Výkovky pro jadernou energetiku

Rozborem současných zásob paliv a řešení problémů spojených s budoucí spotřebou energie vychází nejlépe systémy založené především na jaderné energetice. Štěpením 1 gramu U235 se uvolní 8,2 x 1010 J, (tj. 0,96 MW). Tato hodnota odpovídá teplu, které vzniká spálením 2,7 t uhlí. Energie uvolněná z 1 g U235 je téměř 3 x 106 větší než u nejvýkonnějších chemických reakcí. Pro výstavbu jaderných elektráren hovoří řada argumentů, avšak veřejnost má k nim stále nedůvěru. Společnost se ještě nevzpamatovala ze šoku po havárii jaderného reaktoru v Černobylu v roce 1986 a na jaře letošního roku došlo k havárii jaderné elektrárny ve Fukušimě. A tak není divu, že větší pozornost je věnována argumentům zaměřeným proti budování jaderných elektráren, než argumentům hovořícím pro jejich zavedení. Diskuse o výhodách a nevýhodách energetických systémů, budovaných na jaderném základě, zůstává nadále otevřená, i když je zřejmé, že většina odborníků se přiklání na jejich stranu. Je skutečností, že na Zemi existují pouze čtyři základní energetické zdroje. Jsou to energie sluneční, přílivová (slapová), geotermální a jaderná. Z nich dosud nejvíce je využita energie sluneční. Prakticky všechna dnes známá paliva (s výjimkou jaderných) mají svůj původ v přeměně sluneční energie. Z množství energie, které dopadá na Zemi, se jedna polovina přemění v teplo, jedna čtvrtina se odrazí a asi jedna čtvrtina se spotřebuje na koloběh vody. Jenom nepatrná část je využita k fotosyntéze, při které vznikají z vody a oxidu uhličitého uhlohydráty, jež jsou základní složkou všech dosud používaných fosilních paliv. Ročně dopadne na zeměkouli sluneční energie v množství 1,5 x 1018 kWh, slapová energie za jeden rok vykoná práci 30 x1012 kWh a geotermální tok je odhadován na 2,6 x 1012 kWh za rok. Z celkového množství energie je podíl geotermální a přílivové energie méně významný. Fosilní paliva v současné době kryjí celosvětovou energetickou spotřebu z více než 90 procent. Patří mezi ně především uhlí, ropa a zemní plyn. Pojem energetická krize se vztahuje především k nedostatku fosilních paliv. Potenciál ostatních energetických zdrojů, jako jsou energie sluneční, geotermální a vodní je konstantní a tak veškerým koncepcím, řešícím problémy nedostatku energie v současnosti i budoucnosti musí předcházet především důkladná analýza zásob všech fosilních paliv a vyhodnocení možnosti jejich regenerace. Objem zásob fosilních paliv je uveden v tab. 1. HLAVNI ZDROJE ENERGIE Primární energetický sektor ve světě dnes využívá fosilní paliva: uhlí, ropu, zemní plyn. Dále uran a obnovitelné zdroje jako je voda, biomasa, sluneční energie a ostatní (obr. 1). Tyto zdroje jsou pak spotřebovávány v elektroenergetice, teplárenství, dopravě, průmyslu, domácnostech a službách. Světová výroba elektrické energie je zajišťována z elektráren uhelných (39 %), plynových (18 %), jaderných (17 %), vodních (17 %), spalováním kapalných paliv (8 %) a ostatních (1 %). Stále se objevují zprávy o alternativních zdrojích energie, např. o projektech na výstavbu větrných elektráren. Ovšem ty mohou pokrýt jen malou část potřeby energie. ENERGIE Z JADERNYCH ELEKTRAREN V současné době činí výkon jaderných elektráren ve světě 370 000 MW. Počítá se, že v roce 2025 to bude 530 000 MW. Znamená to nárůst o 43 %, současně však bude třeba nahradit bloky, které již dnes dosluhují (obr. 2). Zprávy o očekávaném růstu spotřeby energie a brzkém nedostatku především elektrické energie se objevují velmi často. Podle posledních zpráv se očekává, že do roku 2050 vzroste na světě počet obyvatel o 50 %, spotřeba energie však vzroste o 100 % a spotřeba elektrické energie dokonce o 200 %. Na druhé straně 80 % evropských elektráren překročí do roku 2030 hranici životnosti. V Evropě se před havárii jaderné elektrárny ve Fukušimě uvažovalo o výstavbě 95 jaderných bloků. Tuto výstavbu podporovala i Evropská unie v navrhovaném Strategickém energo-technologickém plánu EU. Bohužel, po 11. březnu se postoj Evropské unie významně změnil, nejvíce v Německu. Původní prognóza dodávek elektrické energie vyrobené v jaderných elektrárnách je znázorněná na obr. 3. VYROBA VELKYCH DILŮ PRO JADERNOU ENERGETIKU Základní podmínkou pro stavbu jaderných elektráren je dostupnost těžkých výkovků a vysoká úroveň těžkého strojírenství. Kovárny dodávají výkovky jak pro primární, tak i sekundární okruh jaderných elektráren, především výkovky pro reaktorovou nádobu, parogenerátory, kompenzátory objemu, rotory turbín a generátorů. K výrobě výkovků pro jaderné elektrárny III.+ generace je nutné mít v kovárnách k dispozici lisy disponující silou 140 až 150 MN, které mohou zpracovávat ingoty o hmotnosti 500 až 600 tun. Připomínáme, že pro konstrukci reaktorů II. generace bylo požadováno 2000 tun výkovků, pro reaktory 3+ generace je to dvakrát více. Největší díly (výkovky pro jadernou energetiku) se připravují technologií volného kování. Sestavením jednotlivých dílů získáme požadovanou konstrukci, např. tlakovou nádobu reaktoru, obr. 4. Konstrukce současné, nejmodernější jaderné elektrárny (JE) III. generace, typ EPR od francouzského výrobce skupiny AREVA, vyžaduje ocelové ingoty, jejichž hmotnost se pohybuje mezi 500 až 600 tunami. Z uvedených ingotů se kovají nejsložitější součástí tlakové nádoby reaktoru: horní víko (hlavový uzávěr), střední kroužek a kroužek s vyhrdlením. Na jednotlivé díly jaderné elektrárny se spotřebuje více jak 4000 tun ocelových výkovků. Jedná se o kontejnment (ochranný obal), díly reaktorové nádoby, rotory turbín a generátorů, parogenerátoru a kompenzátoru objemu. Jaderná elektrárna EPR skupiny používá 4 generátory, každý o hmotnosti až 500 tun. Hmotnost rotoru generátoru je větší než 200 tun. V každé JE jsou 3 až 4 turbínové rotory. Lze usuzovat, že v příštích letech poptávka po těchto výkovcích významně poroste. Jedním z nejsložitějších výkovků pro tlakovou nádobu reaktoru je horní víko tlakové nádoby, obr. 5. Před zavedením technologie kování horního víka do běžné výroby byla technologie matematicky simulována MKP a následně ověřována v laboratoři na modelech v měřítku 1:20. Fotografie modelového předkovku je na obr. 6 a modelového výkovku na obr. 7. Vývoj nové technologie výroby horního víka tlakové nádoby reaktoru je orientován na budoucí potřeby trhu s ohledem na ekologii a energetiku. Na základě výsledků získaných na modelech byla navržena nová technologie výroby celokovaného víka s přírubou pro tlakovou nádobu reaktoru. Přínos nové technologie spočívá ve zhotovení víka z jednoho ingotu bez použití svařování víka a příruby. Tato nová technologie výroby má významné ekologicko- ekonomické efekty výroby a rovněž zvýší bezpečnost tlakové nádoby reaktoru. Doc. Ing. Miroslav Greger, CSc. Ing. Vladimír László, Ph.D.