Japonsko – země z třetí největší jadernou energetikou.

Vladimír Wagner

Koncem minulého měsíce byl v Ústavu jaderného výzkumu v Řeži na návštěvě Masashi Hiramo z Výzkumného centra pro jadernou bezpečnost Japonské agentury pro atomovou energii. Měl velice zajímavou přednášku o současnosti a perspektivách japonské jaderné energetiky. Myslím si, že by přehled této problematiky mohl zajímat i čtenáře Osla.

Japonsko patří k předním uživatelům jaderné energetiky. První komerční jaderný reaktor začal v Japonsku pracovat v polovině roku 1966. Od roku 1973 patří jaderná energetika mezi japonské priority. V současnosti provozuje 53 reaktorů s celkovým výkonem 46,236 GWe, i když od zemětřesení v roce 2007 je sedm reaktorů v elektrárně Kashiwazaki-Kariwa dočasně odstaveno. Postupné spouštění zatím alespoň některých z nich by mělo začít probíhat letos. Podíl na výrobě elektrické energie je tak něco málo přes 30 %. O osudu dvou starých reaktorů v elektrárně Hamaoka (s jejich započtením by mělo Japonsko 55 reaktorů) se rozhodovalo v minulém roce. Původní plán počítal s jejich renovací a opětným provozováním. V prosinci minulého roku však bylo oficiálně oznámeno, že ekonomicky výhodnější bude je zavřít a postavit na stejném místě nový reaktor nebo reaktory.

Jaderná elektrárna Ohi patřící Kansai Electric Power Co's (zdroj KEPKO).

Počet reaktorů a jejich výkon řadí Japonsko v absolutních číslech na třetí místo hned za Spojené státy a Francii. V relativním srovnání už tato čísla tak ohromující nejsou. Stačí si třeba uvědomit, že Česká republika má něco málo přes deset milionů obyvatel a Japonsko téměř 128 milionů. To je dvanáctkrát více. Reaktorů má česká republika šest a jejich celkový výkon je okolo 3,8 GWe a jsme tedy v relativních číslech vztažených k počtu obyvatel na stejné úrovni. I tak je však japonská jaderná energetika velmi významná. Japonsko má velký problém se surovinovými zdroji a i to je důvodem, proč ji tak intenzivně rozvíjí a plánuje v budoucnu velmi významné zvýšení jejího podílu na výrobě elektřiny. Předpokládá se, že už v roce 2017 bude jaderná energetika pokrývat nejméně 40 % výroby elektrické energie. Důležitý rozdíl mezi situací v Japonsku a jadernou energetikou v USA a Evropě je to, že stavba nových jaderných elektráren probíhá nepřetržitě a nedošlo zde k přestávce několika desetiletí, která nastala ve vyspělých západních zemích.

Jaderná elektrárna Tomari, kde právě probíhá spouštění třetího bloku (zdroj Mugu Shisai).

V současnosti se budují tři nové reaktory. Třetí blok v jaderné elektrárně Tomari, která je jedinou na ostrově Hokkaido, je už v podstatě dokončen a letos začalo jeho spouštění. Dva starší bloky této elektrárny mají výkon 550 MW_e a nový blok má výkon 912 MW_e. Kritičnosti dosáhl 3. března a v březnu se také začalo s rozsáhlými testy, které jej připravují na komerční provoz. Jde o poslední stavbu reaktoru druhé generace v Japonsku. Další budované a plánované reaktory už budou pouze generace III. V jaderné elektrárně Shimane se staví třetí reaktor od roku 2005 a pro první blok jaderné elektrárny Ohma se připravuje staveniště. Tento reaktor bude význačný i tím, že bude spalovat výhradně MOX palivo, které obsahuje plutonium z přepracovaného vyhořelého paliva. Dokáže tak spotřebovávat čtvrtinu japonské produkce tohoto MOX paliva a umožní efektivnější využití uranu. Stavba dalších dvanácti reaktorů se plánuje, přičemž některé z nich jsou již v pokročilém stádiu přípravy projektu.

Nádoba tlakovodního reaktoru instalovaného jako třetí blok elektrárny Tomari (zdroj Mitsubishi)

Dva hlavní typy japonských reaktorů

V Japonsku se provozují jako energetické bloky zatím jen lehkovodní reaktory. Lehká voda se v jejich případě využívá jak k moderaci neutronů tak i k chlazení. Jedná se i v celosvětovém měřítku o nejpoužívanější typ reaktorů v energetice. Využívají se dvě koncepce těchto reaktorů. Jednak jde o tlakovodní reaktory (PWR - Pressurized light-Water moderated and cooled Reactor), kdy se k chlazení využívá voda pod tlakem. Takovým typem jsou i reaktory VVER používané u nás. Tlakovodních reaktorů je v Japonsku 23. Druhou koncepcí je varný reaktor (BWR – Boiling Watter Reactor), u něhož se voda ohřívá až k varu přímo v tlakové nádobě a v horní částí reaktoru se hromadí pára. Když se zbaví vlhkosti, žene se přímo k turbíně. Těch v současnosti pracuje v Japonsku 30. Jednotlivé japonské energetické společnosti využívají vždy jeden z těchto dvou typů a tak je jejich výskyt spojen právě s oblastmi, které zásobují elektřinou příslušné společnosti. Varné reaktory jsou tak spíše ve východní části Japonska a tlakovodní pak v západní. Jejich výroba je také rozdělena mezi různé firmy. Oba tyto typy se plánují stavět i nadále a v současnosti jsou v nabídce pokročilé typy těchto reaktorů, které se řádí do generace III. Označují se zkratkami APWR a ABWR, kde A znamená advanced (pokročilý). Zatímco řada bloků využívající pokročilý varný reaktor už dodává elektřinu, postavení pokročilého tlakovodního reaktoru se v Japonsku teprve připravuje v jaderné elektrárně Tsuruga.

Velín jednoho z jaderných reaktorů společnosti Tokyo Electric Power Co's (TEPCO) (zdroj TEPCO)

Japonsko dominuje trh s novými jadernými elektrárnami

Jak jsem se už zmínil, probíhá v Japonsku na rozdíl od Západní Evropy a Spojených států budování nových jaderných elektráren kontinuálně bez přerušení. To mělo velmi pozitivní vliv na jeho jaderný průmysl a potřebné subdodavatele. Zatímco v Evropě a v USA měly firmy spojené s jaderným průmyslem problémy, v Japonsku se rozvíjely a expandovaly. Vedlo to nakonec k tomu, že všichni světoví výrobci jaderných energetických reaktorů (kromě ruských) jsou nějakým způsobem propojeni s japonskými firmami.

První mezinárodní jaderný gigant vznikl v říjnu 2006, kdy podepsaly smlouvu o úzké spolupráci dva hlavní výrobci tlakovodních reaktorů. Jedná se o firmu Mitsubishi Heavy Industries a firmu AREVA. Firma Mitsubishi Heavy Industries vyrábí reaktor APWR. Ten bude ve zmiňované elektrárně Tsuruga a jeho stavba se připravuje v několika amerických jaderných elektrárnách. Zmiňme například připravovaný blok pro elektrárnu Comanche Peak v Texasu. Holding AREVA vznikl spojením francouzského Framatomu a německého Siemensu (jeho jaderné části). Tento holding staví reaktory EPR ve finském Olkiluoto a francouzském Flamaville. Pro holding AREVA je spojení s japonskou firmou velmi důležité, neboť reaktorové nádoby reaktorů EPR jsou dodávány z Japonska. Problém je, že se jedná o velmi kvalitní velké odlitky, které by měly být z jednoho kusu a je velmi málo firem ve světě, které jsou schopné je vyrobit. Zajištění dodávek reaktorových nádob z Japonska je tak pro holding AREVA velmi důležité.

Druhé spojení vzniklo v okamžiku, kdy japonská firma Toshiba v roce 2006 získala jadernou divizi americké firmy Westinghouse. Zatímco Toshiba se zaměřuje na varné reaktory (jejím produktem jsou například poslední dva bloky typu ABWR v elektrárně Kashiwazaki-Kariwa), firma Westinghouse má v nabídce tlakovodní reaktory, například AP1000, který jsem už na Oslovi zmiňoval. Vzniklé spojení tak pokrývá obě koncepce reaktorů v Japonsku využívané.

Třetí jaderný gigant vznikl spojením jaderných divizí japonské firmy Hitachi a americké GE Energy a zaměřuje se na produkci varných reaktorů. Úzce spolupracuje i s firmou Toshiba. Všechny tři jaderná průmyslová uskupení jsou mezinárodní, ale ve všech má významné nebo dokonce dominantní postavení Japonsko. To přispívá k vytváření velmi dobrých podmínek pro budoucí rozvoj japonské jaderné energetiky.

Jaderná elektrárna Fukushima Daiichi společnosti TEPCO (zdroj TEPCO).

Zemětřesení a jaderná elektrárna Kashiwazaki-Kariwa

Zvláštností Japonska je jeho vysoká seismická aktivita. Nejsou zde místa, kde by nebylo nutné počítat se zemětřesením. Proto musí být veškerá jaderná zařízení stavěná tak, aby vydržela i velká zemětřesení a nedošlo při nich k ohrožení životního prostředí. Několik zemětřesení už jaderné elektrárny prověřilo. Velmi silné zasáhlo 16. července 2007 elektrárnu Kashiwazaki-Kariwa, která má sedm reaktorů. Z nich dva jsou nejnovější varné reaktory ABWR. Epicentrum zemětřesení bylo ve vzdálenosti 16 km na sever od elektrárny. Jeho velikost byla 6,8 stupně Richterovy škály. V době zemětřesení byly v provozu čtyři reaktory (tři byly odstaveny kvůli pravidelným kontrolám). Bezpečnostní systém u pracujících reaktorů v okamžiku zaregistrování zemětřesení (při překročení povolených hodnot zrychlení při otřesech) reaktory okamžitě zastavil.

Jaderná elektrárna Kashiwazaki-Kariwa v oblasti Niigata (zdroj TEPCO).

Samotné reaktory se chovaly velice dobře a přestály zemětřesení bez úhony. Škody nastaly hlavně na podpůrných objektech v areálu. Největší havárií byl požár transformátoru u třetího bloku. Transformátor byl těžce poškozen a vytékající olej byl zapálen jiskrami vzniklými při zkratech. Problémem spojeným s radioaktivitou bylo proniknutí malého množství vody vyšplíchnuté z bazénu, ve kterém bylo skladováno vyhořelé palivo. Ovšem jeho aktivita byla hluboko (mnoho řádů) pod přirozeným radioaktivním pozadím.

Vzniklé škody se daly relativně brzy opravit. Ovšem problémem se ukázalo být to, že maximální změřená zrychlení při otřesech překročila předpokládané hodnoty (u prvního bloku až 2,5krát), na které byly reaktory projektovány. Seismické účinky zemětřesení byly v projektu podceněny. Proto se uskutečnily velice pečlivé studie průběhu zemětřesení a jeho následků na stav reaktorů. Proběhly dvě mise expertů z Mezinárodní agentury pro atomovou energii IAEA (International Atomic Energy Agency). Odborníci konstatovali, že elektrárna se v průběhu zemětřesení chovala bezpečným způsobem a automatické vypnutí čtyř pracujících bloků proběhlo úspěšně. Elektrárna je z hlediska bezpečnosti v mnohem lepším stavu, než by se po tak velkém zemětřesení dalo předpokládat. Pravděpodobně tomu tak bylo díky zdravému konzervatizmu při výstavbě, který kompenzoval podcenění možných seismických účinků zemětřesení. Experti doporučili před opětným spuštěním detailní geofyzikální průzkum jak země tak pobřežního dna oceánu, aby se zjistily příčiny většího seismického účinku. Na základě zjištěných poznatků pak provedení opatření, které by zajistily dodržení plánovaných limitů při případných dalších zemětřeseních.

Detailní geofyzikální průzkum umožnil pochopit příčiny většího seismického účinku zemětřesení. Byly nalezeny nové zlomy, které ovlivňují chování podloží v blízkosti elektrárny při zemětřesení. Na základě nových poznatků byly vypočteny nové seismické limity. Ty se liší podle polohy bloků. Pro bloky 5, 6 a 7 je vliv nových zlomů menší a maximální možné limity jsou nižší. Pro bloky 1, 2, 3 a 4 jsou naopak větší. Nutné úpravy pro bloky 5, 6 a 7 jsou tak menší. Nejjednodušší byly pro poslední blok. V první půli května tak byl spuštěn jako první právě sedmý blok, aby se otestovaly jeho vlastnosti po úpravách. Připravuje se i spuštění bloku 5 a 6. Jejich opětné spuštění by mohlo proběhnout také už v tomto roce. Kdy se provedou potřebné úpravy pro první čtyři bloky, které jsou náročnější, zatím ještě jasné není. Termín jejich spuštění se tak zatím nedá předvídat.

Zatímco reaktory a jejich budovy nebyly poškozeny, řada podpůrných staveb byla poškozena výrazně (zdroj Fukushima).

Palivový cyklus

Japonsko má všechny prvky palivového cyklu. Dokáže obohacovat uran i přepracovávat vyhořelé palivo. Nemá však zásoby uranu a tak v současnosti dováží potřebných téměř 9000 t přírodního uranu pro obohacování hlavně z Austrálie (okolo třetiny), ale také z Kanady nebo Kazachstánu. Má několik obohacovacích zařízení. Další pak buduje nebo plánuje, protože kapacity nejsou zatím dostatečné a Japonsko musí využívat služby zahraničních podniků.

Důležitou součástí efektivního využití jaderného paliva je možnost jeho přepracování, získání zbylého uranu a využití získaného plutonia 239. Zatím se jedná o produkci paliva typu MOX. Připomenul bych jen, že palivo MOX (Mixed Oxide) je směs oxidů plutonia a přírodního uranu, uranu získaného přepracováním vyhořelého paliva nebo ochuzeného uranu, které má velmi podobné vlastnosti jako mírně obohacený uran. Může se tak využívat v klasických reaktorech, které se v současné jaderné energetice používají nejvíce.

Moderní velký přepracovací závod v Rokkasho-mura přešel z testovacího do komerčního provozu v koncem roku 2008 a umožňuje přepracovat 800 tun vyhořelého paliva ročně (jedná se o 80 % současné roční produkce). Získá tak ročně okolo čtyř tun plutonia, které postačují pro přípravu 80 t paliva MOX. Využívá technologie firmy AREVA, která separuje z vyhořelého paliva směs plutonia a uranu pro přípravu paliva typu MOX tak, aby se v žádné fázi nevyskytovalo čisté plutonium, které by bylo zneužitelné pro konstrukci jaderné zbraně. Pro využití takto získaného plutonia se letos nebo příští rok začne stavět v Rokkasho-mura podnik pro produkci paliva MOX. Prozatím byla velká část japonského vyhořelého paliva přepracovávána v Evropě (ve Francii a Velké Británii), i když v posledních letech se skladovalo a čekalo na dokončení podniku v Rokkasho-mura. V Evropě se také připravovalo palivo MOX. Vůbec probíhá při budování řady různých zařízení palivového cyklu velmi intenzivní spolupráce mezi japonskými firmami a hlavně firmou AREVA. Budují nebo připravují společné podniky i v zahraničí, například ve Spojených státech.

Další snímek následků zemětřesení v areálu jaderné elektrárny Kashiwazaki-Kariwa (zdroj Fukushima).

Rychlý reaktor v Monju

Japonsko plánuje v budoucnu přejít na intenzivní využívání uranu 238 přeměňovaného na plutonium 239 a uzavřený palivový cyklus. Proto se intenzivně věnuje i rozvoji rychlých reaktorů. Má prototyp energetického rychlého reaktoru s výkonem 280 MW_e v Monju. Jedná se o reaktor chlazený tekutým sodíkem, podobně jako reaktor BN600 pracující v Rusku. Byl spuštěn v devadesátých letech a navázal na zkušenosti získané na experimentálním rychlém reaktoru Joyo provozovaném od roku 1977. Pracoval v letech 1994 a 1995. Kritičnosti dosáhl v dubnu 1994 a první elektřinu poslal do sítě v srpnu 1995. Po nehodě s únikem tekutého sodíku 8. prosince 1995 byla jeho činnost pozastavena. Únik sodíku nastal v sekundárním sodíkovém chladícím okruhu. Intenzivní vibrace poškodily upevnění termočlánku a během tří hodin uniklo podle odhadu zhruba 0,7 t sodíku. Jednalo se o sekundární okruh, takže sodík nebyl radioaktivní. Nehoda vedla k rozsáhlé diskuzi o spolehlivosti reaktoru a nutnosti řady úprav. V současné době se po celkové rozsáhlé rekonstrukci reaktor připravuje k opětnému spuštění.

Zároveň se Japonsko snaží o zavedení nového pokročilejšího typu rychlého reaktoru. V roce 2007 byla tímto úkolem pověřena firma Mitsubishi Heavy Industries. Reaktor by měl být dokončen zhruba okolo roku 2025.

Elektrárna s rychlým reaktorem Monju (zdroj JNC).

Vysokoteplotní reaktory pro vodíkové hospodářství

Japonsko je úplně závislé na dovozu ropy, proto by pro něj byla velmi významná možnost přechodu na vodíkové hospodářství. Řada japonských automobilek pracuje na modelech aut využívajících vodík. Důležitou komponentou vodíkového hospodářství je produkce vodíku. Výhodná je termochemická produkce za velmi vysokých teplot. Aby bylo možné pro produkci vodíku využít jaderné zdroje, je potřeba mít vysokoteplotní typ reaktoru. Proto Japonsko na vývoji takového reaktoru velmi intenzivně pracuje. Na konci roku 1998 začal pracovat malý prototyp reaktoru chlazeného plynem (heliem) a moderovaného grafitem. Jeho tepelný výkon je 30 MW a pracuje při teplotě až 950 ^oC, která umožňuje efektivní produkci vodíku. Produkce vodíku je zatím testována zvlášť. Předpokládá se, že do roku 2015 by měla začít pracovat integrovaná jednotka testovacího plynem chlazené reaktoru a zařízení, produkujícího zhruba 1000 m³ vodíku za hodinu. Nasazení plynem chlazených vysokoteplotních reaktorů a přechod od ropy k vodíku by v budoucnu mohly umožnit využití jaderné energetiky nejen pro výrobu elektřiny ale i k zajištění energie pro dopravu.

Závěr

Japonsko je vyspělý průmyslový stát, který je relativně chudý na suroviny. Proto je pro něj využití jaderné energetiky velmi důležité. I proto patří mezi jednu z japonských priorit. Dnešní podíl na výrobě elektřiny je přes 30 % a v budoucnu by se měl rychle zvyšovat. Japonsko má velmi rozvinutý jaderný průmysl a hraje dominantní roli při výrobě jaderných reaktorů ve světě. Má všechny komponenty palivového cyklu. V budoucnu by chtělo docílit uzavřeného palivového cyklu a efektivního využití veškerého uranu pomocí rychlých množivých reaktorů. Prototyp takového reaktoru v Monju by měl být v tomto roce po téměř čtrnácti letech opětovně zpuštěn. Jaderná energetika tak v nejbližších letech bude získávat stále dominantnější podíl na výrobě elektrické energie v Japonsku. V případě, že se podaří zavést do praxe plynem chlazené vysokoteplotní reaktory, které umožňují efektivní výrobu vodíku z vody, a vodíkové hospodářství, mohlo by začít pronikání jaderné energie i do dopravy a dalších oblastí.

---