Francouzský jaderný blok EPR1200 – jediná nabídka z EU

V Evropě musí být dodržována pravidla provozování propojené Evropské soustavy ENTSO-E. Jaderné bloky EPR třídy 1650 i starší typy (900, 1300, 1450 MWe) jsou realizované s certifikací režimu řízení výkonu „Load Following“, režimu rozšířeného řízení výkonu „Extended Load-Following“ a režimu 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. Vzhledem k energetickému zdrojovému mixu Francie a požadavkům provozovatele její přenosové soustavy je možné konstatovat, že flexibilita francouzských 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 a 1450 jsou následující: Primární regulace (Primary Control) v rozsahu + 2 až 3 % Pr (jmenovitého výkonu bloku), Sekundární regulace (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 vyvíjí francouzská státní společnost EDF optimalizovanou variantu EPR2, jež 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, který je výkonově menší verzí 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. Další součástí strategie EDF je, aby po celé Evropě vyrostla řada těchto reaktorů, což by přineslo důležitou synergii, z níž by mohly těžit všechny země, které technologii EPR využívají (např. v provozních otázkách). Aktuálně zvažuje reaktory EPR vedle Česka také Polsko, Slovinsko či Nizozemí, staví se již ve Velké Británii a další se dokončují ve Francii a Finsku.

Rychloběžná konstrukce

Vzhledem k tomu, že se dosud v České republice využívá výhradně rychloběžných turbín Škoda z Plzně, je vhodné se zmínit o obecných výhodách a nevýhodách rychloběžných (3000 ot./min.) a pomaloběžných TG (1500 ot./min.) turbín, se zřetelem na požadovaný výkon 1200 MWe pro blok EDU 5. Nevýhodou rychloběžné konstrukce jsou vzhledem k vysokým otáčkám větší odstředivé síly, což má negativní vliv na dynamiku rotorů a na erozi lopatek (WDE). Výhodou je pak vyšší účinnost ve VT stupních, menší rozměry a hmotnosti (snadnější doprava). 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). Je zde menší nebezpečí „stress corrosion cracking“ a lepší dynamika. Díky menším silám v dělicí rovině nehrozí problémy s netěsností.

Pomaloběžná konstrukce

Mezi nevýhody pomaloběžných turbín patří velké rozměry a hmotnosti (výroba jen u speciálně vybavených dodavatelů, komplikovaná doprava) a potřeba většího prostoru. Rozměrově větší tělesa vyžadují větší tloušťku stěn VT (vysokotlakého) tělesa, což způsobuje pomalejší prohřívání (negativní dopad do flexibility). Větší průměr VT rotoru vede k většímu tepelnému namáhání a má také negativní dopad na flexibilitu. Někteří výrobci používají skládané nízkotlaké (NT) rotory, které mají horší dynamické vlastnosti a zvyšují nebezpečí poškození „stress corrosion cracking“. Větší rozměry těles vyvolávají větší síly v dělicí rovině, to může přinést problém s těsností. Výhodou tohoto řešení je naopak dostatečná výstupní plocha průtočné části, poslední lopatka pak může být dlouhá až 1,8 m (zhruba 28 m2), díky polovičním otáčkám jsou odstředivé síly menší, což má pozitivní vliv na dynamiku rotorů a na menší erozi lopatek (WDE).

Analytický závěr k volbě turbíny

Existují jednoznačné technické důvody, proč je rychloběžná turbína pro jaderný blok 1200 MWe již prakticky nepoužitelná, a proto také full-speed turbína (3000 ot./min.) pro výkon 1200 MW neexistuje nikde jinde na světě. Je to dáno tím, že na nízkotlaké části, kde se nachází nejdelší lopatky, může dosahovat obvodová rychlost rychlosti zvuku a také tím, že síly působící 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, a to díky použití delších, protáhlejších lopatek s vyšší aerodynamickou účinností a celkově sníženými ztrátami způsobenými sekundární stěnou. Rozdílv hrubém výkonu na svorkách generátoru mezi těmito dvěma typy strojů je obecně považován za +3 až +4 % ve prospěch poloviční rychlosti. U výkonové třídy 1200 MW typicky o +36 až +48 MWe více. Důležitým aspektem je i to, že turbíny Arabelle, s nimiž 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 letech 2036/2038, kdy bude uveden do provozu nový blok EDU 5 – 1200 MWe.

Stabilita sítě

Výhodou pomaloběžných turbín je 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 jen pomalu, a mohou tedy zůstat déle připojeny k síti. Je tedy evidentní, že turbíny s poloviční rychlostí mají mnohem lepší schopnost „projíždění poruchy“ než turbíny s plnou rychlostí.

Simulátory a trénink řízení

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 samotného projektu, výstavby i uvedení do provozu. Společnost Corys za posledních 25 let vyvinula a dodala zákazníkům 190 tréninkových simulátorů plného rozsahu (FSS – Full Scope Simulators). Vyvinula softwarové a hardwarové nástroje umožňující simulaci provozního scénáře s vysokou věrností, včetně modelování ztráty napětí až do úplného výpadku typu blackout (výkonové závislosti akčních členů, závislosti napětí na I&C, kompletní najetí elektrárny).

Závěrečné poznámky

Sedm členských zemí 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, jímž je právě Francie. Tato země je jediným členským státem EU s komplexním vlastním vývojem, výrobou, dodávkou a uváděním do provozu jaderných bloků. Současný provozní potenciál představuje 56 reaktorů a špičkový jaderný průmysl (Framatome, Orano). Také Česká republika však patří mezi jaderné státy EU s vyspělým jaderným strojírenstvím. Je tedy prakticky velmi výhodné s Francií sdílet evropskou jadernou cestu.