Teljesítménynövelés

1. Bevezető

A paksi atomerőmű négy, VVER-440 típusú blokkját 1982-87 között helyezték üzembe. 1994-re az erőmű elvégezte a blokkok biztonságának teljes újraértékelését. Az 1996-2002 között végrehajtott biztonságnövelő intézkedések (BNI) program eredményeként a paksi blokkok biztonsági színvonala megegyezik a hasonló korú nyugati atomerőművek biztonsági színvonalával. Az eredeti 440 MW villamos teljesítmény a turbina átalakítás, a szekunder köri rekonstrukció révén, a hatásfoknövelésnek köszönhetően fokozatosan 470 MW lett. A további hatékonyságnövelés a reaktor hőteljesítményének emelésével lehetséges, amit a nemzetközi tapasztalatok is megvalósíthatónak mutattak. A körültekintő megalapozó munka és a sokrétű átalakítások révén az atomerőmű négy blokkjának névleges teljesítménye 2009-től 500 MW.

2. A teljesítménynövelés alapja

Az utóbbi években jelentősen fejlődött a nukleáris technológia, pontosabbak lettek ismereteink az alábbiakról:

• a szerkezeti anyagok viselkedése, a komponensekre ható tényezők integrális hatásai;
• a tranziensek során a berendezéseket érő igénybevételek, a számítások bizonytalanságai;
• megbízhatóbb ellenőrzési, vizsgálati módszerek,
• a nukleáris üzemanyag, az aktív zóna termohidraulikája;
• az üzemanyag hasznosítás;
• új technológiai eljárások az energetikai gépgyártás terén.

Az Egyesült Államokban 2007 végéig 125 blokkon 6010 MW-tal bővítették az atomerőművek kapacitását 0,4-17,8 % közötti mértékben. Az új energiaprogram szerint 2011-ig további 26 blokk majdnem 1380 MW-os „bővítése” várható.
A finn Loviisai Atomerőműben a két paksihoz hasonló típusú VVER-440/213-as blokk teljesítménye 510 MW.
Oroszországban a vonatkozó program alapján a teljesítmény növelésére készülnek az atomerőművek, amelynek mértéke 4-7 %.
Spanyolországban 1990-2002 között 578 MW-tal (6,1 %-kal) – egy kisebb erőmű teljesítményével – nőtt a beépített nukleáris termelő kapacitás új blokk építése nélkül.
A szlovákiai Bohunicei Atomerőmű a 3-4. blokk 7 %-os teljesítménynövelését tervezik. A modernizációs munkák folyamatban vannak, az új üzemanyag bevezetése elkezdődött. A két blokk 2010-től már 490 MW-on üzemel.

3. Korábbi paksi eredmények

1994-ben az úgynevezett AGNES projekt keretében az erőmű elvégezte a blokkok biztonságának teljes, átfogó újraértékelését. A végrehajtott biztonságnövelő intézkedési program 1996-2002 között mintegy 60 milliárd forintba került. A BNI intézkedéssorozat eredményeként a paksi blokkok biztonsági színvonala megegyezik a hasonló korú, nyugati nyomottvizes atomerőművek (PWR) biztonsági színvonalával, amit a Nyugat-európai Nukleáris Hatóságok Szövetsége (WENRA) 2001. évi jelentésében is elismert.
A 2002-ben megkezdett teljesítménynövelési programot megelőzően a szekunderkör hatásfokának javítására törekedtünk. Az atomerőmű nyolc turbinájára kiterjedt modernizálási program befejeztével blokkjaink névleges villamos teljesítménye a korábbi 440 MW‑ról 470 MW‑ra módosult. Ezzel az eredetihez képest több mint 4 %-kal nőtt a blokkok villamos teljesítménye a reaktorok változatlan hőteljesítménye mellett, és csökkent a környezetet érő hőterhelés.

4. A teljesítménynövelési program

A teljesítménynövelés (TN) megvalósíthatósági tanulmányát 2001 novemberére készült el. A tanulmány áttekintette a lehetséges megoldásokat, azok hatását az erőmű rendszereire. Legfontosabb megállapításai:

• Lehetséges a reaktorok hőteljesítményének 8 %-os növelése a biztonsági korlátok betartása mellett.
• Jelentős teljesítménynövelés csak korszerűsített, új típusú üzemanyaggal érhető el.
• A szekunderköri rendszerek képesek a megnövekedő forgalmak kezelésére, megfelelő turbina átalakítás után.

2002 októberére elkészült a TN koncepciója. Az Igazgatóság és a Közgyűlés által az alapján jóváhagyott projekttervben rögzítésre került: cél a reaktor hőteljesítményének 1375 MW-ról 1485 MW-ra történő növelése, és ezzel legalább 500 MW villamos teljesítmény elérése. A projekttervben megtörtént a szükséges átalakítások véglegesítése, a megvalósítási ütemterv kidolgozása. A TN megvalósítását a következő elvek betartása mellett kell elvégezni:

• a biztonsági kritériumok nem változhatnak;
• a TN nem befolyásolhatja kedvezőtlenül az erőmű élettartamát;
• nem lehet negatív hatás a rendszerelemek meghibásodására, karbantartására;
• a befektetéseknek még az eredetileg tervezett üzemidő lejártáig meg kell térülni.

A 8 % reaktor hőteljesítmény-növelés a primerköri hőhordozó kb. 5 °C-os felmelegedését jelenti, ami alapvetően az alábbi forrásokból érhető el:

• primerköri nyomásszabályozás javítása;
• zónaellenőrző rendszer rekonstrukciója;
• módosított, új típusú üzemanyag bevezetése.

Az atomerőmű biztonságos üzemeltetése érdekében a műszaki paraméterek folyamatos ellenőrzése, mérése folyik. A mérési pontosság növelése felhasználható a teljesítménynöveléshez.

5. Biztonsági elemzések

A névleges teljesítmény 108 %-ra történő növelése következtében az összes, a Végleges Biztonsági Jelentésben (VBJ) szereplő biztonsági elemzést meg kellett ismételni, annak igazolására, hogy az erőmű tervezett üzemzavari állapotaiban az új teljesítményhez tartozó értékek is kielégítik a biztonsági korlátokat.
A tranziens-elemzések teljes körűen elvégzésre kerültek konzervatívan 108+4 %-os teljesítményre, figyelembe véve a szükséges technológiai átalakításokat is.
A tervezési üzemzavarok elemzése során elvégezték a reaktor védelmi rendszer (RVR) és a zóna üzemzavari hűtőrendszer (ZÜHR) jeleinek és beállítási értékeinek ellenőrzését. Az elemzések alapján a ZÜHR jeleket nem kellett módosítani, az RVR jelek néhány módosítása szükséges az új teljesítményszintnek megfelelően.
Az elemzések eredményei egyértelműen igazolták, hogy sem a korlátok túllépése, sem a korlátokig rendelkezésre álló tartalék jelentős mértékű csökkenése nem várható, tehát a teljesítménynövelés semmiképpen sem vezet az elfogadási kritériumok megsértéséhez.
A tervezett teljesítménynövelés biztonságra gyakorolt hatása a determinisztikus számításokon kívül a valószínűségi biztonsági elemzés (PSA) módszerével számszerűleg is értékelésre került. A 108 %‑os állapotban a blokk névleges teljesítményű üzemére vonatkozó zónasérülési gyakoriság (CDF) elhanyagolható mértékű (1,4 %) növekedést mutat a teljesítménynövelést nem tartalmazó, referencia PSA eredményhez képest.

6. Engedélyezés

A projekt megvalósítása, az átalakítások végrehajtása a jogszabályok és Nukleáris Biztonsági Szabályzatokban (NBSZ) szigorúan szabályozott engedélyezés lefolytatása után lehetséges. A magyar gyakorlatban hasonló komplex átalakítás engedélyezése még nem volt. Az eljárásban szakhatóságként részt vett az ÁNTSZ Országos Tisztiorvosi Hivatala és az Alsó-Duna-Völgyi Környezetvédelmi, Természetvédelmi és Vízügyi Felügyelőség is. Az erőmű a hatóságokkal konzultálva alakította ki az engedélyezés menetére vonatkozó többlépcsős engedélyezési koncepciót:
– 1-4. blokkra szóló létesítmény szintű elvi átalakítási engedély;
– az érintett blokkok egyedi TN átalakítási engedélye;
– szakhatósági – környezetvédelmi, vízügyi stb. – engedélyezés;
– a módosított üzemanyag bevezetésének engedélye;
– az összes szükséges átalakítás engedélye külön eljárásokban;
– az üzemeltetési engedély módosítása a Magyar Energia Hivatal (MEH) által.
Az engedélyezés előkészítésében, a TN megalapozásában részt vett számos nagy tapasztalattal rendelkező magyar és külföldi tudományos- és tervező intézet, mint például a KFKI Atomenergia Kutató Intézet, a Villamosenergia-ipari Kutató Intézet Rt., ETV-Erőterv Zrt., az orosz Hidropressz, a paksi blokkok főkonstruktőre, a Kurcsatov Intézet, az üzemanyag szállító orosz TVEL cég és tudományos háttér intézményei, valamint az ukrajnai Turboatom cég.

7. Műszaki feltételek, átalakítások

A tényleges TN megvalósítás mértékét az aktív zóna, az üzemanyag töltet jellemzői határozzák meg. Ahhoz, hogy a reaktorfizikai korlátokat be lehessen tartani, és biztosítani lehessen a blokk biztonságos üzemeltetését a megnövelt teljesítményen, a következő fő átalakítások elvégzése szükséges.

Új üzemanyag bevezetése két lépésben
– Első fázis: A 3,82 %‑os átlagos U-235 dúsítású, normál üzemanyag kazetta pálca-rácsosztása 12,2 mm-ről 12,3 mm-re változott, a szabályzó és biztonságvédelmi (SZBV) kazetták üzemanyagrészének felső végén egyenletesebb a teljesítményeloszlás.
– Második fázis: Az üzemanyag-gazdálkodás optimalizálása 4,20 % átlagdúsítású, három darab kiégő mérget (Gd₂O₃) tartalmazó elnyelő pálcával. 2009-ben 18 teszt kazetta kerül berakásra a 4. blokkon. Várhatóan 2010-től a modernizált kazetták üzemi alkalmazására kerül sor.

A primerköri nyomásszabályozó átalakítása
A szabályzó rendszer teljes cseréje történik folytonos szabályzó alkalmazásával. Az új nyomásszabályozó működésével a korábbi 122-124 bar primerköri nyomás helyett az aktív zóna feletti nyomás 123,6±0,4 bar (túlnyomás) értéken tartható. A pontosabb nyomástartáshoz a zónaellenőrző rendszer az aktuális értékből számítja a telítési hőmérsékletet, így a TN-hez felhasználható tartalék szabadul fel.

A zónaellenőrző rendszer rekonstrukciója
Az aktív zóna, az üzemanyag kazetták állapotát és bizonyos technológiai paramétereket ellenőrző PDA-Verona rendszer az átalakítás után biztosítja a magasabb reaktorteljesítményhez szükséges nagyobb pontosságot és adatforgalom kezelést, az adatfeldolgozási ciklusok csökkentését, az aktuális primerköri nyomásfüggő telítési hőmérséklet figyelembe vételét.

A Reaktorvédelmi Rendszer (RVR) átalakítása
A rendszerben három üzemzavari védelmi jel, valamint a neutronfluxus konverziós tényező és a teljesítménytényező módosult az új, 108 % teljesítményértéknek megfelelően.

Hidroakkumulátorok (HA) paraméter változtatása
Az üzemzavari zónahűtést passzívan szolgáló HA paraméterei 58 bar nyomás és 40 m³ tárolt hűtővíz mennyiség helyett 35 bar és 50 m³ értékre módosulnak, így az esetleges üzemzavar alatt a hidroakkumulátorok jobb időpontban és több hűtővizet tudnak táplálni a reaktorba. A változás miatt szükségessé vált a szintmérés és a leürülést megakadályozó zárógömb rudazatának átalakítása is.

2. blokki fő keringtető szivattyúk (FKSZ) átalakítása
A paksi atomerőmű blokkjain a primerköri hűtőközeg forgalmak eltérnek egymástól. A legkisebb hűtőközeg forgalmú 2. blokk primerköri forgalmát meg kellett növelni az FKSZ járókerekének cseréjével. A modernizált járókerekeket új, kovácsolt és hegesztett technológiával gyártották. A gyárban a járókerekek a kívánt karakterisztikára kerültek beszabályozásra. A járókerekek beépítése a blokk 2008. évi nagyjavítása alatt megtörtént.

Turbina átalakítása
A frissgőz tömegáramlásának megnövelése miatt növelni kell a turbina átáramlási részének áteresztő képességét, amely a nagynyomású házban nagyobb keresztmetszettel rendelkező fúvókakoszorú alkalmazását teszi szükségessé. Szintén szükséges a szabályzó rendszer átalakítása a biztonságos, gazdaságos, megbízható gőzelosztás érdekében.

Az üzemzavari rendszerek bórsav koncentrációjának növelése
Az azonos kampányhosszal jellemzett zónának az eddiginél nagyobb tartalék-reaktivitással kell rendelkeznie, amit a kampány elején csak a mostaninál magasabb bórsav-koncentráció képes lekötni. A maximális kritikus bórsav koncentráció 12 g/kg-ra nő, az üzemzavari rendszerek minimális bórsav koncentrációja és a leállási bórsav-koncentráció 12 g/kg-ról 13,5 g/kg-ra nő.

8. Gazdaságosság

A TN megvalósítás beruházási programjának tervezett költségvetése a projektterv szerint 4,777 milliárd forint. A gazdaságossági vizsgálat a projektterv egy modern, kombinált ciklusú gázturbinás erőmű létesítésével összehasonlítva, valamint megtérülés elemzéssel történt.
Az elvégzett számítás szerint a beruházás már 3 év után nyereségessé válik, és a 2010. évtől várhatóan mintegy 0,50 Ft/kWh fajlagos költségcsökkenést eredményez. (A Paksi Atomerőmű Zrt. 2007. évi értékesítési átlagára 9,43 Ft/kWh, majd 2008-ban 10,16 Ft/kWh és 2009-ben 10,67 Ft/kWh volt.)
A projekt végén mind a négy paksi blokk névleges teljesítménye 500 MW lett, tehát a beruházás következtében összesen legalább 120 MW kapacitás létesült. A többlet teljesítmény létrehozásának fajlagos költségét vizsgálva a paksi atomerőmű teljesítménynövelése révén létesített kapacitás-többlet beruházási költsége a legalacsonyabb a többi alaperőmű építéséhez képest.

9. A megvalósítás, aktuális helyzet

Az egyedi átalakítások végrehajtása és a főjavítás utáni visszaindulás után a blokkok felterhelése az engedélyezett üzemviteli program alapján történik három lépésben: 100%, 104 % és 108 % szinten. Minden teljesítményszinten teljes körű reaktorfizikai, technológiai, vegyészeti ellenőrzésre, illetve a kiválasztott szekunderköri csővezetékek rezgésmérésére kerül sor.
A 4. blokk 2006. szeptember 28-án, az 1. blokk 2007. július 19-én érte el először az 1485 MW reaktor hőtelje­sítményt (108 %). A 2. blokk 2008. december 5-én jutott erre a teljesítményre. A 3. blokk 2008. október 31-étől  104 %-os teljesítményen üzemelt és 2009. november 13-án érte el a végleges teljesítményt. A felterhelés óta a blokkok stabilan üzemelnek 108%‑on, a paraméterek a megengedett határértékeken belül vannak, a zóna korlátozó paraméterei megfelelő tartalékkal rendelkeznek. A vizsgált radiokémiai és vegyészeti paraméterek megfelelnek a kritériumoknak. A szekunderkörben mért rezgések abszolút értékei az amerikai ASME szabvány szerint elvégzett számítás alapján a megengedett határokon belül maradtak.

10. Összefoglalás

A teljesítménynövelés programja 2005-2009 között mind a négy paksi blokkon 8 %-os reaktor teljesítmény-növekedés mellett 500 MW blokkonkénti villamos teljesítmény elérését biztosította. A teljesítménynövelés és az üzemidő-hosszabbítás - a biztonság fenntartása és folyamatos prioritása mellett – hosszú távra biztosítja az ország villamosenergia-ellátásának nagy részét, a hazai nukleáris energetika jövőjét.

IRODALOM

• Dr. Katona Tamás, Kovács Pál, Rátkai Sándor: "Élettartam gazdálkodás, az élettartam hosszabbításának lehetősége a paksi atomerőműben
• Projekt terv a paksi atomerőmű 1.4. blokk teljesítményének növelését szolgáló projekthez. Paksi Atomerőmű Rt. 2002. 09. 23.
• Integrált projekt terv. Üzemidő hosszabbítási projekt. 2004. 03. 08.
• Miért nincs az atomerőmű üzemidő hosszabbításának ésszerű alternatívája Magyarországon? TIG-RES Rt., Budapest, 2004. október 6.
• A paksi atomerőmű teljesítménynövelésének gazdasági vizsgálata. PA Rt. 2005. szeptember.
• Paksi Atomerőmű Részvénytársaság: Gazdasági Hatékonyságnövelő Program. 2005.
• MVM Zrt.: Magyarország energiapolitikai tézisei 2006-2030. Magyar Villamos Művek Közleményei különszám. XLIII. Évfolyam, 2006. november.
• PA Zrt. Villamos Energia Termelői Működési Engedély módosítása tárgyú levél a Magyar Energia Hivatal részére. 2006. november 8.
• PA Zrt. Műszaki Igazgatóság: Előterjesztés a 2007. január 22-i Műszaki-Gazdasági Értekezletre: A 4. blokki teljesítménynövelés értékelése.
• Szőke Larisza: Teljesítménynövelés a paksi atomerőműben. A Magyar Villamos Művek Közleményei. XLIV. évfolyam, 2007. 1-2. szám
• Szőke Larisza: Teljesítménynövelés a paksi atomerőműben. Elektrotechnika, 100. évfolyam, 2007. 3. szám
• MVM Zrt.: 2007. évi fenntarthatósági jelentés. 2008. március