10.12.2008 1
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
Lubor Žežula,
Praha, 10.12.2008
Prezentace průběžných výsledků výzkumného úkolu
UDRŽITELNÝ ROZVOJ ENERGETIKY
10.12.2008 2
Výzkum trendů ve vývoji energetického hospodářství ČR, úlohy a disponibility fosilních zdrojů energie a nasazování nových zdrojů
energie (jaderných energetických zdrojů, obnovitelných zdrojů energie, využívání vodíkových technologií a v dlouhodobé perspektivě energetickým využíváním řízené jaderné fúze)
Etapa 1
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 3
Současný stav jaderné energetiky ve světě:
– cca 16% z celkové výroby elektrické energie ve světě vyráběno v jaderných elektrárnách.
– celkový instalovaný výkon jaderných elektráren činí 369 867 MW.
– pro blízké nadcházející období nabývá na důležitosti „věkové spektrum“ jaderných reaktorů, které signalizuje jejich stárnutí
– stávající jaderná energetika je postavena především na jaderných reaktorech lehkovodního typu
– použití rychlých reaktorů je nezbytným předpokladem pro efektivní dlouhodobé využití jaderných surovin
– naděje jsou stále vkládány do využití jaderné fúze
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 4
Obr.1. – Rozdělení provozovaných jaderných reaktorů dle stáří (MAAE 11/2006)
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 5
Rozvoj jaderných systémů ve světě
v Rámcových programech Evropské komise a Euratomu jsou podporovány projekty v oblastech jaderného štěpení a jaderné fúze.
GNEP (Global Nuclear Energy Partnership) - 38 účastnických zemí a mezivládních organizací
INPRO (International Project on Innovative Nuclear Reactors and Fuel Cycles) - INPRO se jako pozorovatel zúčastňuje jednání GIF, má 28 členů, mezi nimi i ČR.
Generation IV (US DOE) GIF (Generation IV International Forum)
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 6
Vývoj nových jaderných systémů
plynem chlazené rychlé reaktory, GFR rychlé reaktory chlazené tekutým olovem, LFR reaktory chlazené tavenými solemi, MSR rychlé reaktory chlazené tekutým sodíkem , SFR reaktory chlazené vodou se superkritickými parametry,
SCWR velmi vysokoteplotní plynem chlazené reaktory, VHTR.
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 7
INPRO - cíle:
1. Podporovat bezpečné, udržitelné, ekonomické a nezneužitelné využívání jaderné technologie pro zajištění globálních potřeb energie pro 21. století.
2. Stanovit mezinárodně akceptované požadavky na inovační jaderné reaktory v oblastech:– Jaderná bezpečnost– Udržitelná energetika a životní prostředí– Řízení jaderných odpadů a VJP– Ochrana proti zneužití jaderných materiálů– Průřezové oblasti.
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 8
INPRO - kategorizace
evoluční projekty jsou založeny na zdokonalení existujících typů menšími úpravami a na využití ověřených konstrukčních prvků k minimalizaci technického rizika,
inovační projekty přinášejí radikální koncepční změny v projektových přístupech a/nebo v konfiguracích systémů. Obecně vyžadují značný rozsah výzkumu a vývoje, ověřovací zkoušky a výstavbu prototypové nebo demonstrační jednotky,
projekty příští generace – tento termín se vztahuje na projekty bloků, které budou stavěny v budoucnu a které obsahují radikální změny koncepce nebo konfigurace systému v porovnání s existující praxí.
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 9
Projekty financované v 6. RP EU v části „Jaderné štěpení a radiační ochrana“
• Evropský rychlý reaktor chlazený olovem (European Lead-cooled System - ELSY) • Projekt plynem chlazeného rychlého reaktoru (The Gas Cooled Fast Reactor Project - GCFR) • Lehkovodní reaktor s nadkritickými parametry vody, fáze 2 (High Performance Light Water Reactor, Phase 2 - HPLWR) • Vysokoteplotní reaktor pro výrobu průmyslového tepla, vodíku a elektřiny (ReActor for Process heat, Hydrogen And ELectricity generation – RAPHAEL)
Projekty financované v 7. RP EU v části „Jaderné štěpení a radiační ochrana“
• Zatím pouze „Inovované palivo a palivové pokrytí pro systémy IV. Generace.“
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 10
Generation IV program US Department of Energy iniciován r. 1999
Vývoj jaderné energetiky
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 11
Generation IV International Forum (GIF) založen v červenci 2001 cíl: soustředit úsilí zemí s nejrozvinutějšími jadernými
technologiemi členy jsou: Argentina, Brazílie, EU (Euratom), Kanada,
Francie, Japonsko, Korea, Jižní Afrika, Velká Británie, Švýcarsko, USA, Čína a Ruská federace
Česká republika zastoupena prostřednictvím organizace Euratom
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 12
Výběr reaktorových systémů IV. generace
Celkem bylo hodnoceno 124 projektů Požadované cíle byly:
1. bezpečnost a spolehlivost, 2. ekonomika, 3. odolnost proti šíření jaderných zbraní4. fyzická ochrana,
5. udržitelný rozvoj.
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 13
Organizační struktura hodnocení a výběru projektů Gen IV
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 14
Dvacet hodnocených systémů Generation IV
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 15
Potenciál hodnocených systémů versus náklady na vývoj (odhad 2002)
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 16
Výsledný návrh šesti systémů (pořadí neodráží prioritu zvolených koncepcí):
1. GFR - Rychlý reaktor chlazený plynem (Gas-Cooled Fast Reactor System).
2. LFR - Rychlý reaktor chlazený olovem (Lead-Cooled Fast Reactor System).
3. MSR - Reaktor chlazený roztavenou solí (Molten Salt Reactor System).
4. SFR - Rychlý reaktor chlazený sodíkem (Sodium-Cooled Fast Reactor System).
5. SCWR - Reaktor chlazený vodou s nadkritickým cyklem (Supercritical-Water-Cooled Reactor System).
6. VHTR - Reaktor s velmi vysokými teplotami (Very-High-Temperature Reactor System).
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 17
Rychlý reaktor chlazený sodíkem (Sodium-Cooled Fast Reactor System)
ElectricalPower
GeneratorTurbine
Condenser
Heat Sink
Pump
Pump
Pump
PrimarySodium?Cold?
Cold Plenum
Hot Plenum
PrimarySodium?Hot?
Control Rods
Heat?Exchanger
Steam Generator
Core
SecondarySodium
ElectricalPower
GeneratorTurbine
Condenser
Heat Sink
Pump
Pump
Pump
PrimarySodium
ColdCold Plenum
Hot Plenum
PrimarySodium
Hot
Control Rods
Heat Exchanger
Steam Generator
Core
SecondarySodium
Předpokládaný výkon 150 -1500 MWe
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 18
Rychlý reaktor chlazený olovem (Lead-Cooled Fast Reactor System)
Předpokládaný výkon 50-1200 MWe
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 19
Rychlý reaktor chlazený plynem (Gas-Cooled Fast Reactor System)
Předpokládaný výkon 50-1200 MWe
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 20
Reaktor chlazený vodou s nadkritickým cyklem (Supercritical-Water-Cooled Reactor System)
Předpokládaný výkon 1700 MWe
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 21
Reaktor s velmi vysokými teplotami (Very-High-Temperature Reactor System)
Předpokládaný výkon 600 MWt – průmyslové teplo
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 22
Reaktor chlazený roztavenou solí (Molten Salt Reactor System)
Předpokládaný výkon 1000 MWe
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 23
Harmonogram „Gen IV Roadmap“ obsahuje pro všechny uvedené systémy podrobnou specifikaci výzkumných a vývojových témat, časové rozpětí pro jejich řešení i potřebu finančních prostředků. Harmonogramy všech systémů jsou členěny na základní a dílčí témata řešení.
Základní témata jsou následující:– Palivo a materiály– Reaktorové systémy (okruhy)– Celkové uspořádání bloku– Bezpečnost– Projekt a hodnocení– Palivový cyklus.
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 24
Výzkum a vývoj reaktorových technologií IV. generace
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 25
Výzkum a vývoj reaktorových technologií IV. generace
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 26
Výzkum a ocenění parametrů pokročilých technologií použitelných pro výrobu elektřiny, tepla a vodíku v perspektivě za rok 2060
Etapa 4
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 27
Byly provedeny práce na předběžné analýze technologických a ekonomických parametrů typových variant nových jaderných zdrojů Generace IV
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 28
Vývoj nových jaderných systémů
plynem chlazené rychlé reaktory, GFR rychlé reaktory chlazené tekutým olovem, LFR reaktory chlazené tavenými solemi, MSR rychlé reaktory chlazené tekutým sodíkem , SFR reaktory chlazené vodou se superkritickými parametry,
SCWR velmi vysokoteplotní plynem chlazené reaktory, VHTR.
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 29
Jaderný palivový cyklus
Otevřený (používaný v ČR v současné době) Uzavřený cyklus s LWR (Základním cílem uzavření palivového
cyklu je především úspora uranu a získání plutonia na přípravu jaderného paliva.)
Uzavřený cyklus s rychlými reaktory Využití thoria v jaderné energetice
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 30
Vliv zavedení uzavřených palivových cyklů s přepracováním na vývoj světové spotřeby paliva (vlevo) a vývoj světové
kumulované spotřeby uranu (vpravo)
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 31
Ekonomická analýza 10 kombinací reaktorů a palivových cyklů:
1. PWR-UOX (všechny schémy mimo 3cV1 a 3cV2)2. PWR-MOX (schémy 1b, 1c, 3b a 3bV)3. PWR-MOX-EU (schémy 2a and 2b)4. CANDU (schéma 1d)5. FR-MOX (schémy 3cV2, 2c and 2cV)6. FR-HBU (schéma 3b)7. FR-metal (schéma 3a)8. FR-carbide (schéma 3cV1)9. ADS-MA (schéma 3b)10. ADS-TRU (schéma 3bV)
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 32
1. 35 GWd/tHM pro schémy 1d a 50 GWd/tHM pro schémy 3a, 3b a 3bV.2. 50 GWd/tHM pro schémy 3b a 3bV.3. 10 let chlazení pro schémy 1d a 4 roky chalzení pro schémy 3a, 3b a 3bV.
Tab 1. Parametry typu reaktoru a palivového cyklu
Reaktor Tepelný výkon (MW)
Elektrický výkon netto (MW)
Účinnost (elektrická) (%)
Palivo Vyhoření paliva (GWd/tHM)
Doba uložení/ chlazení (rok)
PWR-UOX 4250 1450 34.1 UOX 601 2/53 PWR-MOX 4250 1450 34.1 MOX 602
2/5 MOX-EU 4250 1450 34.1 MOX-EU 60 2/5 CANDU 2159 713 33.0 DUPIC 15 2/– FR-MOX 3600 450 40.3 MOX 140 2/5 FR-HBU 3600 450 40.3 MOX 185 2/5 FR-metal 1575 600 38.1 Ac-Zr 140 1/2 FR-carbide 2400 1158 48.3 (U,Pu)C-SiC 100 2/5 ADS-MA 377 119 31.6 AcN-ZrN 150 1/2 ADS-TRU 850 280 33.0 AcN-ZrN 150 1/2
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 33
Obr.1. Hlavní fáze uvažovaných schém palivového cyklu
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 34
Obr. 2 Relativní celkové výrobní náklady (Schéma 1a = 100%)
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 35
Obr. 3. Rozpětí poměrných celkových výrobních nákladů (schéma 1a = 100%)
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 36
Obr. 4. Výsledek Monte-Carlo analýzy celkových výrobních nákladů
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 37
Překrytí všech pravděpodobnostních rozdělení nákladů (viz obr. č 4) ukazuje, že samotné náklady nemůžou být rozhodujícím faktorem ve výběru palivového cyklu nebo energetické koncepce s uvažováním pokročilých technologií Ve velmi ranném stádiu vývoje těchto technologií.
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 38
Obr. 5. Poměrné rozpětí nákladů palivového cyklu (schéma 1a = 100%)
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 39
Obr. 6. Výsledek Monte-Carlo analýzy nákladů palivového cyklu
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 40
Obr. 7. Závislost poměrných výrobních nákladů na investičních nákladech
rychlých reaktorů (FR) (schéma 1a = 100%)Předpoklad, že investiční náklady FR jsou vyšší o 20% než pro současnou generaci PWRs.
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 41
Obr. 8. Závislost poměrných výrobních nákladů na ceně uranu (Schéma 1a = 100%)
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 42
Obr. 9. Závislost poměrných nákladů palivového cyklu na ceně uranu (schéma 1a = 100%)
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 43
Několik doporučení na závěr: Státní energetická koncepce – SEK by měla vycházet ze scénářů jak pro
horizont do roku 2030, pro který jsou známé technologie, tak pro druhý horizont k roku 2060, kde se technologie odhadují a kdy dojde k vytěžení zásob energetického uhlí. Pokračovat v řešení této problematiky je nezbytné pro zajištění efektivního postupu přípravy realizace nových jaderných zdrojů a je potřeba tuto oblast i nadále finančně podporovat jak ze strany státního rozpočtu, tak ze strany provozovatele jaderných elektráren.
Je důležité zajistit kontinuitu tvorby know-how a technologické připravenosti pro přípravu nových jaderných energetických zdrojů v ČR jak ve střednědobém, tak v dlouhodobém horizontu.
Měla by být analyzována strategie výstavby množivých reaktorů a s tím související strategie přední a zadní části palivového cyklu. Výstavba reaktorů IV. generace může v budoucnu zajistit ČR dlouhodobou energetickou nezávislost.
Je potřeba zapojit výzkum a průmysl ČR do evropských demonstračních projektů, jako cesty k posílení pozice ČR v oblasti energetiky.
Výzkum a vývoj nových jaderných technologií
10.12.2008 44
www.ujv.cz
Děkuji Vám za pozornost