Analiza parametrów technicznych podstawowych urządzeń i konstrukcji elektrowni jądrowej w aspekcie możliwości wytwarzania ich przez przemysł krajowy

Analiza parametrów technicznych podstawowych urządzeń i konstrukcji elektrowni jądrowej w aspekcie możliwości wytwarzania ich przez przemysł krajowy
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

Przeprowadzono analizę parametrów konstrukcyjnych podstawowych spawanych urządzeń i konstrukcji stalowych elektrowni jądrowej w aspekcie możliwości wykonania ich przez rodzime zakłady przemysłowe. Stwierdzono, że niezależnie od dostawcy technologii jądrowej wiele podstawowych urządzeń lub modułów konstrukcyjnych waży powyżej 500 ton, co w przypadku firm krajowych znacząco utrudnia zarówno ich produkcję, jak i transport.

Wprowadzenie

Planowana budowa i uruchomienie pierwszej elektrowni jądrowej w Polsce w sposób oczywisty wywołuje szereg pytań dotyczących bezpieczeństwa, ekologii, ale również korzyści ekonomicznych dla gospodarki krajowej, w tym wynikających z udziału rodzimego przemysłu w wytwarzaniu poszczególnych urządzeń i konstrukcji. Na przestrzeni ostatnich kilku lat w artykułach prasowych oraz przy okazji różnego rodzaju spotkań, debat i konferencji ukazują się opinię zarówno ekspertów, jak i potencjalnych dostawców technologii jądrowych, które szacują udział polskiego przemysłu w budowie pierwszej elektrowni jądrowej w przedziale od 15 do 70 %, wskazując na wartość 50 % jako najbardziej realną do osiągnięcia. Wartość minimalna i maksymalna znacząco różnią się między sobą, co z pewnością wiąże się ze złożonością zagadnienia oraz brakiem na dzień dzisiejszy jasności w wielu kwestiach, w tym dotyczącej dostawcy technologii jądrowej. Jest to o tyle istotne dla rodzimego przemysłu, o ile każdy z potencjalnych dostawców technologii jądrowych ma nieco inną koncepcje budowy łańcucha dostaw (supply chain) oraz własną listę dostawców poszczególnych urządzeń i usług, która na szczęście nie jest zamknięta i może się zmieniać w zależności miejsca (kraju) budowy elektrowni jądrowej, co stwarza określone szanse dla lokalnych firm i usługodawców.

Poniżej przedstawiono analizę parametrów konstrukcyjno-technicznych podstawowych spawanych urządzeń i konstrukcji elektrowni jądrowej w aspekcie możliwości wykonania ich przez rodzimy przemysł. Pod uwagę wzięto urządzenia i elementy konstrukcyjne trzech najbardziej prawdopodobnych dostawców technologii jądrowej: AREVA, GE Hitachi oraz Westinghouse, jak również ich potencjalnych partnerów w części konwencjonalnej: ASTOM i SIEMENS.

Budowa elektrowni jądrowej

W odróżnieniu od elektrowni konwencjonalnej, elektrownia jądrowa składa się z dwóch części: jądrowej i konwencjonalnej, które w publikacjach technicznych są często określane jako wyspy - wyspa jądrowa (nuclear island) i wyspa turbinowa lub konwencjonalna (turbine or conventional island). W publikacjach można również spotkać ponadto określenie "obieg" - obieg pierwszy (jądrowy) i obieg drugi (konwencjonalny), a czasem obieg trzeci (układ chłodzenia w ramach zespołu turbinowego). Na rys. 1, 2 oraz 3 przedstawiono schematy elektrowni jądrowych trzech najpoważniejszych potencjalnych dostawców technologii: AREVA, GE Hitachi oraz Westinghouse, których jednym z najważniejszych elementów bez wątpienia jest reaktor jądrowy odpowiednio: EPRTM, ABWR i AP1000. W przypadku EPRTM (tłumaczony w Europie jako European Pressurized Reactor, a na świecie Evolutionary Power Reactor) i AP1000 są to reaktory wodne ciśnieniowe typu PWR (Pressurized Water Reactor).

Z kolei reaktor ABWR (Advanced Boiling Water Reactor) jest reaktorem wodnym wrzącym typu BWR (Boiling Water Reactor).

Różne typy reaktorów warunkują różny zestaw oraz ilość urządzeń elektrowni jądrowej lub długość (w przypadku rurociągów technologicznych), szczególnie w jej części jądrowej (rys.

4÷6). Wyspa turbinowa z reguły składa się z urządzeń o podobnym przeznaczeniu. Różnice występują tylko w pewnych rozwiązaniach konstrukcyjnych, wydajności lub ilości niektórych jednostek, co jest uzależnione od producenta lub dostawcy zespołu turbinowego. W tabl. 1 zestawiono podstawowe urządzenia i układy elektrowni z reaktorami typu PWR i BWR, podczas wytwarzani których spawanie jest jednym z głównych procesów technologicznych.

Jak wynika z przedstawionych na rys. 4÷6 schematów, reaktor ABWR posiada otwarty obieg jądrowy, a zatem nie ma w swoim składzie wytwornic pary i stabilizatora ciśnienia, jak reaktory typu PWR (EPRTM oraz AP1000). Fakt ten przyczynia się do obniżenia kosztów wytwarzania tej części elektrowni jądrowej oraz znacząco upraszcza proces produkcyjny, jednakże otwarty charakter obiegu wpływa na skażenie wszystkich urządzeń biorących udział w cyrkulacji czynnika roboczego, co utrudnia ich eksploatacji i remonty [7].

Reaktor

Analiza podstawowych parametrów konstrukcyjno-technicznych reaktorów EPRTM, ABWR i AP1000 wskazuje (tabl. 2), że wszystkie reaktory są zbiornikami ciśnieniowymi o dużej masie. Najcięższym z ww. wymieniowych jest reaktor ABWR (rys. 7), którego masa całkowita wynosi 900 ton. Z kolei masa reaktorów EPRTM (rys. 8) i AP1000 (rys. 9) bez głowicy kształtuje się na poziomie 350÷400 ton. Proces wytwarzania dwóch ostatnich typów reaktorów polega na łączeniu za pomocą metod spawalniczych kilku kutych pierścieni oraz dennicy ze stali węglowej, których maksymalna grubość sięga 250 mm. Spawanie elementów grubościennych zawsze jest czynnością skomplikowaną, a w przypadku reaktora jądrowego dodatkowo bardzo odpowiedzialną. Proces wytwarzania jest ponadto bardzo długotrwały, ponieważ od złożenia zamówienia na wykonanie odpowiednich odkuwek do momentu wyjechania gotowego reaktora z zakładu upływa zazwyczaj 4-5 lat. Oprócz procesów spawania, bardzo ważnym jest również proces napawania łukowego (platerowania) wewnętrznej powierzchni reaktora z zastosowaniem spoiw ze stali nierdzewnej.

W przypadku reaktora ABWR kutych elementów jest mniej i są one nieco cieńsze (do 190 mm), ale proces wytwarzania nie staje się w związku z tym mniej skomplikowany i odpowiedzialny.

Wytwornica pary

Wytwornica pary jest stosowana tylko w reaktorach typu PWR (rys. 10). W zależności od dostawcy technologii jądrowej, wytwornic może być cztery (EPRTM) lub dwie (AP1000).

Podstawowe parametry konstrukcyjno-techniczne wytwornic przedstawiono w tabl. 3, z której wynika, że urządzenia te, podobnie jak w przypadku reaktora, są ciężkimi grubościennymi zbiornikami ciśnieniowymi, których waga wynosi od ok. 500 do nawet 730 ton. Jednym z ważniejszych elementów konstrukcyjnych wytwornic pary są rurki ze stopu niklu, których duża ilość ma na celu zapewnienie maksymalnie możliwej powierzchni wymiany ciepła oraz długotrwałą i niezawodną pracę (co najmniej kilkadziesiąt lat). Jakość wykonania tych rurek jest zatem nadzwyczaj istotną kwestią, a o stopniu skomplikowania zagadnienia i poziomu odpowiedzialności może świadczyć fakt, iż na całym świecie tylko kilka zakładów produkuje rurki przeznaczone do produkcji jądrowych wytwornic pary.

Pozostałe urządzenia i rurociągi w wyspy jądrowej

Do pozostałych podstawowych urządzeń i głównych elementów w części jądrowej elektrowni z reaktorem typu PWR zalicza się: stabilizator ciśnienia (rys. 11), pompę główną układu chłodzenia reaktora (rys. 12) oraz główne rurociągi łączące reaktor z wytwornicą pary (rys. 4 i 5). W przypadku reaktora ABWR są to natomiast pompy recyrkulacyjne, których ilość wynosi 10 (rys. 13).

Stabilizator ciśnienia reaktora EPRTM jest zbiornikiem ciśnieniowym o masie 150 ton i wysokości ok. 14,5 m (rys. 11), którego korpus wykonano ze stali 18 MND 5. Z kolei stabilizator ciśnienia reaktora AP1000 waży 115 ton.

Pompa układu chłodzenia reaktorów PWR jest jednym z najbardziej odpowiedzialnych elementów obiegu jądrowego. Osobliwością jej konstrukcji jest korpus będący elementem odlewano-kutym, którego wykonanie wymaga m.in. posiadania pras o odpowiedniej mocy, specjalnych urządzeń oraz obszernej wiedzy i dużego doświadczenia. Pompa w układzie chłodzenia reaktora EPRTM waży 112 ton i ma wysokość 9,3 m. Z kolei odlew korpusu tego typu pompy w układzie chłodzenia reaktora AP1000 waży 16 ton. Pompy są montowane w każdej pętli pomiędzy reaktorem a wytwornicą pary (rys. 4 i 5).

Główne rurociągi reaktorów typu PWR, podobnie jak pierścienie korpusu reaktora, są elementami kutymi wykonanymi ze stali nierdzewnej (np. Z2 CN 19-10 w przypadku EPRTM) o średnicy od 560 do 976 mm i grubości ścianki od 69 do 96 mm w zależności od typu reaktora i przeznaczenia rurociągu. Trzy ramienia rurociągów reaktora EPRTM (one cold leg, one hot leg oraz one cross-over leg) ważą nieco poniżej 40 ton, a gorące ramie rurociągu (hot leg) ma długość około 30 m i składa się z 7 sekcji scalonych ze sobą za pomocą technologii spawania.

Podstawowe urządzenia i rurociągi w wyspy turbinowej

Podstawowym elementem wyspy turbinowej jest oczywiście turbina, której głównymi dostawcami w Europie i nie tylko, są firmy Alstom i Siemens. Siemens oferuję dostawę turbiny STT-9000 o mocy 1720 MW składająca się z jednej sekcji wysokoprężnej (HP Turbine) i trzech niskoprężnych (LP Turbine) o łącznej długości 68,8 m i maksymalnej średnicy wirnika z łopatkami 6720 mm oraz o następującej wadze poszczególnych elementów: HP Rotor = 92,5 ton, HP Turbine = 378,8 ton, LP Rotor (1) = 340 ton oraz LP Turbine (1) = 1268 ton [11]. W skład zespołu turbinowego wchodzi ponadto 6 skraplaczy o wadze ok. 250 ton każdy (rys. 14). Istotnym elementem skraplaczy są rurki, które z uwagi na szczególnie ciężkie warunki pracy są co raz częściej wykonywane z tytanu (w zamian stali nierdzewnej lub stopu miedzi z niklem), a których spawanie wymaga szczególnej dbałości i przestrzegania ustalonych zaleceń technologicznych. W tym miejscu należy nadmienić, iż w tym obszarze przemysł rodzimy ma spore doświadczenie i możliwości wykonawcze.

Z kolei Alstom oferuje turbinę ARABELLETM o mocy 1750 MW [12], której wirnik waży tylko 120 ton. Turbina ta jest krótsza i lżejsza niż turbiny poprzedniej generacji dla elektrowni jądrowych, co nie oznacza, że proces jej produkcji jest łatwiejszy.

Oprócz turbiny i skraplaczy, w skład wyspy turbinowej wchodzą różnego rodzaju i wielkości wymienniki ciepła, separatory, demineralizatory, rurociągi technologiczne wraz z zaworami, pompami i mocowaniami (piping, valvs, pumps and support piping), jak również układy filtrowentylacyjne i chłodzące (Heating, Ventilation and Air-Conditioning (HVAC) Systems).

Podsumowanie

Z przedstawionej powyżej bardzo krótkiej analizy parametrów konstrukcyjno-technicznych podstawowych urządzeń spawanych elektrowni jądrowej wynika, że krajowe firmy w chwili obecnej nie są w stanie lub posiadają bardzo ograniczone możliwości techniczno-sprzętowe do wytwarzania takich elementów elektrowni jak: reaktor, generator pary, główne pompy i rurociągi, turbina. Powodów jest kilka, nawet pomijając kwestie najważniejszą, którą jest odpowiedzialność dostawcy technologii jądrowej w zakresie poprawności i niezawodności działania obiegu jądrowego, co w praktyce oznacza, że wszystkie lub prawie wszystkie najważniejsze elementy tego układu są wytwarzanie przez dostawce technologii jądrowej.

Pierwszy z powodów to duża masa wymienionych wyżej urządzeń (od 350 do 900 ton), która wymaga posiadania przez zakłady suwnic w halach i miejscach załadunku o udźwigu co najmniej 500 ton. Kolejny powód to brak w kraju producenta odkuwek do wytwarzania jądrowych zbiorników ciśnieniowych oraz korpusów pomp. Wielkość elementów turbiny są również ciężkie, wielkogabarytowe i zaawansowane technicznie, do których wytwarzania konieczne jest posiadanie odpowiednich urządzeń i technologii. Na dodatek jako potencjalni dostawcy urządzeń lub usług, przedsiębiorstwa krajowe, poza nielicznymi wyjątkami, nie mają praktycznych doświadczeń w zakresie projektowania i wytwarzania wielu urządzeń i konstrukcji dla elektrownia jądrowych oraz nie posiadają odpowiednich systemów zarządzania systemami jakości w branży jądrowej.

Podczas budowy elektrowni z reaktorami ABWR oraz AP1000 stosuje się ponadto system modułowy, polegający na budowie w warunkach warsztatowych (ewentualnie na placu budowy lub w pobliżu na specjalnie wyposażonych i uzbrojonych placach) poszczególnych komponentów elektrowni i dostarczeniu ich na plac budowy w całości lub częściach o sporej wielkości i wadze. Masa tych modułów nie rzadko przekracza 500 ton.

W przypadku reaktora AP1000, na przykład, dolny fragment obudowy bezpieczeństwa (containment vessel bottom head) waży ok. 700 ton, a górny (containment vessel top head) około 655 ton i ma średnice około 40 m i wysokość 11,5 m. Ogólnie na plac budowy ww.

elektrowni dostarcza się 25 modułów z urządzeniami mechanicznymi i rurociągami oraz 145 modułów strukturalnych, w tym konstrukcji stalowych ścian (Wall Module), niektóre z których ważą ponad 700 ton.

W przypadku budowy elektrowni jądrowej z reaktorem ABWR, masa poszczególnych modułów również jest podobna: Upper drywell - 650 ton, Central mat module - 460 ton, Top slab - 550 ton, RCCV Lower liner - 630 ton, Condenser upper body block - 270 ton, Condenser lower body block - 260 ton, Moisture separator re-heater - 360 ton itd. [13] Transport tak ciężkich i wielkogabarytowych urządzeń i konstrukcji jest w większości przypadków możliwy tylko drogą wodną (rzeka, kanał lub morze), a zatem proces wytwarzania musi odbywać się w zakładach posiadających dostęp do odpowiedniej infrastruktury portowej (załadunek/rozładunek).

Z powyższego wynika, że z uwagi bardzo ograniczone możliwości techniczne w zakresie wytwarzania ww. wielkogabarytowych urządzeń, konstrukcji i modułów elektrowni jądrowych, krajowe przedsiębiorstwa z branży metalowej w chwili obecnej byłyby w stanie wykonać tylko niektóre konstrukcje stalowe lub ich elementy, jak również tylko niektóre zbiorniki ciśnieniowe i magazynowe oraz wymienniki ciepła o niedużej i średnie masie (w zależności od typu elektrowni ich sumaryczna ilość może dochodzić nawet do 100) oraz niektóre rodzaje pomp i zaworów, których ogólna ilość w obydwu częściach elektrowni jądrowej może przekraczać 5 tysięcy i sięgać nawet 12 tys. W zakresie możliwości wykonawczych są ponadto elementy układów filtrowentylacyjnych i ich montaż, jak również prefabrykację i montaż (w tym spawanie) większości rurociągów (piping and suport piping), których ogólna długość w elektrowni jądrowej szacowana jest na od 150 do 200 km, w tym ponad połowa ze stali nierdzewnych. Należy jednak pamiętać, iż "możliwość wykonania" nie oznacza "wykonanie". W tym celu przedsiębiorstwa krajowe powinny spełnić warunki formalne, w tym znaleźć się na liście kwalifikowanych dostawców odpowiedniego dostawcy technologii jądrowej lub konwencjonalnej, czego podstawą jest m.in. doświadczenie w produkcji urządzeń o podobnym przeznaczeniu i obszarze stosowania, jak również posiadanie odpowiedniego dla branży jądrowej systemu zarządzania jakością oraz przeszkolonej kadry o odpowiednich kompetencjach.

Literatura

1. Nuclear Power Plant Unit Olkiluoto 3. TVO, 2010.
2. www.geenergy.com/products_and_services/products/nuclear_power_plants/ABWR_Nuclear_Pow er_Plant.jsp
3. http://www.ap1000.westinghousenuclear.com/ap1000_glance.html
4. www.tvo.fi
5. Gaio P. AP1000: The PWR Revisited. IAEA International Conference on Opportunities and Challenges for Water Cooled Reactors in the 21st Century, 27 October 2009.
6. Advanced Boiling Water Reactor. The only generation III+ Reactor in Operation today. Hitachi-GE Nuclear Energy, Ltd., Catalog No.: 83Z-Z1-0022 R0, 2013.
7. Zarzycki M. Jądrowe reaktory energetyczne - budowa, zasada działania, eksploatacja. Fundacja Forum Atomowe.
8. http://i924.photobucket.com_albums_ad81_rdbrewer_rpv800.jpg
9. www.epr-reactor.co.uk
10. www.china.org.cn_business_2012-01_15_content_24410509.htm 11. Siemens. The Turbine Island for Nuclear Power Plants. Warszawa, 1-2 czerwca 2006.
12. ARABELLETM Steam Turbine for Nuclear Power Plant. ALSTOM 2012.
13. http://www.hitachi-hgne.co.jp/en/business/plant_construction/time/module/index.html
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

SŁOWA KLUCZOWE I ALERTY

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Analiza parametrów technicznych podstawowych urządzeń i konstrukcji elektrowni jądrowej w aspekcie możliwości wytwarzania ich przez przemysł krajowy

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!