Zavádění 5 letého cyklu na JE Dukovany

Abstrakt

V reaktorech PWR je permanentně zvyšováno obohacení paliva současně s obsahem vyhořívajících absorbátorů, s cílem zlepšit charakteristiky vyhořívání a redukovat palivové náklady na trhu s elektřinou s panující vysokou konkurencí. Paralelně k tomuto procesu, zavedení nové generace zdokonalených typů paliva VVER 440 implikuje další vývoj palivového cyklu JE Dukovany, kdy agresivnější strategie palivových vsázek redukují palivové náklady. Aby bylo možno dosáhnout ekonomické výhody nabízené těmito novými typy paliva a pokročilými projekty vsázek, při současném zajištění bezpečného a spolehlivého provozu reaktorů, dochází k permanentímu upgrade procesu navrhování vsázek, hodnocení bezpečnosti a zavádění pokročilých postupů on-line monitorování aktivní zóny reaktoru.

Reaktor VVER440 má několik základních konstrukčních rysů které jej činí velmi vhodným pro využívání pokročilých typů paliv. Zvláště jsou to existující rezervy do termálních limitů a možnost aplikace konceptu nízkého obsahu gadolinia jako vyhořívajícího absorbátoru.
Účel tohoto referátu je sumarizovat některé nejdůležitější výsledky modernizačního programu, které byly postupně dosahovány v Dukovanech v období posledních dvou desetiletí.
Mezi navrhováním palivových vsázek reaktorů PWR a VVER existuje ovšem několik odlišností. Nicméně palivový cyklus VVER 440 může být řízen velmi efektivně, a to při dodržení pro VVER 440 specifických bezpečnostních kritérií, jakými jsou negativní koeficient reaktivity na nulovém výkonu, vyšší rezerva pro DNBR (Departure from Nucleate Boiling Ratio), vysoká rezerva teploty chladiva do teploty sytosti, atd. Aktivní zóna reaktoru VVER 440 obsahuje 349 hexagonálních kazet (FA) s relativně malým rozměrem pod klíč. Toto umožňuje, aby mohly být dodrženy (díky vhodnému rozmístění kazet) relativně striktní limity na rozložení výkonu, a to s minimálním počtem typů kazet a současně mohly být realizovány pokročilé L3P (Low Leaking Loading Patterns - vsázky se sníženým únikem neutronů) strategie (např.limity Fdh jsou 1,61 pro současný typ, 1,55 pro předchozí typy paliva, FQ menší než 2,15). Proto také v předchozím 4 letém cyklu mohl být soubor čerstvého paliva pro výměnu tvořen pouze jedinmý typem kazety (s obohacením nižším než 4 %U235), bez přítomnosti jakýchkoliv vyhořívajících absorbátorů. Současný 5 letý cyklus by sice rovněž mohl být v principu realizován bez vyhořívajících absorbátorů, ale vyšší reaktivita čerstvého paliva by vyvolala problémy se zachováním předepsané podkritičnosti při transportu a skladování paliva. Důležité zlepšení konstrukce regulační kazety spočívalo v aplikaci absorpčních hafniových elementů v hlavici její palivové části s cílem potlačit neutronový tok v sousedících palivových prutech (v minulosti byl tento efekt terčem kritiky jako neadekvátní prvek projektu VVER 440).
Velké změny v konstrukci palivové kazety VVER 440 byly uskutečněny počátkem nového století a jejich výsledek - zdokonalené palivo pro 5 letý cyklus bude zaváženo od roku 2005.

Palivo pro pětiletý cyklus

Od roku 2002 je zavážen nový typ palivové kazety pro 5 letý cyklus. Hlavní inovace spojená s tímto palivem spočívala v zavedení vyhořívajících absorbátorů na bázi Gd2O3 do 6 ze 126 palivových prutů v kazetě o středním obohacení ležícím pod hodnotou 4,4 %U235. Obsah Gd absorbátoru je přibližně 3 % a v kazetě nebyly aplikovaný axiální blankety při profilaci obohacení. Konstrukce regulační kazety pro tyto vsázky byla přitom zachována stejná jako u předchozích typů paliva. Přechod k 5 letému cyklu mohl započít neprodleně (přičemž pouze regulační kazety zůstaly ve 4 letém cyklu). Tento přechodný typ paliva (tzv. palivo Gd-1) je nyní následován pokročilou druhou generací, které se právě nachází ve stadiu licencování a které bude zavezeno poprvé v roce 2005 (tzv.palivo Gd-2).
V palivu Gd-2 byl zachován pouze koncept nízkého obsahu gadolinia. Konstrukce palivové kazety byla modernizována především optimalizací vodouranového poměru, což vedlo ke snížení středního obohacení při zachování reaktivity čerstvého paliva a dynamiky vyhořívání. Hlavními změnami byly změna v rozměrech palivové tabletky, rozměrech proutku, nové délky sloupce paliva vyvolávající změnu hmotnosti uranu v AZ, nové radiální profilování v kazetě a změny v konstrukci mechanických částí.
Na druhou stranu, jiné historicky osvědčené konstrukční rysy paliva VVER byly zachovány. Sem patří např. pevná fixace proutku v distančních mřížkách a koncept relativně pevné kostry kazety s velkou odolností oproti frettingu, umožňující však radiační elongaci proutku a rozebíratelnost kazety. Koncepce kazety jako kanálu pro chladivo s její obálkou ovlivňující termohydrauliku aktivní zónu VVER 440 byla rovněž zachována.

Návrhy vsázek

Existuje možnost realizace ještě agresivnějších palivových vsázek i při zachování existujících (nebo v budoucnu očekávaných) limitů na výkonové rozložení. Mocným nástrojem pro tento pokrok muže být nove vyvinutý optimalizační software založený na aplikaci elementu evoluční teorie.
Veškeré návrhy palivových vsázek jsou prováděny v Dukovanech v oddělení fyziky pomocí software a s technickou podporou domácích laboratoří. Je samozřejmé, že tento proces musí respektovat podmínky stanovené dodavatelem paliva v technických specifikacích. Navzdory pozorovanému relativně dobrému souladu mezi vypočítanými a měřenými parametry u prvních přechodových vsázek s palivem Gd-1, další důležité problémy čekají na svoje vyřešení. První z nich je kvalita interpretace signálu TMČ měřících teploty chladiva na výstupech z kazet (210 čidel v AZ dávajících základnu pro radiální výkonové rozložení) a dalšími jsou signály neutronických SPD detektorů (36 kanálů v AZ - v každém 7 detektorů po výšce). Jak bylo uvedeno výše, neutronické a termohydraulické analýzy jsou prováděny pomocí software domácího původu. Přitom transformovaná podoba tohoto software tvoří součást monitorovacího systému reaktoru pro on-line prováděné vyhodnocování výkonového rozložení v reaktoru.

Ekonomické aspekty

JE Dukovany patří mezi nejlevnější výrobce elektřiny v ČR navzdory faktu, že výrobní náklady zahrnují vysoké pojišťovací poplatky stejně jako budoucí náklady na likvidaci JE a skladování vyhořelého paliva (náklady zadní části palivového cyklu). I když modernizované typy paliva jsou dražší (díky vyššímu obohacení, inflaci atd.), celkový efekt inovací palivového cyklu je výrazný a podporuje plány na prodloužení životnosti JE výrazně nad původně definovanou hranici.
Na druhou stranu, potřeby české elektrizační soustavy v současnosti a blízké budoucnosti nepodporují zavedení prodloužených cyklů (18 měsíčních) i když současné typy paliva by takovýto provoz již umožňovaly. Hlavní důvody jsou ekonomické (celkové negativní dopad prodloužených cyklů na výrobní náklady) ale navíc by vznikaly problémy při plánování odstávek pro 6 provozovaných reaktorů, které je limitováno nutností naplánovat tyto odstávky mimo zimní období roku tak, aby se nepřekrývaly.

Závěr

Zavedení 5 letého palivového cyklu v JE Dukovany bylo úspěšně zahájeno v roce 2002. Stále však pokračuje úsilí o jeho další modernizaci a zlepšení ekonomiky palivového cyklu a provozní flexibility elektrárny. Mezi hlavní velké inovační aktivity patří:

- zvýšení výkonu reaktoru na 105 % nominální hodnoty, doprovázené zvýšením obohacení paliva se zachováním minimálně pětiletého cyklu. Maximální pellet burnup přesáhne přitom hodnotu 70 MWd/kg. Je očekáváno, že licenční proces bude zahájen počátkem roku 2006
- modernizace systému I&C elektrárny, který je nyní instalován na prvním reaktoru (3. blok JE) a bude uveden do provozu v dubnu 2005
- zlepšení manévrovatelnosti bloku instalací nových regulátorů umožňujících provoz v režimech regulace frekvence a regulace výkonu (systém byl instalován v minulých letech a je provozován podle potřeby).

Vlastní inovace palivové kazety VVER 440 předpokládaná v příštích letech zahrnuje:

- variabilitu obohacení palivových kazet podle specifikace zákazníka (je již nyní nabízena výrobcem)
- aplikaci axiálních blanketů u paliva VVER 440 současně s axiální profilací obsahu vyhořívajících absorbátorů
- zavedení nově vyvinutých debris filtrů
- zavedení odlehčeného typu obálky kazety "Karkaz", který je transformován do podoby klece držící distancní mrížky a zachovávající tuhou strukturu kazety (tento typ obálky byl původně vyvinut pro reaktor VVER 1000, s cílem zabránit efektům bowingu).

Na závěr lze shrnout, že budoucí palivový management reaktoru VVER 440 musí reflektovat takové efekty jako jsou zvýšení výkonu, regulace výkonu, plánování odstávek koordinovaná s ostatními výrobci elektřiny a zvýšení délky cyklu díky zkrácení odstávek. Nutnou podmínkou pro tyto i další přímo související aktivity je trvalé zdokonalování úrovně software pro neutronické, tepelně hydraulické a bezpečnostní analýzy a udržení kvalitní technické podpory externích laboratoří.

Svatobor Štech
zkrácený překlad referátu na konferenci "VVER - 2004, Experience and Perspectives", Praha, říjen 2004

zpět na úvodní stránku