A Paksi Atomerőműben végrehajtott teljesítménynövelés
Balogh Tibor
2012-4-16
Bevezetés Jelenleg megfigyelhető az a tendencia, hogy a világ villamos energia igénye folyamatosan nő és ez várhatóan a közeljövőben nem is fog változni. Az iparban, a kereskedelemben, a mezőgazdaságban, a hétköznapi életben egyre inkább terjednek el a hagyományos megoldások villamosított változatai, elsősorban azért, mert felhasználás helyszínén nem szennyez, illetve nagyon egyszerűen automatizálható az elektromos energiával működő eszközök, berendezések működése, ezáltal kényelmi szempontból is igen csábító. Az így felmerülő villamos energia igényt erőművek létesítésével lehet kielégíteni. Legyen szó víz-, hő-, atomerőműről, vagy akármilyen más típusról, abban mind megegyeznek, hogy a mai egyre élesebbé váló versenyben az energiaszektoron belül, lábon kell maradniuk, ezért a legtöbb erőmű üzemeltetője felülvizsgálja saját erőművének állapotát, és ha lehetséges maximalizálja a megtermelt villamos energia mennyiségét. Ennek több pozitív előnye is van. Egyrészt nincs szükség újabb erőmű építéséhez a valamelyest növekedett igények kielégítéséhez, valamint a bővített rendszer beruházási árára fajlagosított villamos energia termelése megnövekszik, ezáltal az erőmű is nagyobb profithoz tud jutni. Mint a legtöbb országban Magyarországon sincs ez másként. Olyan szempontból hazánk egy igen kiszolgáltatott helyzetben van, hogy megújuló energiákban nem bővelkedünk, bányászható fosszilis energiahordozókban szintén nem, ezért ésszerű az atomenergia irányába kacsingatnunk. A Paksi Atomerőmű pontosan ezek miatt a körülmények között épült 1982-87 között. 4 darab VVER-440 típusú blokkal üzemel, melyek egyenkénti villamos teljesítménye a bővítésnek köszönhetően ma már 500 MW, ezáltal az egész erőmű 2000 MW villamos teljesítményen termel. „Ha figyelembe vesszük, hogy az ország 2005-ben 45800 GWh energiát használt, akkor egy egyszerű számítással megmondható, hogy az atomerőmű a magyar villamos energiaigény 38%-át teszi ki.” [2]
A bővítés előzményei Megjegyzésként hozzáfűzném, hogy most 470MW-ról 500MW-ra történő teljesítménynöveléssel szeretnék részletesebben foglalkozni, ugyanis ezt megelőzően voltak egyéb, hasonló irányú törekvések és megvalósítások is az erőműben. Az erőmű üzemeltetői a hatékonyság növelését, a termelés fajlagos önköltségének csökkentését tűzték ki célul elsőnek, ennek egyik lehetséges útja a termelésnövelés. A magas teljesítmény kihasználási tényezőt figyelembe véve a termelésnövelést természetesen a reaktor hőteljesítményének növelésével lehetett elérni. A teljesítménynövelés megvalósíthatósági tanulmányát közel egyéves munkával 2001 novemberére készítette el a Központi Fizikai Kutatóintézet. A tanulmány áttekintette a lehetséges megoldásokat, azok hatását az erőmű rendszereire és a következő megállapításokat tették: „A reaktor nyolc százalékos hőteljesítmény növelése lehetséges a biztonsági korlátok betartása mellett, de csak módosított jellemzőjű üzemanyag kazettákkal kivitelezhető. A szekunderkörben a kritikus szerkezet a turbina, így ennek fúvókakoszorúját le kellett cserélni, ami folytán a turbina már képes lett kezelni a megnövekedett gőz-, és vízforgalmat.” [3]
2002 októberében az erőmű szakemberei elkészítették a teljesítménynövelés koncepcióját, ami alapján elkészült a végleges terv. A hőteljesítményt 1375 MW-ról 1485 MW-ra kellett növelni, és ezzel legalább 500 MW villamos teljesítményt el lehet érni. A tervben megtörténtek a szükséges átalakítások véglegesítése, a megvalósítási ütemterv kidolgozása. Ezen adatokból látható, hogy 1485 MW hőteljesítményhez 500 MW villamos teljesítmény tartozik, tehát az egyes blokkok körülbelül 33,7%-os hatékonysággal működnek. Mivel az üzemidő hosszabbítás magasabb prioritású cél, fontos volt megvizsgálni a teljesítménynövelés hatását az üzemidő hosszabbításra. A kapcsolódó értékelő elemzés megállapította, hogy a paksi atomerőmű üzemidejének 20 évvel történő kiterjesztését a tervezett teljesítménynövelés miatt megváltozó körülményekből származó hatások számottevően nem befolyásolják. A feltételezhető eltérések hatását az öregedés-kezelési lépések megfelelő végrehajtásával biztonságosan minimalizálni lehet.
A teljesítménynöveléshez vezető átalakítások A teljesítménynövelés nem egy új keletű procedúra, az USA-ban 2001-ig mintegy 1600MW teljesítménynövelés történt, ezt 2010-ig további 8000MW növelés követte. Finnországban emelt teljesítményen üzemel a paksival azonos típusú kétblokkos loviisa-i atomerőmű, amelynek névleges villamos teljesítménye kétszer 510MW. A teljesítménynövelés tényleges megvalósításának mértékét az aktív zóna, az üzemanyag töltet jellemzői határozzák meg. A számítások szerint a korlátozó tényező a szubcsatorna kilépő hőmérséklete volt. Ahhoz, hogy a reaktorfizikai korlátokat be lehessen tartani, és biztosítani lehessen a blokk biztonságos üzemeltetését a következő fő átalakítások elvégzése volt szükséges: 1) Turbina fúvókakoszorú cseréje 2) Módosított üzemanyag kazetta bevezetése 3) Üzemzavari rendszerek bórsav koncentrációjának változtatása 4) Hidroakkumulátorok paramétereinek változtatása 5) Pontosabb primerköri nyomásszabályozás 6) Zóna ellenőrző rendszer rekonstrukció 1) Turbina fúvókakoszorú cseréje A frissgőz tömegáramlásának megnövelése miatt növelni kellett a turbina átáramlási részének áteresztő képességét, amely nagyobb keresztmetszettel rendelkező fúvókakoszorú alkalmazását tette szükségessé. Szintén szükséges volt a szabályzó rendszer átalakítása a biztonságos, gazdaságos, megbízható gőzelosztás érdekében. Ez a szabályzó szelepek nyitási úthossz növelését jelenti, ami néhány szerkezeti változás által került megvalósításra. 2) Új üzemanyag bevezetése A teljesítmény növelése korszerűsített üzemanyag-kazetták alkalmazásával lett lehetséges. Az előtte használt üzemanyag profilírozott (radiálisan változó), 3,82%-os átlagos U235 dúsítású, négyéves üzemanyag ciklust lehetővé tevő kazetta voltak.
Az üzemanyag-fejlesztés két fázisban történt: „Az első fázisban a munkakazetta pálca-rácsosztása 12,2 milliméterről 12,3 milliméterre lett növelve a hatékonyabb kazetta hűtése érdekében. Bevezetésre került a hafnium neutron elnyelő lemez alkalmazása a szabályzó és biztonságvédelmi kazetták üzemanyagrész felső szekciójában, annak eredményeképpen megszűnt a szomszédos kazetta szélső pálcáiban fellépő teljesítmény csúcs, simítva ezzel az axiális neutronfluxus- és teljesítmény-eloszlást, a kilépő hőmérséklet radiális eloszlását.” [4] A módosított, átmeneti üzemanyag bevezetése elégségesnek bizonyult a 108%-os teljesítményszint eléréséhez, de a többlet reaktivitás biztosítása miatt az átrakások alatt a teljesítménynöveléshez több friss kazetta berakása szükséges, tehát az üzemanyag ciklus gazdaságossága romlott. A fejlesztés második fázisában az üzemanyag gazdálkodás optimalizálása történt az üzemanyag továbbfejlesztésével. Ezzel az üzemanyaggal megvalósítható lett az eredetinél is gazdaságosabb, ötéves üzemanyagciklus. Ehhez a dúsítást kellett növelni, és kiégő mérgeket kellett alkalmazni. Az optimalizált kazetta átlagos dúsítása 4,2% lett, három darab gadolínium kiégő mérget tartalmazó elnyelő pálcával. 3) Üzemzavari rendszerek bórsav koncentrációja Az azonos kampányhosszal jellemzett zónának az eddiginél nagyobb tartalék-reaktivitással kell rendelkeznie, amit a kampány elején csak a bővítés előttitől magasabb bórsavkoncentráció képes lekötni. Ezért a maximális kritikus bórsav koncentráció értéke 12g/kg-ra nőtt, az üzemzavari rendszerek minimális bórsav koncentrációja és a leállási bórsavkoncentráció pedig 13,5 g/kg-ra. 4) Hidroakkumulátorok paramétereinek változtatása A paraméter változása a biztonsági elfogadási kritériumok betartása miatt szükséges. Az átalakítás lényege az, hogy az üzemzavari zónahűtést passzívan szolgáló hidroakkumulátorok paraméterei 58 bar nyomás és 40 m3 tárolt hűtővíz mennyiség helyett 35 bar és 50m3 értékre módosultak, ennek következményeképpen az esetleges üzemzavar alatt a hidroakkumulátorok több hűtővizet tudnak táplálni a reaktorba és ezt a hűtés szempontjából optimálisabb időpontban végzik. A paraméter változás miatt szükségessé vált néhány irányítástechnikai átalakítás elvégzése is. Az új paramétereknek köszönhetően a maximális tervezési üzemzavar, mint például a nagykeresztmetszetű hűtőközeg vesztésessel járó csőtörés, a számított maximális üzemanyag burkolathőmérséklet és burkolatoxidáció 108%on alacsonyabb lett a 100%-os értéknél. Azon kívül a konténmentben kialakuló maximális nyomás és a kibocsátott aktivitásértékek is kedvezőbben alakultak. 5) Primerköri nyomásszabályozás javítása: A telítési hőmérséklet a nyomástól függ. Eredetileg a zónaellenőrző rendszer egy konstans 325°C telítési hőmérsékletből számította a szubcsatorna telítési tartalékot. A blokkokon a térfogat-kompenzátor nyomásszabályozó rendszere a primerköri nyomást a 121-123 bar túlnyomás között tartotta. Abban az esetben, ha pontosabb nyomástartást lehet biztosítani, és a zónaellenőrző rendszer nem egy konstans értékből, hanem az aktuális értékből számítja a telítési hőmérsékletet, akkor olyan tartalék szabadul fel, amelyet a teljesítménynöveléshez fel lehet használni. A primerköri nyomásszabályzó átalakítása a szabályzó rendszer teljes
cseréjét jelentette folytonos szabályzó alkalmazásával. Az átalakítás eredményeképpen a térfogat-kompenzátor gőzterének nyomása normál üzemi körülmények között 123±0,4 bar az aktív zóna feletti nyomás 123,6±0,4 bar túlnyomás értéken tartható. 6) A zónaellenőrző rendszer rekonstrukciója: Az aktív zóna, az üzemanyag-kazetták állapotát és bizonyos technológiai paraméterek alakulását ellenőrző PDA-Verona rendszer változatlan biztonsági korlátok mellett nem tudta volna biztosítani a magasabb reaktorteljesítményhez szükséges nagyobb pontosságot és adatforgalom kezelését. A zónaellenőrző rendszerrel szemben így magasabb elvárások merültek fel. Tudnia kell kezelni a nyomásfüggő telítési hőmérsékletet, ezt a változást figyelembe kell vennie, a számítási algoritmusokat módosítani kellett úgy, hogy pontosabb legyen, valamint az adatfeldolgozási ciklusokat csökkenteni kellett. Egyéb átalakítások A paksi atomerőmű blokkjain a primerköri hűtőközeg forgalmak eltérnek egymástól. Mivel a zóna üzemi biztonsága szempontjából a szubcsatorna kilépő hőmérséklete a korlátozó tényező és a teljesítménynövelés hatására a zóna kilépő hőmérséklet nő, célszerű volt a legkisebb hűtőközeg forgalmú második blokk primerköri forgalmát megnövelni. A forgalom növelés a fő keringtető szivattyúk járókerék cseréjével történt. A modernizált járókerekek új, kovácsolt és hegesztett technológiával kerültek legyártásra, a méreteik kissé nagyobbak lettek az eredetinél. A kerekek beépítése a blokk hosszú főjavítása alatt volt lehetséges.
A teljesítménynövelés számokban A negyedik blokk 2006 szeptemberére érte el a 108%-ot jelentő 1485 MW hőteljesítményt. A blokk bruttó hatásfoka a teljesítménynövelés hatására nem változott, értéke 34,2%. Az optimális hűtővíz hőmérséklet esetén a blokk villamos teljesítménye legalább 507 MW, de figyelembe véve, hogy a melegebb nyári időszakban a blokkot nem mindig lehet a maximum teljesítményen üzemeltetni, a blokk névleges villamos teljesítményét 500 MW-ban határozták meg. A negyedik blokki megvalósítási tapasztalatok alapján a Paksi Atomerőmű folytatta a teljesítménynövelés programját. A négy VVER-440 blokk villamos teljesítménye 2009-re érte el az 500 MW-ot. A teljesítménynövelés megvalósítás beruházási programjának tervezett költségvetése a terv szerint 4,777 milliárd forint volt. A gazdaságossági vizsgálatot a terv egy modern, kombinált ciklusú gázturbinás erőmű létesítésével összehasonlítva, valamint megtérülés-elemzéssel végezte. A belső megtérülés vizsgálatához a folyó évi beruházási költségek konzervatívan becsülve a projekt 2009. évi befejezésének bázisára átszámítva 5,537 milliárd forintot tettek ki. A számítás bemenő adatai között az akkori rendelkezésre állással számított villamosenergia-termelés többlete, lineáris értékcsökkenése, az üzemeltetési költségek változása és a makrogazdasági tényezők szerepeltek. A beruházás már 3 év után nyereségessé vált, belső megtérülési rátája 55,7%, mely kiemelten jó értéknek számít. A beruházás a teljes végrehajtás után a 2010. évben nagyjából 0,54 Ft/kWh fajlagos költségcsökkenést eredményezett. A projekt végén mind a négy paksi blokk névleges teljesítménye 500 MW (az erőműé összesen 2000MW).
„A beruházással összesen legalább 120 MW kapacitás létesült. A többlet teljesítmény létrehozásának fajlagos költsége mintegy 43,8 MFt/MW. Összehasonlítva ezt egy ligniterőmű létesítésének 350 MFt/MW-os illetve egy biomassza erőmű építésének 400 MFt/MW-os költségével, elmondható, hogy az újonnan létesült 120 MW potom áron történt.” [1]
Megjegyzések Azt kijelenthetjük, hogy a teljesítménynövelés szakmailag kifogástalanul zajlott le, hiszen az erőmű azóta is üzemzavar mentesen működik és termeli a villamos energiát. Továbbá megjegyezhetjük, hogy a magyarországi villamosenergia-felhasználásban ez a 120 MW-os teljesítmény szignifikáns érték, ugyanis új erőmű létesítése nélkül, csupán szerkezeti változtatásokkal elérhető volt. Összehasonlítva ezt egy Debreceni Erőmű 95 MW-jával, egy Nyíregyházi Erőmű 47,1 MW-jával, illetve egy Pannon Erőmű 133 MW-jával ez az érték még jelentősebbé válik. Viszont számomra egy indok miatt elvetendő ez a fajta rendszerbe való teljesítmény bevitel. A teljesítménynövelés nem elsődlegesen azért jött létre, hogy több magyar embert kiszolgáljon, hanem leginkább a profit növelése miatt. Ahogyan fentebb is látható volt, hatalmas mennyiségű pénzeket fordítottak erre, ugyanakkor az eddigi blokkok a tervezettnek megfelelő időpontokban le lesznek állítva. Ezt a pénzt lehetett volna fordítani, esetleg a nukleáris hulladék újrahasznosítására is, illetve be lehetett volna fektetni egy újabb blokk megépítésébe. Jelenleg láthatjuk, hogy ugyan már az országgyűlési határozat az megszületett újabb két blokk létesítésére, de fizikai munkálatokban eddig nem mutatkozott az építésre való hajlam, ami szintén a profitorientált gondolkodásra vall, ellentétben az emberek, illetve az ország érdekével szemben.
Források [1] Kovács Antal – Kommunikáció a társadalommal, mint atomenergia-fogyasztóval, 2010, Pécs, Doktori értekezés [2] Dr. Stróbl Alajos – Magyarországi villamosenergia fogyasztás, 2005-ben megjelent könyve, Kiadta: Magyar Atomfórum Egyesület [3] Szőke Larisza - A teljesítménynövelés megvalósítása a paksi atomerőműben, Nukleon című nukleáris tudományos műszaki folyóirat 2011 novemberében megjelent száma (IV. évfolyam, 3. szám) [4] Nemes Imre - A nukleáris üzemanyag módosításai a paksi blokkok teljesítménynövelése kapcsán, Nukleon című nukleáris tudományos műszaki folyóirat 2011 novemberében megjelent száma (IV. évfolyam, 3. szám)
