francouzských inženýrů některá omezení: potenciální tepelné znečištění životního prostředí, obavu o porušení integrity kondenzátoru, zhoršená účinnost zařízení atd.

Naproti tomu podle dostupných dokumentů se u bloků ETE VVER-1000 výkon moc nemění, provozní FLEXIBILITA je minimální. Elektrárna ETE sice původně měla certifikaci na primární (PR) a sekundární regulaci (SR), ale PR už nebyla obnovena (recertifikována).

ETE 1 dokáže zregulovat výkon až na polovinu svého nominálního výkonu, což dělá 500 MWe. Tohoto snížení výkonu však lze dosáhnout až po výměně původní turbíny (tedy po roce 2014). Před touto výměnou však první blok dokázal regulovat výkon max o 300 MWe.

6. Závěry

Politici a státní orgány v Česku stále vymýšlejí různé mezivarianty, zatímco Francouzi připravují restrukturalizaci a rozdělení z 83 % státem vlastněné největší evropské energetiky EDF. Součástí transakce má být i vyvlastnění soukromých akcionářů z jaderné části EDF tak, aby se mohly do budoucna dál rozvíjet jaderné projekty jen pod 100% státním vlastnictvím.

Z tohoto pohledu je pro budoucnost české energetiky základní podmínkou změna poměrů ve státě a ve společnosti ČEZ, tak aby stát „ovládal“ ČEZ a ne obráceně.

Sedm členských zemí v čele s Francií vyzvalo v dubnu 2021 Evropskou unii k úplnému přehodnocení pohledu na jadernou energetiku. „Jsme přesvědčení, že všechny dostupné technologie s nulovými a nízkými emisemi, které přispívají ke klimatické neutralitě (…), by měly být nejen uznané, ale i aktivně podporované Evropskou unií,“ uvádí státy v dopise. „Platí to zejména pro jadernou energii, jejíž rozvoj je jedním z hlavních cílů Smlouvy o založení společenství EURATOM, která zavazuje instituce EU k její podpoře,“ tvrdí skupina, do které se řadí (1) Česko – V4.1, (2) Maďarsko – V4.2, (3) Polsko – V4.3, (4) Slovensko – V4.4, (5) Rumunsko a (6) Slovinsko a jediná západoevropská země (7) Francie.

Jiné než uvedené země sice dubnovou výzvu nepodepsaly, ale je nutné připomenout projaderné postoje Finska, Bulharska, rostoucí projaderné sklony v Nizozemí, ve Švédsku, ale i v Irsku. Dobrou dynamiku má rovněž jádro v Estonsku, v oblasti SMR. Nedávno také IEA vyzvala Španělsko, aby přehodnotilo postoj ke své strategii ústupu od jádra. V neposlední řadě je vhodné připomenout silně projadernou Velkou Británii, která sice už není v EU, ale staví francouzské bloky v elektrárně Hinkley Point C a bude stavět Sizewell C.

Česká republika má v jaderné energetice EU silného jaderného spojence a tím je Francie. Francie pochopitelně není „jediný“ projaderný západoevropský člen EU, ale je jediným spojencem s vlastním vývojem, výrobou, dodávkou a uváděním do provozu jaderných bloků. Jak již bylo zmíněno dříve, Francie provozuje 56 reaktorů a má špičkový jaderný průmysl (Framatome, Orano, …). Česká republika však také patří mezi jaderné státy EU s vyspělým jaderným strojírenstvím.

Je tedy prakticky nezbytné s Francií sdílet „Evropskou jadernou cestu“, která se musí těžce vybojovat s protijadernými českými sousedy Německem a Rakouskem.