Budowa elektrowni jądrowych w Europie – cz. I

Rozwój programu elektrowni  jądrowych

Pierwsze europejskie elektrownie jądrowe zbudowane zostały w latach 50. przez ówczesne mocarstwa. Po okresie tzw. zimnej wojny szybki rozwój programów energetyki jądrowej następował również w innych krajach europejskich, które dostrzegały w technologii jądrowej korzyści przede wszystkim ekologiczne i ekonomiczne. Przełomem w odbiorze społecznym elektrowni jądrowych był rok 1986, kiedy to awaria reaktora w Czarnobylu spowodowała aż do 2000 r. praktycznie wstrzymanie budowy nowych elektrowni.

Wyjątkiem była brytyjska elektrownia Sizewell B,która jako jedna z pierwszych w Europie,obok wybudowanych później francuskich elektrowni Chooz i Civaux, czerpała rozwiązania technologiczne i standardy z amerykańskich reaktorów nowszej generacji PWR(Pressurized Water Reactor), dostarczanych na licencji Westing-house Electric Corporation. Fakt ten pozwolił brytyjskiemu rządowi na rozpoczęcie budowy elektrowni praktycznie tuż po tragedii w Czarnobylu przy zachowaniu uznawanych obecnie wysokich standardów.

Fot. 1 Chłodnie kominowe elektrowni jądrowej; © meryll – Fotolia.com

Do chwili obecnej jeszcze żadna europejska elektrownia jądrowa budowana według nowszych technologii III i III+ generacji nie rozpoczęła produkcji energii.Dopiero latach 2005–2010 w krajach UE rozpoczęto budowę sześciu (a w Rosji pięciu) nowych elektrowni jądrowych według  dopracowanych po 2000 r. europejskich standardów bezpiecznych technologii, dostarczanych głównie przez firmy francuskie (EDF, GDF Suez, Areva). Są to elektrownie Flamanville 3 i Penly (Francja), Olkiluoto 3 (Finlandia), Cernovoda 3 i 4 (Rumunia), Belene (Bułgaria, wstrzymana budowa w marcu 2012 r.), Mochowce 3 i 4 (Słowacja – udoskonalany rosyjski reaktor WER 440/213). Dotychczasowy postęp robót na budowach oraz problemy techniczno-finansowe projektów pozwalają domniemywać, że na ostateczne efekty trzeba będzie poczekać jeszcze kilka lat.

22 lipca 2009 r. weszła w życie unijna dyrektywa 2009/71/EUROATOM regulująca rozwój i utrzymanie bezpieczeństwa instalacji nuklearnych w krajach członkowskich.

Fot. 2 Elektrownia Olkiluoto 3 w budowie, Finlandia 2011 r. (źródło: www.wikipedia.org)

W latach 80. i 90. XX w. Polska uważana była za eksportera energii elektrycznej. Nasze zasoby węgla kamiennego wydawały się zapewniać niezbędne paliwo do produkcji energii przez następne pół wieku. Być może właśnie to przekonanie, obok widma Czarnobyla, doprowadziło do całkowitej rezygnacji z rozpoczętej w 1983 r. budowy pierwszej polskiej elektrowni jądrowej w Żarnowcu. Okazało się to decyzją brzemienną w skutki odczuwalne dziś przez każdego obywatela. Wprowadzony w ostatnich latach przez Komisję Europejską system opłat za emisję CO₂ skutkował znaczącymi podwyżkami cen energii węglowej. Przewiduje się, że dalszy wzrost tych opłat może doprowadzić w kolejnych latach do podwyżek cen energii nawet o 70%. Włochy, które podobnie jak Polska, zrezygnowały przed laty z energetyki jądrowej, obecnie szacują skutki podobnej decyzji na 20 lat opóźnienia w rozwoju gospodarczym oraz miliardy euro strat.

Rys. 1 Schemat ideowy reaktora z obiegiem ciśnieniowym wody  chłodzącej (źródło: Nuclear Electric – Sizewell B technical outline)

W przeciwieństwie do Polski inne kraje europejskie, w tym Czechy, Słowacja, Rumunia i Bułgaria, rozwijały swój program energetyki jądrowej. Do 2010 r. wybudowano w Europie 148 reaktorów, pokrywających ponad 20% zapotrzebowania na energię.

Ze względu na wymogi związane z zapewnieniem wystarczających ilości wody chłodzącej ustalenie odpowiedniej lokalizacji elektrowni jądrowej było zawsze kluczowym punktem planu inwestycyjnego.Zdecydowana większość budowanych obecnie elektrowni europejskich zlokalizowana jest nad brzegiem morza. Już w 1958 r. brytyjski Central Electricity Generation Board (CEGB) wybrał lokalizację pierwszej elektrowni atomowej na wschodnim wybrzeżu Anglii, niedaleko Ipswich.  W wyniku tych działań elektrownie atomowe Sizewell A – Magnox, a 25 lat później Sizewell B – PWR 1200 MW, zostały wybudowane na terenie przyległym bezpośrednio do Morza Północnego. 

Także nad morzem zlokalizowane są obecnie budowane elektrownie Flamanville i Olkiluoto, co  potwierdza wykorzystanie  morskiej wody chłodzącej jako optymalnego rozwiązania technologicznego dla reaktorów generacji III i III+.

Obecne sygnały dotyczące planowanej lokalizacji pierwszej polskiej elektrowni jądrowej (Gąski, Choczewo) wydają się potwierdzać tę tezę. Niepokoje społeczne związane z tą lokalizacją są naturalną reakcją i dlatego wymagają rzetelnej akcji informacyjnej opartej na prawdziwych argumentach.

Rys. 2 Cykl życia projektu według CIOB (opracowanie własne)

Wybór reaktora nuklearnego

Technologia PWR, po raz pierwszy wprowadzona w USA jako kompaktowe źródło energii łodzi podwodnych, zaczynała być w latach 80. dominującym systemem technologii jądrowych na świecie. Dzięki temu Francja i Wielka Brytania mogły jako pierwsze kraje europejskie skorzystać z doświadczeń zebranych na budowach i w czasie eksploatacji tej technologii w USA.

Obecnie działają już na świecie lub są w trakcie realizacji  bardziej zaawansowane reaktory GE Hitachi na wodę wrzącą ABWR (Advanced Boiling Water Reactor) i ESBWR (Economic Simplified Boiling Water Reactor) oraz reaktory EPR (European Pressurized Reactor) francuskiej firmy Areva. Są to reaktory III lub III+ generacji zapewniające wysokie parametry bezpieczeństwa i wyższą sprawność energetyczną.

Tab. Budżet Sizewell B zatwierdzony przez Nuclear Electric Board (źródło: The Civil Engineering – Feb. 1995)

Modularyzacja

Jedną z głównych cech charakteryzujących projekt elektrowni PWR, EPR i ABWR jest możliwość  prefabrykacji kompletnych elementów technologii w warunkach fabrycznych poza placem budowy i transportowanie ich na miejsce wbudowania w różnych obiektach elektrowni. Zgodnie z tym założeniem naczynie ciśnieniowe dla Sizewell B zostało wykonane w fabryce i przetransportowane drogą morską do budynku reaktora.

Prefabrykacja obejmowała również generatory pary i kondensory z orurowaniem wraz z pełną dokumentacją systemu zapewnienia jakości. Zastosowanie prefabrykacji elementów PWR różniło się zdecydowanie od starszych technologii wykonania reaktorów gazowych, w których konstrukcja rdzenia i cyrkulacji gazu były oparte na elementach z betonu sprężonego wykonywanego na budowie.

Planowanie  budowy elektrowni jądrowej

Realizacja każdego projektu inwestycyjnego przebiega zawsze w układzie cyklicznym, którego poszczególne etapy dostosowane są do specyfiki branży.

Większość prowadzonych projektów rozpoczynana jest działaniami koncepcyjno-planistycznymi, a  po wykonaniu robót budowlano-instalacyjnych rozpoczyna się faza użytkowania obiektu i produkcji wyrobu.

Działające obecnie elektrownie jądrowe,w zależności od daty ich budowy, produkować będą energię średnio 35–60 lat,choć trwałość budowli jest o wiele dłuższa. Jednak ze względów bezpieczeństwa reaktory są wygaszane po tym czasie i większość wyposażenia wymaga utylizacji. Budowa elektrowni jądrowych ze względu na skalę użytych materiałów i zasobów, a także szeroki zakres robót branżowych i technologicznych stanowi jeden z najbardziej skomplikowanych projektów inwestycyjnych. Proces ten wymaga wypracowania systemu zarządzania spójnego dla podstawowych parametrów efektywności działania, z jednoczesnym zachowaniem priorytetów systemu zapewnienia jakości.

W Polsce nie wypracowano jeszcze normatywnych podstaw do określania standardowego cyklu życia projektu, lecz w Wielkiej Brytanii, gdzie powszechnie stosuje się zasady zarządzania projektami, wprowadzono w życie  normę BS 6079-1:2000 regulującą przebieg całego procesu inwestycyjnego.

Dzieli ona cały cykl na pięć faz: opracowanie koncepcji obiektu, studium wykonalności, realizacja, użytkowanie i zakończenie projektu.

Z kolei brytyjski instytut budownictwa The Chartered Institute of Building (CIOB) dzieli proces budowlany  inwestycji na osiem faz – rys. 2.

Budowa każdej elektrowni jądrowej poprzedzona jest wieloma analizami składającymi się na studium wykonalności techniczno-finansowej. Wiele parametrów technologicznych, hydrologicznych, geotechnicznych, sejsmicznych, geopolitycznych i prawnych stanowi o optymalnej lokalizacji inwestycji, a zbadanie tych parametrów i podjęcie stosownych decyzji zajmuje z reguły 30% czasu niezbędnego do realizacji projektu.

Działania inicjacyjne i projektowe przed budową elektrowni Sizewell B zajęły brytyjskiemu inwestorowi – firmie Nuclear Electric – ponad pięć lat, a sam proces budowy i odbiorów – siedem lat.

Trwająca obecnie budowa elektrowni Olkiluoto w Finlandii rozpoczęła się w 2005 r., uruchomienie reaktora planowane było na rok 2013, a wobec kilku poślizgów realnym terminem jest rok 2016. Prace nad francuską elektrownią Flamanville 3 rozpoczęły się w 2006 r., a uruchomienie planowane jest ostrożnie na 2016 r.

W projekcie Sizewell B cały jego zakres standardowo podzielono na  siedem podstawowych etapów realizacyjnych.Zasadnicze znaczenie dla pełnego cyklu budowy elektrowni jądrowej mają kluczowe efekty uzyskane na koniec każdego z tych etapów działań:

Etap 1– uzyskanie społecznej akceptacji i optymalizacja wyboru lokalizacji elektrowni,

Etap 2– analizy możliwości pozyskania licencji i projektowanie technologii,

Etap 3– zakontraktowanie oraz wykonanie dokumentacji budowlanej i instalacyjnej,

Etap 4– przeprowadzenie procedur przetargowych na wykonanie robót,

Etap 5– realizacja robót budowlanych i instalacyjnych,

Etap 6– montaż, testy i rozruch urządzeń oraz załadowanie paliwa nuklearnego,

Etap 7– uzyskanie certyfikatu bezpieczeństwa i pozwolenia na użytkowanie.

Planowanie robót konstrukcyjno–budowlanychprzebiega od wielu lat w niezmienionej formie harmonogramów czasowych opierających się na sprawdzonych zasadach „od ogółu do szczegółu”. Praktyczne zastosowanie metod ścieżki krytycznej (Critical Path Method) w programach komputerowych, np. MS Project, pozwala od ponad 20 lat na sprawne zarządzanie czasem i monitoring postępu robót, zwłaszcza przy tak skomplikowanym procesie wykonawczym, jakim jest budowa elektrowni. Uszczegółowienie kluczowych dat wykonania robót budowlanych i instalacyjnych ma decydujący wpływ na ostateczny efekt rozruchu i rozpoczęcia produkcji energii. Dlatego też identyfikacja tych kluczowych działań musi być dostosowana do efektów milowych (milestones) ustalonych według poniższego schematu: 

a) wydanie  pozwolenia oraz innych dokumentów wymaganych prawem, zezwalających na realizację inwestycji,

b) podpisanie głównych kontraktów na roboty – pierwszy beton konstrukcyjny reaktora,

c) przekazanie żelbetowej konstrukcji reaktora pod montaż suwnicy (polar crane) i strefy Nuclear Island,

d) test ciśnieniowy po wodą pierwotnego obwodu reaktora – zakończenie większości robót budowlanych na pozostałych obiektach konwencjonalnych,

e) wydanie pozytywnego raportu bezpieczeństwa, po przejściu wszystkich testów, oraz załadowanie paliwa nuklearnego,

f) wydanie formalnej zgody na użytkowanie.

Planowanie robót budowlanych w elektrowni jądrowej, oprócz uwzględnienia kluczowych dat montażu urządzeń, wymaga również założenia dodatkowego czasu wynikającego z procedur systemu zapewnienia bezpieczeństwai związanych z nim dodatkowych testów jakości przeprowadzanych zwłaszcza w strefie Nuclear Island.

Każdy proces planowania inwestycji powinien już na wczesnych etapach analiz wypracować wiarygodny preliminarz finansowy. Podstawą utrzymania budżetu inwestycji w planowanych kwotach jest przyjęcie stabilnych rozwiązań technologii urządzeń oraz właściwe zarządzanie kosztami budowy,  opierające się na optymalizacji projektów wykonawczych. Dzięki temu w elektrowni Sizewell B udało się zrealizować budżet inwestycji z dokładnością do 3%.

mgr inż. Krzysztof Tracz*

*Autor artykułu uczestniczył w realizacjach projektów elektrowni konwencjonalnych i jądrowych (Dolna Odra, Police, Żarnowiec, El Homs, Chartum, Sizewell B)