Elektrownia jądrowa zlokalizowana pod ziemią

Rozwój energetyki jądrowej po awarii w Czarnobylu został zahamowany szczególnie w Polsce i krajach europejskich. Wyczerpujące się jednak zasoby paliw stałych, płynnych i gazowych, a także stały wzrost zużycia energii elektrycznej powoduje powrót do energetyki jądrowej, w której koszt wytworzenia 1 kWh jest jednak najniższy spośród wszystkich elektrowni poza elektrowniami wodnymi. Zahamowanie rozwoju energetyki jądrowej spowodowane zostało głównie przez ekologów argumentujących niebezpieczeństwo eksploatacyjne elektrowni jądrowych. Analizy przeprowadzone przez badaczy szwedzkich jednoznacznie wskazują, że nie są one niebezpieczniejsze niż elektrownie opalane paliwem stałym. Wskaźnikiem tym jest występująca ilość zgonów mieszkańców terenów przyległych, jakie występują w okolicy elektrowni na 1 TWh wyprodukowanej energii elektrycznej. Wskaźnik ten w pobliżu elektrowni jądrowej jest 20-krotnie niższy niż w pobliżu elektrowni cieplnej opalanej paliwem stałym. Referat przedstawia istniejące na świecie elektrownie i elektrociepłownie w wykonaniu podziemnym. Przedstawia wariant realizacji takiej elektrowni w wyrobiskach kamieniołomów granitu w okolicach Strzelina na dolnym Śląsku, spełniających wszystkie wymagania bezpieczeństwa

Zużycie energii

Światowe zużycie energii pierwotnej wskazuje, że będzie zaostrzać się jej niedobór szczególnie w odniesieniu do paliw płynnych, których może wystarczyć na 33 lata [10] i gazowych,  których zasoby wyczerpią się po 56 latach. Emisja gazów cieplarnianych z elektrowni spalających paliwa stałe i płynne jest głównym zagrożeniem dla środowiska naturalnego, gdyż powoduje zmiany temperatury na całym świecie, a szczególnie na Antarktydzie i w Arktyce.

Dyrektywa zwiększania udziałów do 15% w 2020 r. ilości energii uzyskiwanych z pierwotnych odnawialnych źródeł energii, jakimi są woda, wiatr, słońce oraz wtórnych odnawialnych źródeł energii, których odnawianie następuje przy udziale człowieka jak biomasa, biogaz, bioestry, śmieci i odpady komunalno-bytowe oraz przemysłowe, nie wystarczy do pokrycia zwiększającego się zapotrzebowania na energię elektryczną.

Większego znaczenia nabiera rola energetyki jądrowej, bo od momentu uruchomienia pierwszej elektrowni ma to bardzo duże znaczenie w zmniejszaniu kosztów uzyskiwanej energii elektrycznej.Typowy blok elektrowni jądrowej pozwala rocznie zmniejszyć emisję CO₂o 7 mln ton, jakie wytwarza elektrownia węglowa o tej samej wielkości. Blok elektrowni jądrowej wytwarza rocznie tylko 20 ton przepracowanego paliwa, w większości nadającego się do ponownego zagospodarowania [12]. Koszty energii elektrycznej, które powinny rzutować na rozwój energetyki jądrowej również przemawiają na jej korzyść w porównaniu do innych elektrowni, ponieważ 1 kWh energii elektrycznej z elektrowni jądrowej kosztowała w 2001 r. - 1,83 c/kWh, węglowej - 2,07 c/kWh, gazowej - 3,52 c/kWh. Wg danych na 2009 r. koszt wytworzenia w 2007 r.  dla elektrowni jądrowej wg [14] wynosi 23,7 euro/MWh, elektrowni gazowej - 52,3 euro/MWh, elektrowni węglowej - 48,1 euro/MWh.

W Polsce niezbędne jest zbudowanie nowych bloków oraz modernizacja bloków o łącznej mocy 24-28 GW [12]. Budowa elektrowni jądrowej jest konieczna  jednak ze względu na ograniczenia CO₂, dlatego też ponownie rozpatrywane są scenariusze budowy elektrowni jądrowej w Polsce.

Kryteria lokalizacji elektrowni jądrowej

Sytuacja niewydolnego górnictwa, do którego ciągle dopłacamy oraz wyczerpywanie się zasobów węgla, a także zanieczyszczenie środowiska naturalnego, jak również olbrzymie nakłady na ochronę środowiska w elektrowniach węglowych obecnie eksploatowanych, powodują zapytania o uzasadnianie budowy elektrowni jądrowej dla zaspokojenia wzrastającego zapotrzebowania energii i twardych wymagań UE.

Specyfika wykorzystywanego procesu dla uzyskania energii elektrycznej w elektrowni jądrowej wymaga bardzo dokładnego rozważenia jej lokalizacji, nie tylko ze względu na potrzeby systemu elektroenergetycznego, ale również ze względu na warunki bezpieczeństwa. Elektrownia jądrowa z reaktorami wodnymi ciśnieniowymi (PWR) wymaga rocznie nieznacznej ilości paliwa, dlatego jej lokalizacja w dużym stopniu jest niezależna od zakładu przygotowującego paliwo jądrowe. Przy rozważaniu jej lokalizacji powinny być spełnione następujące kryteria:

• bliskość odbiorców energii elektrycznej, jak również cieplnej,
• odpowiednia ilość wody technologicznej,
• zapewnienie strefy ochronnej, szczególnie w odniesieniu do dużych aglomeracji miejskich,
• dobre połączenia komunikacyjne,
• odpowiednia jakość gruntów oraz jego warunki własnościowe,
• uwzględnienie problemów ochrony środowiska naturalnego, krajobrazu,
• perspektywiczny rozwój terenu.

W rozpatrywanych scenariuszach są analizowane elektrownie jądrowe tylko w wykonaniu naziemnym, co oznaczało lokalizację wszystkich budynków i układów elektrowni jądrowej na powierzchni ziemi. W elektrowni jądrowej głównym i najważniejszym budynkiem jest budynek reaktora jądrowego, którego kubatura oraz ukształtowanie jest uzależnione od zastosowanego typu reaktora i rodzaju obudowy bezpieczeństwa.

Podstawowymi celami obudowy bezpieczeństwa są:

• zapobieganie oraz ograniczanie uwalniania się substancji promieniotwórczych do otoczenia podczas normalnej eksploatacji,
• przejmowanie obciążeń występujących w wypadku awarii i utraty chłodziwa,
• ochrona obiegu pierwotnego oraz układów pomocniczych ważnych dla bezpieczeństwa jądrowego przed oddziaływaniem czynników zewnętrznych.

W elektrowniach z reaktorami typu PWR 440 MW, jako obudowę bezpieczeństwa stosuje się ciśnieniowe pomieszczenie szczelne przedstawione na rys. 1, w którym obudowa gazoszczelna zawiera:

• komorę pętli chłodzenia rozmieszczoną wokół reaktora,
• szyb pokrywy reaktora, który przy przeładunkach paliwa służy jako basen przeładowczy,
• pomieszczenie ruchowe napędów głównych pomp obiegowych i zaworów odcinających,
• pomieszczenia urządzeń kondensacji wodnej służące do obniżenia ciśnienia w przypadku dużych przecieków w obiegu pierwotnym chłodzenia.

W elektrowniach wyposażonych w reaktory PWR o mocy 1000 MW, jako obudowę bezpieczeństwa stosuje się pełno ciśnieniową obudowę szczelną typu containment wykonaną z betonu wstępnie sprężonego.

Obudowa ta obejmuje wszystkie układy ciśnieniowe i przylegające pomieszczenia ruchowe wraz z halą reaktora (rys. 2). Obudowa wykonana jest z betonu wstępnie sprężonego i stanowi cylinder stalowo-betonowy o grubości ściany około 1,2 m. W ścianie obudowy wewnątrz betonu znajdują się kanały, w które wprowadzane są cięgna stalowe i naprężane po zabetonowaniu z siłą 10 000 kN. Wywołane przez cięgna naprężenie wstępne betonu przejmuje obciążenia wytworzone wskutek wewnętrznego ciśnienia w obudowie, jeżeli wystąpią duże wycieki chłodziwa.

Elektrownie jądrowe zajmują duże powierzchnie terenu, ale ich lokalizacja może być zrealizowana również jako obiekty podziemne.

Elektrownie jądrowe w wykonaniu podziemnym na świecie

Analizując możliwe lokalizacje elektrowni jądrowych na początku lat 60. uwzględniono również wariant budowy i eksploatacji tych obiektów pod ziemią, jako rozwiązania alternatywnego dla lokalizacji naziemnych. Lokalizacja elektrowni jądrowych pod ziemią pozwala zwiększyć bezpieczeństwo jej pracy, a w efekcie znacznie przybliżyć ją do odbiorców nie tylko energii elektrycznej, ale również do odbiorców energii cieplnej. Pod powierzchnią ziemi może być zlokalizowana cała elektrownia jądrowa lub tylko jej reaktor. Maszynownia i pozostałe pomieszczenia mogą znajdować się na powierzchni ziemi. Część podziemna elektrowni jądrowej może być umieszczona w:

• starych wyrobiskach,
• wyrobiskach kopalni odkrywkowych,
• wykopach,

następnie przykryta odpowiednią warstwą ziemi, w zależności od warunków geologicznych w analizowanym rejonie, a także od zaawansowania technologicznego samej elektrowni.

Elektrownia Halden

Pierwszą elektrownią jądrową, zlokalizowaną pod ziemią, jest elektrownia Halden, w Norwegii, która uruchomiona została w 1962 r. Zastosowano w niej eksperymentalny reaktor ciężkowodny o mocy cieplnej 20 MW. Komora podziemna o wymiarach 30x10x26 m jest wykuta w masywie skalnym o grubości 30-60 m. Ściany komory reaktora wyłożone są betonem zbrojonym stalą, a reaktor umieszczony w szybie znajdującym się w hali głównej. Dostęp do hali głównej jest możliwy poprzez tunel o długości 60 m, wyposażony w dwie pary hermetycznych drzwi wytrzymujących nadciśnienie 3 kG/cm². W hali głównej znajdują się urządzenia zraszające wodą ściany i podłogę w przypadku pojawienia się wycieków z obiegu technologicznego. W stronę sufitu komory skierowywana jest para. Dyspozytornia elektrowni zlokalizowana jest na powierzchni ziemi, a w odległości 1 km od elektrowni znajduje się osiedle, w którym mieszka 5 000 osób.

Elektrociepłownia Agest

W 1963 r. w Szwecji, 17 km od Sztokholmu, również zbudowano eksperymentalną podziemną elektrociepłownię Agest (rys. 3), wyposażoną w reaktor ciężkowodny wrzący, o mocy cieplnej 65 MW, elektrycznej 10 MW, wykorzystujący uran naturalny. Pierwszy obieg reaktora jest obiegiem radioaktywnym, gdzie moderatorem i nośnikiem ciepła jest ciężka woda (D₂O) cyrkulująca pod ciśnieniem. W drugim obiegu natomiast jest para napędzająca turbinę o mocy 10 MW. Po wykorzystaniu pary przez turbinę jest ona kierowana do wymiennika w trzecim obiegu, z którego ciepło jest dostarczane do miejskiej sieci ciepłowniczej. Reaktor wraz z pierwszym obiegiem, dla zapewnienia bezpieczeństwa, zlokalizowany jest w podziemnym wyrobisku o objętości 24 000 m³ i wymiarach 53,5x16,5x40 m w skale granitowej. Grubość ścian komory reaktora wynosi 20 m oraz od wewnątrz pokryte są one stalowymi blachami zapewniającymi doskonałą szczelność. Nad stropem komory jest warstwa skał grubości 15 m, a wejście do komory jest tunelem ze śluzami powietrznymi.

Elektrownia Siena-Chooz

Również we Francji, potentacie jeżeli chodzi o udział energetyki jądrowej w mocy zainstalowanej systemu elektroenergetycznego, w Ardenach, zbudowano podziemną elektrownię jądrową Siena-Chooz. Elektrownia ta wyposażona w reaktor (PWR) o mocy elektrycznej 275 MW zlokalizowana jest w dwóch podziemnych komorach. Komora reaktora jest o wymiarach 18,5x41x42,5 m, natomiast komora urządzeń pomocniczych - 15x48,8x41,9 m. Ściany obydwu komór wyłożone są również betonem i blachą stalową, natomiast turbogeneratory znajdują się w hali maszyn na powierzchni ziemi.

Elektrownia w Lucernie

Również w Szwajcarii, w Lucernie, uruchomiono eksperymentalną podziemną elektrownię jądrową. Elektrownia uruchomiona w 1968 r., o mocy cieplnej 30 MW, a elektrycznej - 8,5 MW, wyposażona była w reaktor chłodzony gazem. Reaktor zlokalizowany został w podziemnej komorze na końcu poziomego tunelu (rys. 5) Eksploatowana była do 1969 r., kiedy uszkodzeniu uległ rurociąg główny dostarczający parę pod wysokim ciśnieniem, co w następstwie spowodowało uszkodzenie części aktywnej reaktora. Przerwano jej eksploatację i zabezpieczono teren przed skażeniem.

Pierwsze doświadczenia

Pierwszy okres eksploatacji doświadczalnych elektrowni podziemnych potwierdza celowość realizacji takiej koncepcji, ale dotychczas nie stworzyły one podstaw do realizacji kompleksowej teorii budowania podziemnych elektrowni z reaktorami jądrowymi. Dalsze badania w tym zakresie realizowane były w dwu kierunkach:

• umieszczanie elektrowni jądrowej w specjalnie do tego celu wykonanym wykopie,
• umieszczenie elektrowni w wyrobiskach skalnych.

Do analiz przyjęty został wariant elektrowni wyposażonej w reaktor typu PWR o mocy elektrycznej 1300 MW i następujących opcjach:

• pełnego zagłębienia hali reaktora (rys. 6),
• częściowego zagłębienia hali reaktora (rys. 7).

Pozostałe wyposażenie technologiczne jak maszynownia, transformatory, stacje pomp zlokalizowane zostały na powierzchni ziemi.

Dążąc w kierunku maksymalnego i bezpiecznego skonstruowania i lokalizacji podziemnej elektrowni jądrowej, w której może zdarzyć się nawet najbardziej prawdopodobna awaria, czyli rozerwanie korpusu reaktora i nie spowoduje wycieku substancji radioaktywnych, uwzględniono otoczenie korpusu reaktora sferycznym zbiornikiem wykonanym z żelazobetonu zawierającym wodę z dodatkiem boru. Przestrzeń pomiędzy ścianą wykopu, a sferycznym zbiornikiem wypełnia węgiel aktywowany wraz z suchym cementem, których funkcjami jest zatrzymanie radioaktywnych gazów i substancji ciekłych.

Dostęp do niższych części reaktora z powierzchni możliwy jest dzięki windom zaopatrzonym w klapy bezpieczeństwa, które zamykają się w czasie 40 ms.

Drugim kierunkiem jest lokalizacja elektrowni w wyrobiskach skalnych na dużej głębokości, gdzie rozpatrywany był wariant elektrowni jądrowej o mocy 2000 MW, wyposażonej w 2 reaktory PWR o mocy 1000 MW każdy. Elementy układu technologicznego umieszczone zostały na powierzchni ziemi, natomiast turbiny na głębokości 46 m, sam reaktor z częścią radioaktywną znajduje się na głębokości 137 m. Dla zrealizowania tej koncepcji konieczne jest dysponowanie dla lokalizacji reaktorów wyrobiskiem o kubaturze 230 000 m³, a dla hali turbogeneratorów 770 000 m³, szyby komunikacyjne i sztolnie to jeszcze 38 000 m³ wyrobisk. Grubość skał otaczających komorę, w której zlokalizowane zostałyby reaktory to 24 m, po uprzednim również wybetonowaniu powierzchni skały oraz realizacją odpowiedniej osłony żelazobetonowej w odniesieniu do śluzy komunikacyjnej.

Podziemna elektrownia jądrowa w Polsce

Po przedstawianiu tych koncepcji należy zadać pytanie: czy jest to możliwe do realizacji w warunkach polskich? Czy korzystniejsza byłaby tylko realizacja elektrowni w wykonaniu naziemnym i powielenie rozwiązań stosowanych w innych krajach?

Otóż w Polsce istnieją doskonałe warunki dla lokalizacji podziemnej takich obiektów nie uwzględniając oczywiście lokalizacji tych obiektów w zamykanych obecnie kopalniach węgla kamiennego. W Polsce są wyrobiska odkrywkowych kopalni węgla brunatnego, siarki oraz kamieniołomów. Bardzo dobrym miejscem na lokalizację podziemnej elektrowni są wyrobiska granitu znajdujące się w okolicach Strzelina. Tutaj znajduje się największe w Polsce wyrobisko kamieniołomu granitu o szerokości 600 m, długości 1 100 m i głębokości 120 m [4]. W jego sąsiedztwie jest  również wiele innych wyrobisk o mniejszych gabarytach i głębokościach, od 20 do 60 m. Bardzo korzystnym czynnikiem jest materiał, jaki stanowią ściany, czyli masywna zwięzła i nieprzepuszczalna skała. Zbiornikiem wody technologicznej z powodzeniem może zostać wyrobisko zawierające 79,2 mln m³ wody, dla odbioru ciepła ze skraplaczy turbin. Pośredni obieg chłodzący w tym typie elektrowni jądrowej jest obiegiem zamkniętym, służącym do odebrania ciepła od urządzeń obiegów: pierwotnego, wtórnego, silników, generatorów i obiegów pomocniczych. Jeżeli analizowana elektrownia jądrowa wyposażona by była w reaktory PWR lub podobne o mocy około 440 MW, a więc takie których sprawność dochodzi do 36%. W przyjętym wariancie przy założeniu podwyższenia temperatury o 10^oC całkowity wymagany przepływ wody chłodzącej wyniesie około 2010 m³/h.

Ponieważ istnieje niebezpieczeństwo przenikania produktów promieniowania z elektrowni jądrowej do otoczenia drogą wodną, dlatego też ciśnienie wody technologicznej powinno być wyższe od ciśnienia wody w obiegu pośrednim. Lokalizując umieszczenie hali reaktora w wyrobisku należy jednak umieścić je na głębokości co najmniej 60 m. Pozwoli to na wkomponowanie elektrowni w krajobraz oraz ograniczy ilość materiału koniecznego do przykrycia pomieszczeń hali reaktora (rys. 8).

Minimalna grubość nasypu nie powinna być mniejsza od 13 m [8], a jako materiał do wykonania nadsypu można wykorzystać zwietrzelinę granitową i ziemię usuniętą z wyrobiska. Nad budynkiem dodatkowo można umieścić płytę żelbetonową, która w połączeniu z warstwą ziemi w bardzo dużym stopniu osłabia uderzenia powstałe w wyniku upadku samolotu lub pocisku. Podstawowym przeznaczeniem nasypu ziemnego jest jednak ochrona otoczenia elektrowni przed skutkami jej awarii połączonej z emisją substancji radioaktywnych do otoczenia.

Jeżeli natomiast podziemna elektrownia jądrowa wyposażona będzie w reaktory PWR o mocy 1300 MW, gabaryty hali reaktora pod ziemią powinny wynosić 75x100x66 m, a hala w której znajdować się będą turbiny na powierzchni ziemi lub pod nią, będzie mieć wymiary 60x220x45 m. Nastawnia, pomieszczenia socjalne oraz pomocnicze i administracyjne mogą być zlokalizowane na powierzchni ziemi.

Eksploatacja podziemnej elektrowni wymaga odprowadzania dużych ilości ciepła z pomieszczeń eksploatacyjnych: hali reaktora, maszyn, wytwornic pary, pomp cyrkulacyjnych, celem zapewnienia odpowiednich warunków pracy,

Pierwszym  rozwiązaniem jest odprowadzanie ciepła za pomocą krotności wymian powietrza. Konieczne jest jednak zrealizowanie szybów wentylacyjnych o bardzo dużych przekrojach, nawet do 70 m², o wydatkach 2-6x10⁶ m³/h. Drugą metodą jest odprowadzenie ciepła za pomocą systemu chłodzonego wodą, czyli  zastosowanie sorbcyjnych pomp ciepła  instalacjami wody lodowej przy minimalnej krotności wymian powietrza systemem wentylacji.

Przy analizie kosztów dodatkowych, przy realizacji elektrowni jądrowej w wykonaniu podziemnym, obliczono, że taka lokalizacja powoduje wzrost nakładów inwestycyjnych o około 20% [8].

Należy jeszcze poruszyć problem bardzo ważny, a dotyczący mniejszego zagrożenia zdrowia ludzi od funkcjonowania elektrowni jądrowych [6]. Wyprodukowanie ilości energii elektrycznej rocznie przez elektrownię jądrową, powoduje 200 razy mniejszą ilość zgonów ludności, aniżeli wyprodukowanie tej samej ilości energii w elektrowni cieplnej węglowej. Nakłady na ochronę zdrowia mieszkańców również są niewspółmiernie wyższe na terenach z energetyką opartą na węglu niż z energetyką jądrową (rys .10). Czynnikiem jaki jeszcze powinien wpływać na rozwój energetyki jądrowej są średnie szkody dla zdrowia i tylko w odniesieniu do liczby zgonów, która zgodnie z [2] jest jak na rys. 9.

Porównując tylko planowaną do zamknięcia w Niemczech elektrownię jądrową Barsebaeck,  która może spowodować przy normalnej eksploatacji 2-10 zgonów rocznie, to zastępcza elektrownia opalana węglem spowoduje zgony 200 osób rocznie przy zastosowaniu metody ocen ExternE.

Wnioski

Lokalizacja elektrowni jądrowej pod ziemią ma wiele zalet, takich jak:

• zmniejszenie objętości prac betonowych,
• zmniejszenie terenów przejmowanych z użytkowania rolnego,
• ochrona środowiska,
• dobra izolacja od wód gruntowych i niezależność od warunków pogodowych,
• zmniejszenie rozmiarów remontów bieżących i wydatków eksploatacyjnych.

Lokalizacja taka ma również wady:

• wydłużenie terminu realizacji,
• zwiększenie wymagań w stosunku do personelu budowlanego i eksploatacyjnego.

Literatura:

[1] Celiński Z., Strupczewski A. „Podstawy energetyki jądrowej”. Warszawa WNT 1984.
[2] Economic analysis of varius options of electricity generation – taking into account health and environmental effects, Nils Starfeld. Swedish academy of Technical Scientes, Carl-Eric Wikdahl, Energiforum AB., Stockholm.
[3] Juchniewicz A. „Nowe kierunki rozwoju szczytowo-pompowych elektrowni wodnych w Polsce”. „Gospodarka wodna”1983/2.
[4] Makowiecki W. „Elektrownia jądrowa z reaktorami PWR 1000 MW” . Część reaktorowa budowlana . BSiPTJ. Proatom. 1970.
[5] Król M. „Analiza wariantów budowy elektrowni jądrowych”. Praca dyplomowa. Politechnika Lubelska, Lublin 1988
[6] Lech  M. „Kierunki rozwoju elektrowni jądrowych”. Wrocław 1997.
[7] Praca Zbiorowa „Energetyka jądrowa a środowisko”. Warszawa 1970.
[8] Stiepanov J.R. „Atomnaja tieplofikacja w rajonach Sievera”. Leningrad. Nauka. 1984.
[9] Strupczewski A. „Analiza korzyści i zagrożeń związanych z różnymi źródłami energii elektrycznej”. Warszawa 1999.
[10] Survey of Energy Resurces, WEC 1998.
[11] Toward  a National Energy Strategy, U.S.A. Energy Association, February 2001.
[12] J. Soliński. G Doucet „Energetyka jądrowa nieunikniona opcja bezpieczeństwa energetycznego Polski w perspektywie do 2030 r.”Biuletyn Urzędu Regulacji Energetyki – listopad 2008.
[13] G Jezierski ENERGETYKA JĄDROWA. CZY I DLACZEGO POWINNO SIĘ JĄ STOSOWAĆ. „Energetyka Cieplna i Zawodowa” – nr 9/2009.
[14] Tarjanne R., Luostarinen K.: World Nuclear Association, Nuclear Power in Finland, 2/2009.