Přehled MSR systémů a komponent

Technická zpráva Přehled MSR systémů a komponent Závěrečná zpráva ENERGOVÝZKUM, spol. s r.o. O. Matal, T. Šimo Prosinec 2003 Správa úložišť radioaktivních odpadů

Formátování a korektury textů Správa úložišť radioaktivních odpadů, 2004

ANOTACE Byl proveden přehled komponent a rozdělen do kapitol se zaměřením na čerpadla pro roztavené soli, mezivýměníky tepla a parní generátory. Je uveden popis a data k čerpadlům ALPHA (USA), MSRE (USA), pro experimentální smyčku SOLARIS (Rusko), pro navrhovaný projekt MSBR (USA), grafitové čerpadlo pro smyčku s roztavenou solí (Francie) a k čerpadlu EVM (ČR). Dále je uveden popis řešení a vybraná data k mezivýměníkům tepla pro projekty MSBR, MSR-Burner (Rusko) a DEMO 50. Taktéž jsou uvedeny vybrané údaje pro průtočný parní generátor projektu MSBR, MSR-Burner a DEMO 50. Byly shromážděny ekonomické údaje z publikací pro MSR systémy, jsou uvedenu ruské odhady a americké odhady. Odhady nákladů jsou značně ovlivněny specifickými podmínkami v zemi původu (např. v rozdílech v ročních nákladech na provoz apod.). Závěrem jsou navrženy vybrané problémy výzkumu a vývoje. ABSTRACT The review of components was subdivided into subsections focused on molten salt pumps, primary heat exchangers and steam generators. In the section molten salt pumps ALPHA pump (USA), MSRE pumps (USA), pump for experimental loop SOLARIS (Russia), considered pumps for MSBR (USA), graphite pump for a molten salt loop (France) and molten salt pump EVM (CR) design concepts are described and design data as well as operating data summarized. Design concept description of primary heat exchangers for MSBR, MSRE, MSR- Burner and DEMO 50 were performed and characteristic data summarized. Specific data have been collected to the proposed once-through steam generator for the MSBR, MSR-Burner and DEMO 50. Economical aspects of the MSR systems have been review from published information. Russian estimates of economic parameters of molten salt reactors and American cost estimates for the MSBR reactor were summarized. The cost estimates are very influenced by conditions and backgrounds in country where the estimates were performed (for example differences in annual operational costs etc). Finally selected R and D proposals and recommendations for future actions were formulated. 1

OBSAH ÚVOD...3 1 PŘEHLED MSR SYSTÉMŮ...4 2 PŘEHLED KOMPONENT...13 2.1 ČERPADLA...13 2.1.1 Čerpadlo ALPHA...13 2.1.2 Čerpadla pro MSRE...16 2.1.3 Čerpadlo pro experimentální okruh Solaris...18 2.1.4 Čerpadla pro MSBR 1000 MW...20 2.1.5 Grafitové čerpadlo pro okruh s roztavenou solí...22 2.1.6 Čerpadlo EVM-MSP-4...23 2.2 MEZIVÝMĚNÍKY TEPLA...26 2.2.1 Mezivýměník tepla pro MSBR 1000...26 2.2.2 Mezivýměník tepla pro MSRE...29 2.2.3 Mezivýměník tepla ruského systému MSR-Burner...29 2.2.4 Mezivýměník tepla pro DEMO 50...31 2.3 PARNÍ GENERÁTORY...34 2.3.1 Parní generátory systému MSBR 1000...34 2.3.2 Parní generátory ruského systému MSR-Burner...37 2.3.3 Parní generátory pro DEMO 50...40 3 NĚKTERÉ EKONOMICKÉ POHLEDY NA MSR SYSTÉMY...45 3.1 MSR-BURNER...45 3.2 MSBR 1000...45 3.3 POROVNÁNÍ...51 4 DOPORUČENÍ PRO DALŠÍ VÝVOJ V OBLASTI KOMPONENT A SYSTÉMŮ...51 4.1 NĚKTERÉ DÍLČÍ ÚLOHY PROBLEMATIKY MSR SYSTÉMŮ...52 4.1.1 V oblasti nosiče tepla (chladiva)...52 4.1.2 V oblasti mezivýměníků tepla...52 4.1.3 V oblasti cirkulačních čerpadel...52 4.1.4 V oblasti parních generátorů...53 4.1.5 V oblasti potrubí a ventilů...53 4.1.6 V oblasti pasivních systémů...53 4.1.7 V oblasti kontrolních systémů...54 4.2 VYBRANÉ PROBLÉMY Z OBLASTI SEKUNDÁRNÍHO OKRUHU...54 4.2.1. Návrh experimentálních ověření...54 4.2.2. Návrh experimentálního zařízení...54 4.2.3. Návrhy základního měření...56 5 REFERENCE...57 2

ÚVOD V současných jaderných reaktorech vsazené palivo je využito jen částečně. Použité jaderné palivo obsahuje spektrum radioaktivních izotopů s dlouhým poločasem rozpadu, z nichž některé jsou štěpitelné a toxické. Použité palivo je v současné době ukládáno do kontejnerů v meziskladech a uvažuje se o jeho dalším využití nebo trvalém hlubinném uložení. Přitom má toto palivo stále ještě vysoký energetický obsah. Je snaha co nejvíc zužitkovat energii obsaženou v palivu a co nejvíce snížit jeho aktivitu a toxicitu (obsah a složení některých štěpných produktů). Zdá se, že jednou z možných cest je použití paliva vyhořelého v klasických jaderných elektrárnách v transmutorech pracujících s palivem rozpuštěným ve vhodné roztavené nosné soli. Uvažovaný systém je nazývaný MSR systémem, tj. systémem s reaktorem s roztavenou solí (Molten Salt Reactor System). Základním přínosem zamýšlených MSR systémů je, že mohou pracovat s palivem použitým v klasických JE a tím pomoci v řešení problému kam s ním, že lépe zhodnotí energii obsaženou v palivu a že zbytkové produkty štěpných materiálů mají příznivější složení, než produkty z energetických reaktorů. MSR systémy se uvažují většinou jako tříokruhové. Principiální schéma takového systému je na obr. 1. MV PG T-R I II III T K G RE CI CII Obr. 1 Principiální schéma tříokruhového řešení MSR systému Legenda: T-R- transmutor-reaktor, MV- mezivýměník tepla, PG-parní generátor, TGturbogenerátor, K-kondenzátor, RE-regenerace, CI, CII, Č-čerpadla, I-primární okruh s palivovou solí, II-sekundární - vložený okruh s nosičem tepla, III-terciární parovodní okruh. U tříokruhové varianty MSR systému protéká pomocí oběhového čerpadla primárním okruhem roztavená palivová sůl (primární sůl) a předává teplo v mezivýměníku tepla nosiči tepla, který obíhá sekundárním okruhem. Nosič tepla předává teplo v parním generátoru (PG), kde se generuje přehřátá vodní pára pro pohon turbogenerátoru. Smyslem mezivýměníku je vytvořit bezpečnostní bariéru mezi radioaktivní primární solí a nosičem tepla v sekundárním okruhu. Tímto nosičem tepla může být opět Č 3

vzhledem k parametrům primární soli roztavená sůl, principiálně by jím mohla ale být i jiná látka, např. tekutý kov. V dalších částech se zpráva nezabývá fyzikálními problémy transmutace nebo konstrukčním řešením transmutoru-reaktoru, ale je zaměřena na některé vybrané komponenty okruhů, konkrétněji čerpadla, mezivýměníky tepla a parní generátory. Co se týče používaných pojmů je v uvedené tříokruhové koncepci primární výměník totožný s mezivýměníkem, sekundárním výměníkem se rozumí parní generátor. 1 PŘEHLED MSR SYSTÉMŮ Myšlenka použití jaderného paliva v zařízeních typu MSR není nová. Už více než před 30 lety byla projektována a konstruována zařízení, která pracovala na výše uvedených principech resp. testovala komponenty pro uvažované systémy. Tak např.: (a) Do stadia experimentálního provozu se dostal projekt MSRE (Molten Salt Reactor Experiment) v Národní laboratoři v Oak Ridge v USA (ORNL) [4] Toto zařízení pracovalo s experimentálním reaktorem bez energetického využití uvolňovaného tepla, prokázalo životnost uvažovaných systémů s transmutorem s roztavenou solí a umožnilo testování komponent okruhů systému. V primárním okruhu byla použita sůl 71,8LiF+16BeF 2 +12ThF 4 +0,2UF 4. V sekundárním okruhu cirkulovala sůl 7LiF+93BeF 2. Dispoziční uspořádání tohoto zařízení je na obr. 1.1.1. (b) Na základě zkušeností získaných s provozem MSRE byl v ORNL zpracován projekt zařízení s energeticky využitelným výkonem nazvaný MSBR 1000 (Molten Salt Breeder Reactor s výkonem 1000 MWe) [4]. Vybrané parametry tohoto zařízení jsou v tab. 1.2.1. Uvažovaná primární sůl: 71,7LiF+16BeF 2 +12ThF 4 +0,3UF 4 Uvažovaná sekundární sůl: 8NaF + 92NaBF 4 Reaktor Očekávaný elektrický výkon, MW Očekávaná účinnost Teplota palivové soli, C R-výstup R-vstup MSBR * 1000 0,4444 705 566 11820 Redukovaný 350 0,49 705 566 3752 výkon + Snížený 13,5 0,26 705 566 273 výkon + Celkový průtok soli reaktorem, kg/s Tab. 1.2.1 Některé parametry a účinnosti zařízení MSBR 1000 a obdobných zařízení s nižším výkonem * údaje ORNL + odhad Energovýzkumu 4

Schéma primárního okruhu zařízení MSBR 1000 je na obr. 1.2.1, schéma sekundárního okruhu je na obr. 1.2.2, schéma terciálního okruhu je na obr. 1.2.3. Celkový pohled na možné uspořádání komponent je na obr. 1.2.4. Obr. 1.1.1 Dispoziční uspořádání MSRE Legenda: FUEL PUMP palivové čerpadlo, COOLANT PUMP čerpadlo chladicí soli, HEAT EXCHANGER primární výměník tepla, REACTOR VESSEL reaktorová nádoba, 5

THERMAL SHIELD tepelný štít, BIOLOGICAL SHIELD biologický štít, FILL AND DRAIN TANKS zásobní a drenážní nádrže, COOLANT DRAIN TANK palivová drenážní nádrž, CARBON STEEL CONTAINMENT kontejnment z uhlíkaté oceli Primární okruh s cirkulující palivovou solí má 4 smyčky po 1 IHX (mezivýměník tepla) a 1 PP (primární čerpadlo) Obr. 1.2.1 Schéma primárního okruhu zařízení MSBR 1000 Teplota palivové soli v bodech A (IHX s vstup) 705 C B (IHX s výstup) 566 C Celkový průtok palivové soli reaktorem m R = 4 x 2955 = 11820 kg/s Legenda: PP cirkulační čerpadlo IHX mezivýměník 6

Sekundární okruh s cirkulujícím chladivem roztavenou solí NaF + NaBF 4 má 4 smyčky, v každé je 1 SP (sekundární čerpadlo), 1 SG (parní generátor), pro všechny 2 SH (přehříváky) Obr. 1.2.2 Schéma sekundárního okruhu zařízení MSBR 1000 Legenda: SP cirkulační čerpadlo IHX mezivýměník SG parní generátor SH přihřívák TO T trasa k turbíně Teploty chladiva ve vybraných místech Místo Teplota, C Průtok soli, kg/s (na 1 smyčku) I 621 1925,2 II 621 292,8 III 454 1925,2 IV 454 292,8 V 454 2218 VI 621 2218 VII přibližně 621 2218 7

SG SH TG Obr. 1.2.3 Schéma terciálního okruhu zařízení MSBR 1000 Legenda: SG parní generátor SH přihřívák TG turbogenerátor RSP ohřívák REGENERATION SYSTEM systém regenerace COND kondenzátor Projektové parametry vody a páry Místo Teplota, C Tlak, MPa Celkový průtok, kg/s 1 538 24,1 1276,16 1A 538 24,1 900,9 2 přibl. 3,72 646,16 3 343 3,72 646,16 4 538 3,72 646,16 5 371 přibl. 26,15 1276,16 6 5,08 kpa MSBR: Tepelný výkon 2250 MW Elektrický výkon 1000 MW Celková účinnost 0,4444 8

Obr. 1.2.4 Pohled na uspořádání komponent v zařízení MSBR 1000 Legenda: REACTOR reaktor, PRIMERY SALT PUMP čerpadlo primární soli, SECONDARY SALT PUMP čerpadlo sekundární soli, CONTROL ROD DRIVE řídící tyče, HEAT EXCHANGER mezivýměník tepla, STEAM GENERATOR parní generátor, REHEATER přihřívák páry, STEAM PIPING parní potrubí k turbíně, CATCH BASIN záchytný bazén nečistot V Rusku byl pro účely energetického využití zpracován projekt MSR-Burner [15]. Hlavní technické parametry tohoto systému jsou v tab. 1.3.1 9

Parametr Hodnota Elektrický výkon elektrárny, MW 1100 Tepelný výkon elektrárny, MW 2500 Počet odstavení reaktoru 1 vypouštěním palivové soli 2 činností řídících tyčí Počet okruhů 3 Primární okruh Chladivo Složení palivové nosné soli 66LiF-34BeF 2 Teplota tavení soli, C 458 Teplota chladiva, C reaktor vstup 620 620 reaktor výstup 720 Průtok aktivní zónou, kg/s (m/s) 1,07.10 4 (5,34) Tlak plynu v kompenzátoru objemu (cca), kpa ~ 200 Provedení Integrální (monoblok) Hydraulický odpor okruhu, kpa 900 Počet cirkulačních čerpadel s elektrickým 4 pohonem Elektrický příkon čerpadla, kw 2000 Rozměry reaktoru, m průměr 3 výška 3 3 Počet mezivýměníků tepla 12 Počet teplosměnných trubek 9x1 v 2977 mezivýměníku Délka teplosměnné části trubek, m 5,5 Rozměry monobloku, m průměr výška Objem materiálu v monobloku, m 3, chladivo ejektor s reflektorem kov (základ slitina niklu Hastelloy) 5 15 61 ~ 125 37 Počet vypouštěcích nádrží 6 Objem jedné nádrže,, m 3 16 Sekundární okruh Chladivo Sůl 92NaBF 4 8NaF Teplota tavení soli, C 385 Teplota chladiva, C PG vstup PG výstup 620 470 Celkový průtok chladiva přes 8 PG, kg/s (m/s) 1,1.10 4 (5,89) Tlak plynu v kompenzátoru objemu (cca), kpa 200 Provedení Čtyři smyčky se společnými kolektory v mezivýměníku tepla 10

Hydraulický odpor okruhu, kpa 650 Počet cirkulačních čerpadel s elektrickým 4 pohonem Elektrický příkon jednoho čerpadla, kw 2000 Počet vypouštěcích nádrží 8 Terciální okruh Pracovní látka Voda s nadkritickými parametry Teplota pracovní látky, C vstup PG 400 výstup PG 538 Tlak na výstupu páry PG, MPa 24,5 Průtok pracovní látky, kg/s 2700 Typ parního generátoru Průtočný s teplosměnnou plochou ve formě koaxiálních svazků Počet parních generátorů 8 Počet trubek 17x3 v jednom PG 1208 Teplosměnná plocha svazku trubek jednoho PG, 2250 m 2 Hydraulický odpor na straně pracovní látky PG, 3300 kpa Tab. 1.3.1 Základní parametry zařízení MSR-Burner (Rusko) Zařízení MSR-Burner je koncipováno jako tříokruhové. Mezivýměník s reaktorem jsou koncipovány integrálně ve společné tlakové nádobě. 11

6 7 6 7 8 1 8 5 4 10 3 9 11 8 2 8 6 7 6 7 Obr. 1.3.1 Principiální schéma zařízení MSR-Burner (Rusko) Legenda: 1 trasa přívodu nového paliva, 2 systém čištění paliva, 3 systém krycího plynu, 4 systém regulace tlaku plynu, 5 barbotážní trasa, 6 vstup napájecí vody, 7 výstup přehřáté páry, 8 trasa k zásobníkům sekundární soli, 9 pasivní bezpečnostní systém, 10 zásobníky primární soli, 11 zásobníky sekundární soli Experimetální stend SOLARIS pracoval v bývalém Sovětském svazu v sedmdesátých letech minulého století. Systém pracoval se solí typu 46,5 LiF+11,5NaF+42KF a mimo jiné na něm probíhalo testování odstředivých čerpadel [3] 12

V rámci projektu GAČR byly v Energovýzkumu Brno provedeny práce věnované problematice vlastností roztavených solí a návrhu, konstrukci a experimentálnímu ověření čerpadla pro okruhy s roztavenou solí [10]. Další teoretické práce byly zaměřeny na demonstrační jednotku MSR systému s výkonem 50 MW dále nazývanou DEMO 50. Byly provedeny návrhy a tepelné výpočtu mezivýměníků, parních generátorů a turbín pro tuto jednotku. Některé výsledky návrhů mezivýměníku a parních generátorů jsou uvedeny dále. 1. Vybrané problémy okruhů MSR jsou řešeny také ve ŠKODĚ JS, a.s., Plzeň a Ústavu jaderného výzkumu Řež, a.s.. 2. Významné práce v oblasti MSR systémů byly provedeny také ve Francii a Japonsku (např. transmutační projekt OMEGA). 3. V 5. Rámcovém programu Evropské unie (EUROPEAN COMMISION, 5 th EURATOM FRAMEWORK PROGRAMME 1998-2002, KEY ACTION: NUCLEAR FISSION) započaly studijní práce pro MSR program projektem MOST [14]. 2 PŘEHLED KOMPONENT Mezi nejvýznamnější komponenty okruhů MSR vedle vlastního transmutoru-reaktoru patří - čerpadla, - mezivýměníky tepla (primární výměníky) a - parní generátory. 2.1 ČERPADLA V následujících kapitolách jsou uvedeny bližší údaje čerpadel získané z dostupných literárních pramenů: 1. Čerpadlo ALPHA ORNL [1] 2. Čerpadla pro MSRE [2] 3. Čerpadlo pro experimentální okruh Solaris [3] 4. Čerpadla pro MSBR 1000 MW [4] 5. Grafitové čerpadlo pro okruh s roztavenou solí [5] 6. Čerpadlo EVM-MSP-4 [10] 2.1.1 Čerpadlo ALPHA Toto čerpadlo bylo vyvinuto v ORNL a jeho základní parametry jsou uvedeny v tab. 2.1.1.1. 13

Parametr Hodnota Typ použité soli LiF-BeF 2 -ThF 4 -UF 4 (72-16-11,7-0,3 mole %) Teplota soli, C 566 Hustota soli při 566 C, kg/m 3 3,33 Otáčky čerpadla, 1/min 5000 Průtok soli, m 3 /s 2,5 x 10-4 Výtlačná výška, m 58,2 Průtok pomocnou nádobou, cm 3 /s 21 Účinnost čerpadla a, % ~ 8 Tlak krycího plynu, kpa 143 Typ krycího plynu Helium Průtok mazacího oleje, l/min 0,6 Tlak mazacího oleje, kpa 157 Průtok chladicího oleje, l/min 1,7 Typická netěsnost na dolní ucpávce, cm 3 /den 2 až 25 Netěsnost na horní ucpávce, cm 3 /den 2 to 25 Vstupní teplota mazacího oleje, C 32 Výstupní teplota mazacího oleje, C 42 Vstupní teplota chladicího oleje, C 32 Výstupní teplota chladicího oleje, C 35 Tab.2.1.1.1 Návrhové parametry čerpadla ALPHA pro okruhy FCL-3 a 4 a Účinnost čerpadla je v uvedené aplikaci velmi nízká, protože čerpadlo pracuje daleko od návrhového pracovního bodu.. Provedení čerpadla je na obr. 2.1.1.1. 14

Obr. 2.1.1.1 Čerpadlo ALPHA (1 in. = 25,4 mm) Legenda: IMPELLER oběžné kolo, LIQUID LEVEL hladina roztavené soli, THERMAL BARRIER tepelná ochrana, COOLANT OIL chladicí olej, LOWER SEAL dolní těsnění hřídele, UPPER SEAL horní těsnění hřídele, LUBRICATION OIL mazací olej, GAS LINE, GAS IINLET napojení krycího plynu, AUIXILIARY TANK pomocná nádrž, LIQUID SAMPLING PORT odběrové místo Čerpadlo ALPHA bylo vyvinuto v Oak Ridge National Laboratory (ORNL) USA pro použití v okruzích s tekutými solemi nebo tekutými kovy. Jedná se o odstředivé čerpadlo. Rotor je vyroben ze slitiny Haslelloy N modifikované 2 % Ti. Čerpadlo bylo 15

navrhováno pro pracovní otáčky 6000 1/min a průtoky řádu 1,9 x 10-3 m 3 /s při teplotě až 760 C. V korozních smyčkách pracovalo při otáčkách 5000 1/min, průtoku 2,5 x 10-4 m 3 /s a teplotě cca 566 C. V těchto aplikacích je účinnost čerpadla poměrně nízká. Čerpadlo bylo provozováno v korozních okruzích FCL-3 a -4. Čerpadlo je poháněno 15 kw motorem s variabilními otáčkami. Motor je umístěn nad čerpadlem a pružně spojen s rotorem. Pomocná nádoba umístěná u čerpadla slouží jako kompenzátor objemu. 2.1.2 Čerpadla pro MSRE Jedná se o dvě čerpadla. Tato čerpadla byla vyvinuta pro experimentální reaktor s roztavenými solemi MSRE, který byl provozován v ORNL. První čerpadlo pro okruhy s palivovou solí, druhé pro okruhy se solí jako chladivem. Základní charakteristiky těchto čerpadel jsou v tab. 2.1.2.1. Čerpadlo Okruh s palivem Okruh s chladivem Pracovní látka Výtlak [m] Průtok [m 3 /s] Otáčky [1/min] Teplota [ C] Celková doba provozu [hod] Helium a 482 30 848 roztavená sůl Roztavená sůl 165 0,076 1175 538 663 21 788 Helium 38 663 7 385 Helium a 482 27 438 roztavená sůl Roztavená sůl 257 0,051 1175 538 691 26 076 Helium 38 691 4 707 Tab. 2.1.2.1 Základní charakteristiky čerpadel pro MSRE Provedení čerpadla je na obr. 2.1.2.1. 16

Obr. 2.1.2.1 Provedení čerpadla pro MSRE Legenda k obr. 2.1.2.1: 17

SHAFT COUPLING spojka hřídelů, SHAFT SEAL těsnění hřídele, WATER COOLED MOTOR motor chlazený vodou, LEAK DETECTOR detektor netěsnosti, LUBE OIL mazací olej, LUBE OIL BREATHER odplyňování mazacího oleje, BALL BEARINGS kroužkové těsnění, BEARING HOUSING uložení ložiska, GAS PURGE - čištění krycího plynu, SHAFT SEAL těsnění hřídele, SEAL OIL LEAKAGE DRAIN odvod oleje netěsností, SHIELD COOLANT PASSAGES průchody stínícího oleje, SHIELD PLUG těsnění stínění, GAS FILED EXPANSION SPACE expanzní nádrž, XENON STRIPPER odlučovač xenonu, SPRAY - sprchování, SAMPLER ENRICHER odběr vzorků, BUBLE TYPE LEVEL INDIKATOR indikátor hladiny, OPERATING LEVEL pracovní hladina Čerpadla pro palivovou sůl a sůl okruhu chladiva jsou provedením prakticky identická. Jsou řešena jako odstředivá čerpadla s vertikálním hřídelem a skládají se ze tří základních částí nádoby čerpadla, rotoru a hnacího motoru. Části, které jsou v kontaktu s roztavenou solí, byly konstruovány ze slitiny Hastelloy N. Nádoba čerpadla slouží také k vyrovnávání změn objemu soli v systému s teplem. Čerpadla byla dlouhodobě provozována. 2.1.3 Čerpadlo pro experimentální okruh Solaris Základní parametry čerpadla jsou uvedeny v tab. 2.1.3.1. Parametr Hodnota Typ použité soli, složení, mol % 46,5LiF-11,5NaF-42KF Výtlak (max), m 40\ Maximální objemový průtok, l/s 2,5 Otáčky (max), 1/min 2000 Teplota soli, C 500-700 Tab. 2.1.3.1 Základní parametry čerpadla pro okruh Solaris Provedení čerpadla je na obr. 2.1.3.1. 18

Obr. 2.1.3.1 Schéma provedení čerpadla pro experimentální okruh Solaris Legenda: 1 ulita čerpadla, 2 oběžné kolo, 3 hřídel, 4 systém chlazení, 5 svorníky, 6 - těsnění, 7 horní ložisko, 8 dolní ložisko, 9 pomocné těsnění, 10 snímač hladiny, 11 - výstup čerpané soli 19

Při návrhu čerpadla se vycházelo z čerpadel pro tekuté kovy. Čerpadlo se skládá z vertikálního hřídele (9) s oběžným kolem (2) v dolní části ponořeným do roztavené soli a drženým dvěma ložisky (7,8). Vstup a výstup čerpané soli jsou v dolní části nádoby čerpadla (11). Pomocné těsnění hřídele (9) je manžetového provedení. Dolní ložisko je chlazeno chladicím systémem (4). Hladina soli v nádobě je kontrolována snímačem (10). Čerpadlo bylo provozována cca 1500 hodin. 2.1.4 Čerpadla pro MSBR 1000 MW Byla navržena tři čerpadla a to čerpadlo pro primární okruh, čerpadlo pro sekundární okruh a dopravní čerpadlo. Základní projektové parametry těchto čerpadel jsou uvedeny v tab. 2.1.4.1. Parametr Hodnota Čerpadlo Primární Sekundární Dopravní a Požadovaný počet pro MSBR 1000, - 4 4 1 Střední teplota soli, C 704 621 704 Nominální průtok, m 3 /s 1,01 1,26 0,0063 (0,0002) Výtlak, m 45,7 91,4 30,5 (7,6) Otáčky, 1/min 890 1190 1790 (890) Měrné otáčky., N s, 1/min 2630 2335 560 (140) Požadovaná NPSH b, m 0,046 0,0914 Výkon na spojce, kw 1752 2423 15 (2,3) Průměr rotoru, mm 864 902 235 Průměr nádoby čerpadla, mm 1829 1829 610 Průměr sacího potrubí, mm 533 533 76 Průměr výtlačného potrubí, mm 406 406 51 Tab. 2.1.4.1 Základní projektové parametry čerpadel pro 1000-MW(e) MSBR a Tam, kde jsou uvedeny dvě hodnoty, vztahuje se první k plnění primárního okruhu systému a druhá k cirkulaci primární soli v okruhu pro chemickou úpravu primární soli. b NPSH = čistá sací výška. Koncepce čerpadla pro primární okruh je na obr. 2.1.4.1. 20

Obr. 2.1.4.1 Koncepce čerpadla pro primární okruh MSBR 1000 MW Legenda: MOTOR hnací motor, COUPLING spojovací hřídel, CONCRETE SHIELDING betonové stínění, BEARING AND SEAL ASSEMBLY díl těsnění a ložisek, REAKTOR CELL CONTAINMENT kobka reaktoru, PUMP TANK nádoba čerpadla, SHIELD PLUG těsnění stínění, ACTUAL SALT LEVEL hladina soli, IMPELLER oběžné kolo čerpadla 21

Dolní část čerpadla (nádoba čerpadla, rotor, pouzdro) jsou umístěny v reaktorové kobce, hnací motor je umístěn na podlaží nad reaktorem. 2.1.5 Grafitové čerpadlo pro okruh s roztavenou solí Základní charakteristiky čerpadla získané z reference [9] jsou uvedeny v tab. 2.1.5.1. Parametr Hodnota Typ použité soli LiF-NaF-KF Teplota soli, C 600 Průtok, l/s 0,15 Otáčky, 1/min 400 a 1000 Doba provozu, hod 2800 a 200 Tab. 2.1.5.1 Základní parametry grafitového čerpadla pro roztavenou sůl Schématický obrázek čerpadla je na obr. 2.1.5.1. Čerpadlo pracovalo několik stovek hodin v malém testovacím okruhu s objemem soli cca 10 l a smyslem jeho provozu bylo prokázat schopnost provozu při použití grafitových konstrukčních materiálů. Obr. 2.1.5.1 Schématický obrázek grafitového čerpadla pro roztavenou sůl 22

Legenda: 1 Grafitová nádoba 2 Grafitová tepelná izolace 3 Grafitové čerpadlo 4 Tepelný výměník 5 Zásobní nádrž 6 Vzduchotěsný kontejner 7 Topidla 8 Termočlánek 9 Průtokoměr 10 Rychločinný zamrzací ventil 11 Ochranný box 12 Elektrický motor čerpadla 2.1.6 Čerpadlo EVM-MSP-4 Základní charakteristiky čerpadla vyvinutého v Energovýzkumu jsou v tab. 2.1.6.1. Tab. 2.1.6.1 Základní charakteristiky čerpadla EVM-MSP-4 Parametr Hodnota Výtlačná energie při maximálních otáčkách, J/kg 190 Otáčky, 1/min 600 až 1 450 Teplota roztavené soli, C do 550 Maximální objemový průtok soli, l/s 3,4 Fotografie čerpadla je na obr. 2.1.6.1. 23

Obr. 2.1.6.1 Čerpadlo EVM-MSP-4 Čerpadlo EVM-MSP-4 bylo zapojeno do okruhu, jehož schéma je na obr. 2.1.6.2. 24

27 Obr. 2.1.6.2 Schéma zapojení čerpadla EVM do okruhu s roztavenou solí Legenda: 1-Čerpadlo na fluoridovou sůl, 2- Zásobní a bezpečnostní nádrž soli, 3- Průtokoměr, 4- Vakuová jednotka, 5- Systém krycího plynu, 6- Filtry zásobní nádrže, 7-Filtry čerpadla, 8- Generátor HF, 9-Difúzní jímka, 10-Hlavní cirkulační potrubí, 11-12 Spojovací potrubí, 13- Kolektor rozvodu krycího plynu pro čerpadlo, 14- Kolektor rozvodu krycího plynu pro zásobní nádrž, 15-Plynové potrubí do zásobní nádrže(i), 16- Plynové potrubí do zásobní nádrže(ii), 17- Plynové potrubí do čerpadla,18 až 24- Pomocná potrubí plynu, 25- Bezpečnostní barbotážní nádoby, 26 Systém ventilace, 27 Bezpečnostní box Čerpadlo má vertikální rotor uložený ve dvou ložiskových uzlech s valivými ložisky. Na konci rotorového hřídele je upevněno oběžné kolo čerpadla. Na konci hřídele rotoru nad horním ložiskovým uzlem je upevněna mechanická pružná spojka, alternativně magnetická spojka. Letmá část hřídele s oběžným kolem je zanořena do nádoby čerpadla, která je opatřena v dolní části dnem a v horní přírubou s těsněním. Příruba je připevněna k víku nádoby. V oblasti průchodu hřídele víkem nádoby je provedena mechanická ucpávka, nad ní je situován spodní ložiskový uzel. Spojka spojuje hřídel rotoru s hřídelí přírubového elektromotoru situovaném nad nádobou. Nádoba čerpadla plní také funkci kompenzace objemu. Podrobnější údaje k čerpadlu EVM-MSP-4 jsou v [10]. 25

2.2 MEZIVÝMĚNÍKY TEPLA Mezivýměníky tepla (primární výměníky tepla) použitých i navrhovaných koncepcí MSR tvoří bezpečnostní bariéru, na níž dochází k výměně tepla mezi primárním nosičem tepla (roztavenou aktivní palivovou solí) a nosičem tepla v sekundárním okruhu, kterým je z fyzikálních důvodů nejvhodnější většinou opět roztavená sůl. V navazujících kapitolách jsou uvedeny bližší údaje následujících mezivýměníků tepla (primárních výměníků tepla) získané z dostupných literárních pramenů: 1. Mezivýměník tepla pro MSBR 1000 [4] 2. Mezivýměník tepla pro MSRE [6,7] 3. Mezivýměník ruského systému MSR-Burner [15] 4. Mezivýměník pro DEMO 50 [8] 2.2.1 Mezivýměník tepla pro MSBR 1000 Základní charakteristiky tohoto mezivýměníku tepla jsou v tab. 2.2.1.1. 26

Parametr Hodnota Typ výměníku Jednotahový s trubkami a jejich distancováním Tepelný výkon, MW 556,5 Primární strana (uvnitř trubek) Teplonosná látka palivová sůl Vstupní teplota, C 704 Výstupní teplota, C 566 Vstupní tlak, MPa 1,24 Tlaková ztráta výměníku, MPa 0,9 Hmotnostní tok, kg/s 2948,4 Materiál trubek Hastelloy N Vnější průměr, mm 9,525 Tloušťka stěny, mm 0,89 Délka trubek, m 7,44 Teplosměnná délka mezi trubkovnicemi, m 7,07 Počet trubek, 1 5803 Rozteč trubek, mm 19,05 Celková plocha přestupu tepla, m 2 1293 Objem palivové soli v trubkách, m 3 2,04 Sekundární strana (uvnitř pláště výměníku) Chladicí látka NaF-NaBF 4 Vstupní teplota, C 454 Výstupní teplota, C 621 Výstupní tlak, MPa 0,23 Tlaková ztráta výměníku, MPa 115,7 Hmotnostní tok, kg/s 2242,8 Poloměr ohybu, mm 241 Materiál pláště Hastelloy N Tloušťka pláště, mm 12,7 Vnitřní průměr pláště, mm 1717 Průměr středové vytěsňovací trubky, OD, mm 508 Materiál trubkovnice Hastelloy N Šířka trubkovnice, mm 121 Typ přepážek Desky a drážky v otvorech Počet přepážek, celkový 21 Rozteč přepážek, mm 285 Tab. 2.2.1.1 Základní projektová data mezivýměníku tepla pro MSBR 1000 Provedení mezivýměníku tepla je na obr.2.2.1.1. 27

Obr. 2.2.1.1 Provedení mezivýměníku tepla pro MSBR 1000 Mezivýměník.je navrhován jako vertikální tělesový výměník se svazkem trubek tvaru L- v jednom plášti vnitřního průměru 1717 mm. Primární sůl vstupuje do trubek v horní části výměníku, z výměníku vystupuje v dolní části. Výměník je tvořen 5308 trubkami rozměrů φ9,53x 0,89 mm rozmístěných rovnoměrně kolem střední vytěsňovací trubky průměru 508 mm. Sekundární sůl protéká potrubím ve vytěsňovací trubce do mezitrubkového prostoru a pak prostorem mezi trubkami zdola nahoru. Její proudění 28

mezitrubkovým prostorem je usměrňováno kruhovými vestavbami, podélné proudění je tak částečně převáděno na příčné obtékání svazku trubek. Plášť i trubky výměníku jsou vyrobeny z materiálu Hastelloy N. 2.2.2 Mezivýměník tepla pro MSRE Základní parametry mezivýměníku tepla jsou uvedeny v tab. 2.2.2.1. Parametr Hodnota Typ primární soli 7LiF-BeF 2 -ZrF 4 -UF 4 Chladící (sekundární) sůl 7LiF-BeF 2 Průtok primární soli, l/s 80 Vstupní teplota, C 654 Výstupní teplota, C 632 Průtok sekundární soli, l/s 41,6 Vstupní teplota, C 546 Výstupní teplota, C 579 Počet teplosměnných trubek, 1 159 Rozměr teplosměnných trubek, mm vnější průměr 12,7 Délka teplosměnných trubek, m 2,44 Materiál teplosměnných trubek Hastelloy N Průměr obalové trubky, mm 416,6x5,1 Tab. 2.2.2.1 Základní parametry mezivýměníku tepla pro MSRE Primární výměník byl konstruován pro tepelný výkon 8 MW. Výměník byl koncipován jako plášťový výměník typu U-trubice a orientován horizontálně. Primární sůl proudila v obalové trubce, sekundární sůl uvnitř 159 trubek s vnějším průměrem 12,7 mm uspořádaných v trojúhelníkové mříži. Délka trubek - 2,44 m, použitý materiál Hastelloy N. 2.2.3 Mezivýměník tepla ruského systému MSR-Burner Mezivýměník tepla ruského systému MSR-Burner je integrován ve společné tlakové nádobě spolu s reaktorem. Schématicky je toto provedení na obr. 2.2.3.1. Vybrané parametry mezivýměníku tepla jsou uvedeny v tab. 1.3.1 v části přehledu systémů MSR. 29

A B IV B B VI V III II I Obr. 2.2.3.1 Umístění mezivýměníku tepla v ruské koncepci MSR-Burner Legenda: I - aktivní zóna reaktoru, II- grafit, III- hladina roztavené soli, IV- mezivýměníky (12 po obvodu reaktoru), V čerpadla (4 ks), VI- řídící tyče Schéma uspořádání mezivýměníků tepla v systému je zřejmé z obr. 1.3.1. 30

Mezivýměníky tepla jsou v projektu MSR-Burner koncipovány v jednom monobloku společně s reaktorem. 12 mezivýměníků je rozmístěno rovnoměrně na vnějším obvodu nádoby reaktoru. Primární sůl proudí mezitrubkovým prostorem, sekundární sůl uvnitř trubek teplosměnného svazku. Celkový počet trubek rozměrů φ9x1 mm a délky 5,5 m v jednom mezivýměníku je 2977. 2.2.4 Mezivýměník tepla pro DEMO 50 Mezivýměník tepla pro demonstrační jednotku DEMO 50 je navržen v [8]. Návrhové parametry vychází z teplot podobných teplotám zařízení MSBR 1000 a jsou v tab. 2.2.4.1. Látka, konstrukční díl a parametr Rozměr Hodnota Palivová sůl: na bázi LiF-BeF 2 Vstupní teplota Výstupní teplota Výpočtový tlak Nosič tepla: NaBF 4 -NaF Vstupní teplota Výstupní teplota Výpočtový tlak Teplosměnné trubky: Materiál Vnější průměr Počet trubek C C MPa C C MPa - mm - 705 566 0,9 454 621 0,5 MONICR 10 570 Tab. 2.2.4.1 Návrhové parametry mezivýměníku tepla pro DEMO 50 Výsledky výpočtů jsou v tab. 2.2.4.2. 31

Látka, konstrukční díl a parametr Rozměr Hodnota Palivová sůl: Hmotnostní průtok Střední rychlost proudění v trubkách Střední délka trubek Celková tlaková ztráta na straně palivové soli Objem soli v trubkách kg/s m/s m MPa m 3 265,1 2,8 7,4 0,58 0,212 Nosič tepla: Hmotnostní průtok Střední rychlost proudění v mezitrubkovém prostoru Objem soli v mezitrubkovém prostoru Hlavní rozměry: Maximální vnější průměr výměníku Vnější průměr v oblasti svazku trubek Výška výměníku (hrdlo - hrdlo) Vnější průměry hrdel palivová sůl nosič tepla (sekundární strana) kg/s m/s m 3 mm mm mm mm mm Tab. 2.2.4.2 Vypočítané parametry mezivýměníku tepla pro DEMO 50 Schéma návrhu mezivýměníku tepla je na obr. 2.2.4.1. 198,7 0,7 1,154 980 585 cca 8500 159 209/159 32

Obr. 2.2.4.1 Schéma mezivýměníku tepla pro DEMO 50 Mezivýměník tepla je navrhován jako vertikální výměník s trubkami ve tvaru písmene L zakotvenými do trubkovnic. Palivová sůl proudí trubkami, sekundární sůl v mezitrubkovém prostoru. Pro intenzifikaci přestupu tepla na straně sekundární soli 33

jsou v sekundárním prostoru vestavby, které navádí proudící látku z podélného obtékání trubek na co nejvíce příčné. 2.3 PARNÍ GENERÁTORY Parní generátory zařízení MSR systémů se od PG používaných v klasických JE odlišují principiálně především nosičem tepla. Vzhledem k vyšší úrovni pracovních teplot roztavených solí v primárním okruhu jsou jako nosič tepla v sekundárním okruhu uvažovány opět roztavené soli a vzhledem k některým jejich vlastnostem bude asi třeba na sekundární straně počítat s nadkritickými parametry vody. V navazujících kapitolách jsou uvedeny bližší údaje navrhovaných parních generátorů (sekundárních výměníků tepla) získané z dostupných literárních pramenů: 1. Parní generátory systému MSBR 1000 2. Parní generátory ruského systému MSR-Burner 3. Parní generátory pro DEMO 50 Na rozdíl od mezivýměníků tepla a čerpadel nebyl žádný parní generátor vyhřívaný roztavenou solí dosud nikde experimentálně provozován. 2.3.1 Parní generátory systému MSBR 1000 Umístění parních generátorů v systému MSBR 1000 je zřejmé z obr. 1.2.4, půdorysný pohled na toto uspořádání je na obr. 2.3.1.1. Obr. 2.3.1.1 Půdorysný pohled na umístění PG v systému MSBR 1000 34

Legenda: REACTOR reaktor, PRIMARY SALT PUMP čerpadlo primárního okruhu soli, HEAT EXCHANGER mezivýměník tepla, SECONDARY SALT PUMP čerpadlo sekundárního okruhu, STEAM GENERATOR parní generátor, REHEATER přihřívák, STEAM PIPING parní potrubí Detailnější pohled na provedení PG je na obr. 2.3.1.2. Obr. 2.3.1.2 Navrhovaný parní generátor pro MSBR 1000 Základní parametry PG pro MSBR 1000 jsou v tab. 2.3.1.1. V tab. 2.3.1.2 jsou základní parametry přihříváku. 35

Parametr Hodnota Celkový tepelný výkon, MW 1931,2 Počet PG na jednotku MSBR 1000 16 Parametry PG (jednoho PG z 16) Tepelný výkon, MW 120,7 Parametry sekundární strany (pára od 24,77 do 26,14 MPa) Vnější průměr, mm 12,7 Délka trubkového svazku (střední) mezi trubkovnicemi, m 23,3 Počet trubek 393 Vstupní teplota, C 371-538 Hmotnostní tok, kg/s 79,76 Tlaková ztráta, MPa 1,17 Parametry primární strany (strana soli) Vnitřní průměr pláště, mm 457 Vstupní a výstupní teplota, C 621 454 Hmotnostní tok, kg/s 481,3 Tlaková ztráta, MPa 0,42 Tab. 2.3.1.1 Návrhové základní parametry parních generátorů systému MSBR 1000 Parametr Hodnota Celkový tepelný výkon, MW 292,8 Počet přihříváků na jednotku MSBR 1000 8 Parametry přihříváku (jednoho přihříváku z 8) Tepelný výkon, MW 36,6 Parametry strany páry (pára 3,78 MPa) Vnější průměr trubek, mm 19 Délka trubek, m 9,24 Počet trubek 400 Vstupní a výstupní teplota, C 343 538 Hmotový tok, kg/s 80,77 Tlaková ztráta (přibližně), MPa 0,09 Primární strana (strana soli) Vnější průměr pláště, mm 540 Vstupní a výstupní teplota soli, C 621 454 Hmotnostní tok, kg/s 146,2 Tlaková ztráta, MPa 0,41 Tab. 2.3.1.2 Návrhové základní parametry přihříváku páry systému MSBR 1000 Systému MSBR 1000 má 16 PG tvaru Ω a provedení dle obr. 2.3.1.2. Za 16 kusů PG je pak řazeno celkem 8 kusů přihříváku, vše umístěno v kobce PG. Celkově PG vyrábí kolem 1260 kg/s páry. Napájecí voda nadkritických parametrů má tlak 24,8 MPa a vstupní teplotu 371 C. PG jsou řešeny jako tělesové s pláštěm vnitřního průměru 457 mm a 393 trubkami vnějšího průměru 12,7 mm. Voda proudí uvnitř trubek, nosič tepla sůl mezitrubkovým prostorem. 36

2.3.2 Parní generátory ruského systému MSR-Burner Schématicky jsou parní generátor pro systém MSR-Burner na obr. 2.2.3.1. Detailnější pohled je na obr. 2.3.2.1. Rozmístění celkového počtu 8 PG na jednotku je nejlépe zřejmé z obr. 2.3.2.2 a 2.3.2.3. Základní parametry parního generátoru vyplývají z tab. 1.3.1 a jsou shrnuty v tab. 2.3.2.1. Parametr Hodnota Celkový tepelný výkon, MW 2500 Počet PG 8 Primární strana Pracovní látka 92NaBF 4 8NaF Vstupní teplota, C 620 Výstupní teplota, C 470 Průtok (na 8 PG), kg/s 11 000 kg/s Sekundární strana Pracovní látka voda-pára Vstupní teplota, C 400 Výstupní teplota, C 538 Průtok, kg/s 2700 Tlak, MPa 24,5 Tab. 2.3.2.1 Základní parametry PG pro MSR-Burner Systém MSR-Burner má 8 kusů paralelně zapojených PG. Nosič tepla, primární sůl, proudí v mezitrubkovém prostoru, voda s nadkritickými parametry uvnitř trubek. Svazky teplosměnných trubek mají tvar U-článků. Rozměry teplosměnných trubek φ17x3 mm, počet teplosměnných trubek v jednom PG - 1208. 37

38 Obr. 2.3.2.1 Schéma parního generátoru pro MSR-Burner

Obr. 2.3.2.2 Dispozice uspořádání parních generátorů v systému MSR Burner Legenda: 1 - integrovaný primární okruh, 2 kompenzátor objemu, 3 - parní generátory, 4 zásobní nádrže se sekundární solí, 5 - ohříváky, 6 zásobní nádrže s primární solí Obr. 2.3.2.3 Rozmístění parních generátorů v systému MSR-Burner (půdorys) Legenda: 1 integrovaný primární okruh, 2 parní generátory 39

2.3.3 Parní generátory pro DEMO 50 Návrh parních generátorů pro demonstrační jednotku DEMO 50 vychází ze zkušeností získaných v ČR při vývoji, výrobě, dodávce a provozu parních generátorů na elektrárnách v bývalém Sovětském svazu. Jedním z těchto PG je tzv. obrácený parogenerátor (OPG1). Tento parní generátor dosud odpracoval bez jediné závady více než 110 000 hodin v režimu generace páry na elektrárně BOR 60, která pracuje s rychlým reaktorem chlazeným tekutým sodíkem. Zkušenosti s projekce PG s tekutým kovem jako nosičem tepla byly využity při návrhu PG s nosičem tepla roztavenou solí. OPG1 byl řešen jako modulový (článkový) parní generátor s 8 paralelními články. Každý z článků je tvořen 19 teplosměnnými trubkami umístěnými v obalové trubce. Sodík jako nosič tepla proudí uvnitř teplosměnných trubek, voda a generovaná pára v mezitrubkovém prostoru. OPG1 generuje přehřátou páru, článek přehříváku je zařazen za článkem dohříváku a výparníku. Konstrukční provedení OPG1 je schématicky na obr. 2.3.3.1. Na obr. 2.3.3.2 je řez článkem PG. Výhodou koncepce obrácených PG je skutečnost, že při vzniku netěsnosti mezi primární a sekundární stranou výměníku dochází k reakci mezi primáním nosičem tepla a vodou v relativně malém objemu (uvnitř teplosměnné trubky). V případě ověřeném na čs. sodíkových PG splodiny reakce sodíku s pronikající vodou ucpaly poškozenou trubku a netěsnost se dále významě neprojevovala. Koncepce obrácených PG má tedy charakter inherentní pasivní bezpečnosti a jejích aplikace na PG s nosičen tepla roztavenou solí je nepochybně na straně vysoké technické a jaderné bezpečnosti zařízení. Jako nosič tepla je v návrhu PG pro DEMO 50 uvažována roztavená sůl 8NaF + 92NaBF 4. Teplota tavení této soli je výrazně vyšší, než teplota tavení sodíku u OPG1 a parní generátory pro DEMO 50 jsou proto navrhovány jako parní generátory s nadkritickými parametry vody. Parní generátor má jen jednu část, dělení na dohřívák, výparník a přehřívák ztrácí u nadkritických parametrů význam. PG pro DEMO 50 je navrhován jako obrácený parní generátor složený s 8 nebo 14 paralelních modulů, teplonosná sůl proudí uvnitř teplosměnných trubek, voda s nadkritickými parametry v mezitrubkovém prostoru. 40

Obr. 2.3.3.1 Boční pohled na parní generátor OPG1 v izolační krabici a v boxu Legenda: 1,2,3 článek dohříváku, výparníku a přehříváku 15 komora páry z výparníku 4 vstupní potrubí sodíku 16 komora výstupu páry ze separátoru 5 sodíková komora 17 výstupní potrubí páry z větve 6 vstupní potrubí sodíku do větve 18 komora výstupu přehřáté páry 7 výstupní potrubí sodíku 19 - nosná konstrukce 8 výstupní sodíková komora 20 horní příčné nosníky 10 potrubí sodíku z PG do VN 21 spodní příčné nosníky se závěsem 11 vyrovnávací nádrž (VN) 22 izolační krabice 41

12 komora napájecí vody 23 elektrická topidla 13 potrubí napájecí vody do větve 24 betonový box 14 převáděcí potrubí vody z dohříváku do výparníku Obr. 2.3.3.2 Příčný řez článkem OPG1 Legenda: 19 teplosměnných trubek v šestiúhelníkové mříži, v přímých částech v šestiúhelníkovém opláštění Vstupní parametry zadání výpočtů PG pro DEMO 50 jsou uvedeny v tab. 2.3.3.1. Tyto parametry vychází z parametrů uvažovaných pro primární okruh zařízení DEMO 50 s mezivýměníkem uvedeným v části 2.2.4. 42

Parametr Hodnota Nosič tepla (primární strana) NaBF 4 -NaF roztavená sůl uvnitř teplosměnných trubek Vstupní teplota, C 621 Výstupní teplota, C 454 Pracovní látka (sekundární strana) voda Střední tlak, MPa 25,3 Vstupní teplota, C 395 Výstupní teplota, C 535 Tepelný výkon PG, MW 50 Materiál teplosměnných trubek MONICR Rozměry Teplosměnné trubky ve svazku, mm φ25x3 resp. φ10x1,5 voda v mezitrubkovém prostoru Rozměry obalové trubky (pláště článku), mm φ194x12 Počet trubek v článku, 1 19 nebo 91 Počet paralelních článků, 1 8 nebo 14 Tab. 2.3.3.1 Vstupní (návrhové) parametry PG pro DEMO 50 Výsledkem výpočtů jsou rozměry článků PG. Každý PG pro DEMO 50 je pak tvořen 8 resp. 14 paralelně řazenými články navržených průměrů a vypočítaných délek. Schématicky je toto řešení na obr. 2.3.3.3.. Výsledky výpočtů PG pro DEMO 50 jsou pro vybranou variantu PG se 8 větvemi a trubkami φ25x3 mm uvedeny v tab. 2.3.3.2, rozložení teplot po délce článku je na obr. 2.3.3.4. Snížení délky parního generátoru cca na polovinu je možné dosáhnout použití trubek φ10x1,5. Obr. 2.3.3.3 Principiální schéma uspořádání článků PG pro DEMO 50 Legenda: pracovní látka voda s nadkritickými parametry (tlakem nad 22,12 MPa) 43

Výsledky výpočtů PG sůl-voda Obecné charakteristiky Typ PG článkový Nosič tepla (sůl) NaBF 4 -NaF Počet článků 8 Rozměry teplosměnných trubek φ 25x3 mm Počet trubek 19 Materiál trubek MONICR Vstupní parametry tvvst C 395 tvvyst C 535 mv kg/s 60,6042 pv MPa 25,3 tkvst C 621 tkvyst C 454 mk m 3 /s 0,1097 Hlavní výsledky Výkon MW 50,1 Střední délka trubek m 32,3 Tab. 2.3.3.2 PG pro DEMO 50, varianta φ 25x3 mm, 8 paralelních článků 2 3 4 1 Obr. 2.3.3.4 Rozložení teplot po délce PG DEMO 50, varianta φ 25x3 mm, 8 paralelních článků Legenda: červená (1) teplota vody/páry, modře (2) teplota soli, šedě (3,4) teplota vnější a vnitřní stěny teplosměnné trubky 44

3 NĚKTERÉ EKONOMICKÉ POHLEDY NA MSR SYSTÉMY Podrobnější ekonomické rozbory nákladů na realizaci MSR systémů pro budoucí komerční provoz jsou uvedeny u amerického projektu MSBR 1000 [4] a u ruského projektu systému MSR-Burner [15]. 3.1 MSR-BURNER Vybrané ekonomické aspekty jsou uvedeny v tab. 3.1.1. Položka Jednotka Hodnota 1 Výkon reaktoru - elektrický - tepelný MW MW 1100 2500 2 Počet reaktorových bloků ks 2 3 Počet provozních hodin na výkonu za rok hodiny 8000 4 Životnost roky 40 5 Roční výroba energie 10 9 kwh 14,4 6 Účinnost spalování aktinoidů: - vysoce aktivní plutonium - izotopy s dlouhou délkou života kg / rok kg / rok 1000 550 7 Počet zaměstnanců člověk 1600 8 Celkové investice mil. USD 2726 9 Roční provozní náklady mil. USD/rok 252,2 10 Nákupní cena elektrické energie cent/kwh 2,0 11 Cena vyrobené energie mil. USD/rok 288 12 Roční ekonomie v palivovém cyklu VVER 1000 z důvodů mil. USD/rok 104,5 transmutací dlouhodobých minoritních aktinoidů (MA) 13 Celkový zisk z výroby energie mil. USD/rok 147,9 14 Ziskovost % 58,6 15 Primární náklady na vyráběnou elektrickou cent/kwh 0,97 energii 16 Doba návratnosti základních investic: - počítáme-li návratnost pouze z hlediska zisku elektrárny - počítáme-li návratnost z hlediska celkového zisku rok rok 13,6 10,8 Tab. 3.1.1 Vybraná technicko-ekonomická data projektu MSR-Burner (údaje z roku 2000) 3.2 MSBR 1000 Porovnání nákladů na výrobu elektrické energie v zařízení MSBR 1000 s klasickou tlakovodní jadernou elektrárnou bylo provedeno v [4]. Toto porovnání bylo provedeno 45

na základě cenových relací platných v roce 1970, náklady jsou uvedeny v milionech dolarů. Celkové srovnání je v tab. 3.2.1. Nákladová Položka Náklady položka č. MSBR PWR 1000 mil. USD 20 Pozemek 0,6 0,6 21 Stavba a inženýrské sítě 28,8 25,6 22 Hlavní části reaktorového bloku 221 Reaktor 18,0 17,8 222 Hlavní systémy odvodu tepla 25,2 29,2 223 Bezpečnostní chladicí systémy 4,1 224 Zpracování kapalných odpadů a uložení 0,7 0,7 225 Skladování paliva 4,2 1,3 226 Ostatní systémy reaktoru 9,8 0,5 227 Systémy měření a regulace 4,0 5,1 Záloha a náhradní díly 9,0 2,9 Celkový součet 22 70,9 61,6 23 Hlavní části strojovny s turbogenerátorem 231 Turbogenerátor 20,8 32,7 232 Kondenzační systém 2,0 3,1 233 Kondenzátory 2,2 4,7 234 Systém ohřevu napájecí vody 7,7 6,1 235 Ostatní zařízení 6,2 3,9 236 Systémy měření a regulace 0,5 0,7 Záloha a náhradní díly 2,2 2,5 Celkový součet 23 41,6 53,7 24 Elektrozařízení 8,0 8,0 25 Jiné části elektrárny 2,0 2,0 26 Speciální materiály 1,0 Celkové přímé náklady stavby 152,3 150,9 91-94 Nepřímé náklady 50,3 49,2 Celkové investiční náklady 202,6 200,7 Tab. 3.2.1 Celkové srovnání nákladů na MSBR 1000 s JE typu PWR (v milionech dolarů) Detailněji jsou náklady na výstavbu rozvedeny v tab. 3.2.2. 46

Nákladová Položka Náklady (tisíce USD) položka č. Materiál Práce b Celkem 20 Pozemek c (viz položku 94) 590 21 Stavby a inženýrské sítě 211 Stavební úpravy 500 565 1 065 212 Raktorová budova 212.1 Základní stavba d 3358 3358 6 716 Speciální materiály Nerezová ocel, USD 1,20/1b 334 143 477 Uhlíkatá ocel, USD 0,60/1b 1 850 1 240 3 090 Izolace, USD 10/ft 3 320 137 458 212.2 Stavební služby 325 175 500 212.3 Stavba kontejmentu, USD 2/lb 1 900 1 900 3 800 Celkem pro nákl. pol. 212 8088 6953 15041 213 Budova strojovny e 2 200 1 800 4 000 214 Vtoková a výtoková soustava 540 360 900 218A Prostor ohřevu vody a 1 720 1 410 3 130 218B Nakládací a vykládací prostory 590 480 1 070 218C Kanceláře, dozorny, atd. 450 300 750 218D Skladiště a jiné 36 24 60 Celkem pro nákl. pol. 218 2 796 2 214 5 010 219 Ventilační komín g 320 180 800 Celkem pro nákl. pol. 21 14 444 12 372 26 816 Záloha: 5% materiál, 10% práce 722 1 237 1 959 Náhradní díly: 1/2 % 76 Celkem pro nákl. pol. 21 15 242 13 609 28 851 22 Reaktorový blok 221 Zařízení reaktor h 221.1 Reaktorová nádoba i 9 100 400 9 500 221.2 Řídící tyče 1 000 100 1 100 221.3 Grafit 7 200 200 7 400 Celkem pro nákl. pol. 221 17 300 700 18 000 222 Hlavní systém odvodu tepla 222.11 Čerpadla pro palivovou sůl 3 100 200 3 300 222.12 Primární potrubí palivové soli 300 129 429 222.13 Primární výměníky tepla 7 100 200 7 300 222.31 Čerpadla pro chladicí (sekundární) 4 200 200 4 400 sůl 222.32 Potrubí sekundárního okruhu 1 330 570 1 900 222.33 Parní generátory 5 790 430 6 270 Přihříváky 1 468 200 1 668 Celkem pro nákl. pol. 222 23 288 1 979 25 267 Tab. 3.2.2 Předpokládané náklady na výstavbu jaderné elektrárny typu MSBR 1000 47

Nákladová Položka Náklady (tisíce USD) položka č. Materiál Materiál Materiál 224 Zacházení s rad. odpady a jejich uložení 224.1 Kapalné materiály 45 15 60 224.2 Systém plynných výpustí 350 150 500 224.3 Ukládání pevných odpadů(ne produktů štěpení) 75 25 100 Celkem pro nákl. pol. 224 470 190 660 225 Sklad jaderného paliva 225.4 Primární drenážní nádrž 2 680 300 2 980 Zásobní nádrž palivové soli 643 70 713 Dopravní čerpadlo soli 480 20 500 Celkem pro nákl. pol. 225 3 803 390 4 193 226 Ostatní reaktorová zařízení 226.1 Systém inertního plynu 230 120 400 226.2 Pomocný ohřívák k 2 550 450 3 000 Systém ohřevu kobek l 200 130 330 226.3 Drenážní nádrže chladicí soli 765 35 800 226.4 Manipulace s chladicí solí 20 5 25 226.5 Sytém čištění chladicí soli 125 25 150 226.6 Systém detekce úniků 150 100 250 226.7 Systém chlazení kobek 150 150 300 226.8 Zařízení pro údržbu 3 600 900 4 500 Celkem pro nákl. pol. 226 7 840 1 915 9 755 227 Měření a regulace 3 200 800 4 000 Celkem pro nákl. pol. 22 55 901 5 974 61 875 Záloha: 15% materiál, 10 % práce 8 385 597 Náhradní díly: 1.5% n 102 Celkem pro nákl. pol. 22 64 388 6 571 70 959 23 Zařízení strojovny 231.1 Turbogenerátor o 19 361 1 000 20 361 231.2 Základy 225 225 450 Celkem pro nákl. pol. 231 19 586 1 225 20 811 232.3 Systém kondenzace 1 100 900 2 000 233 Kondenzátory 1 500 700 2 200 234 Systém ohřevu napájecí vody 234.1 Regenerační ohříváky napájecí vody 1 800 100 1 900 234.2 Kondenzátní čerpadla 180 20 200 Napájecí čerpadla ohříváku 1 890 210 2 100 234.3 Potrubí a příslušenství Napájecí voda a kondenzát 900 900 1 800 Odebíraná pára 375 375 750 Drenáže a klimatizace 125 125 250 Směšovací komory 72 8 80 Přídavná tlaková čerpadla 585 65 650 Tab. 3.2.2, pokračování Celkem pro nákl. pol. 234 5 927 1 803 7 730 48

Nákladová Položka Náklady (tisíce USD) položka č. Materiál Materiál Materiál 235 Jiná zařízení strojovny 235.1 Hlavní parní potrubí P 1 700 1 700 3 400 235.2 Příslušenství turbíny 250 200 450 235.3 Pomocné chladicí systémy a 600 300 900 235.4 Odvod tepla 320 160 480 235.5 Zpracování kondenzátu 480 320 800 235.6 Centrální systém mazání 60 30 90 235.7 Ohřev přihřívákové páry 110 25 135 Celkem pro nákl. pol. 235 3 520 2 735 6 255 236 Měření a regulace turbíny 330 170 500 Celkem pro nákl. pol. 23 31 963 7 533 39 496 Záloha: 4% materiál, 8% práce 1 279 603 1 882 Náhradní díly: 0,5 % 220 220 Celkem pro nákl. pol. 23 33 462 8 136 41 598 24 Elektrozařízení 241 Spínače 241.1 Okruhy generátoru 100 30 130 241.2 Obsluha elektrárny 1 000 100 1 100 242 Služby 450 360 810 243 Rozvaděče 400 70 470 244 Ochrany 100 100 200 245 Elektrická zařízení 150 600 750 246 Elektrické vedení 2 000 2 000 4 000 Celkem pro nákl. pol. 24 4 200 3 260 7 460 Záloha: 5% materiál, 10 % práce 200 200 500 Náhradní díly: 0,5 % 40 40 Celkem pro nákl. pol. 24 4 440 3 560 8 000 25 Různé části elektrárny 251 Zdvíhací zařízení turbíny 333 37 370 252 Plynové a vodní hospodářství 490 330 820 253 Komunikace 50 50 100 254 Ostatní vybavení a inventář 350 20 370 Celkem pro nákl. pol. 25 1 223 437 1 660 Záloha: 5% materiál, 10 % práce 61 44 Náhradní díly: 1% 13 Celkem pro nákl. pol. 25 1 297 487 1 778 26 Speciální materiály 264 Zásoba chladicí soli r 500 265 Různé speciální materiály 500 Celkem pro nákl. pol. 26 1 000 Přímé náklady na stavbu (TDC) 152 305 91 Zařízení stavby a služby při 0,8% TDC s 1 218 921 Technologie reaktoru t 2 250 49

922 Technologie při 5,5 % TDC s 8 377 93 Pojištění, poplatky atd. 4,2 % z TDC s 6 397 94 Úrok při výstavbě 18,58 % u 31 687 942 Úrok z pozemků při výstavbě v 420 Celkové nepřímé náklady w 50 349 Celkové náklady 202 654 Tab. 3.2.2 dokončení Poznámky k tabulce 3.2.2. a Odhadované náklady. Odhady vychází z cen leden 1970. Předpoklad 5 roků výstavby a úrok 8 %, rezervy 15 % [16]. b Práce na místě montáže. c Pro typickou JE (Albany, N. Y.). Náklady na pozemky jsou v nepřímých nákladech. d Základní technologie zahrnují všechny části reaktoru a kontejnmentu s výjimkou střechy (ta je v položce 212.3). Odhady vycházejí z ceny betonu USD 103/yd 3. e Cena stavby je počítána ze základu USD 1,00/ft 3. f Cena stavby počítaná ze základu USD 0,65/ft 3. g Komín je vysoký 400 ft (počítáno USD 2000/ft. h Reaktorový štít je zahrnut v položkách započtených v nákladové položce 212.1. i Uvažovaná průměrná cena slitiny Hastelloy N v USA kolem USD 14/lb. j Uvažovaná průměrná cena grafitu kolem USD 10/lb. k Výkon kotle ~200,000 Ib/hod. l Vychází z 950 těle ohříváku při ceně USD 200 za kus. m Vychází z doporučení v NUS-531 [16]. n Nezahrnuje aktivní zónu reaktoru. Vychází z tandemové koncepce, 6 toků, 31- in. jednotka (cena WEC). p Vychází z 900 ft vysokého hlavního tlakového potrubí s váhou 370 Ib/ft a cenou USD 0,75/lb a z 700 ft přehřívákového potrubí s váhou 468lb/ft a cenou USD 0,75/lb. q Systém technické vody. r Vychází z 1 x 10 6 lb soli s cenou USD 0,50/lb. Sůl je považována za odpisovou investici. s Z lit. [16]. t Z lit. [16]. u Vychází z 5 let výstavby a 8% úroku ročně a typického toku financí dle [16]. v Vychází ze sedmiletého vlastnictví při 8% úroku ročně. w Nepřímé ceny činí okolo 33% TDC. 50

3.3 POROVNÁNÍ Výsledky porovnání uváděných výše jsou shrnuty v tab. 3.3.1. Systém Celkové investiční náklady na 1000 MW, mil. USD MSBR 1000 (v roce 1970 v USA) 202,6 PWR (1000 MWe) (v roce 1970 v USA) 200,7 MSR-Burner (1100 MW) (v roce 2000 na dva bloky 2726 v Rusku) na jeden blok 1240 JE Temelín (4000 MW) (původní investiční 50 mld Kčs/ 4 bloky = 12,5 mld/1000 MW, záměr z konce 80.let, cca 1988) což odpovídá při kurzu 1 USD 7 Kčs přibl. 1785 JE Temelín (1 blok 1000 MW) (současný stav) JE Dukovany, 4 bloky 1760 MW v cenách roku 1986 přibl. 50 mld Kč/1 blok, což odpovídá při kalkulaci 1USD 30 Kč přibl. 1 700 přibl. 14 mld Kčs, což odpovídá při kurzu 1 USD 7 Kčs přibl. 1140 Tab. 3.3.1 Porovnání celkových nákladů na vybrané jaderně energetické systémy Z porovnání projektu systému MSBR 1000 s tlakovodním systémem PWR v USA v 70.tých letech minulého století vyplývá, že náklady na oba systémy se zásadně neliší. V porovnání projektu systému MSBR 1000 s projektem systémem MSR-Burner (Rusko) je řádový rozdíl, který může být důsledkem provedení kalkulací v diametrálně odlišných obdobích a rozdílných podmínkách realizace a financování v různých zemích. Z porovnání projektu systému MSR Burner (Rusko) s realizovanými bloky na JE Temelín a JE Dukovany se z hlediska celkových investičních nákladů přepočtených na 1000 MWe plyne, že projekt MSR Burner by mohl být dokonce investičně výhodnější. Tyto údaje ale mohou být zkresleny vývojem kurzu USD Kčs (Kč), nedostatkem detailnějších informací ke kalkulaci MSR Burner, rozdílnými místními podmínkami pro investice v ČR a Rusku atd. 4 DOPORUČENÍ PRO DALŠÍ VÝVOJ V OBLASTI KOMPONENT A SYSTÉMŮ Zvládnutí technologie MSR vyžaduje mimo jiné i zvládnutí dílčích úloh, které jsou podrobněji vyspecifikované v materiálech [11]. Některé další směry možného řešení problematiky především v oblasti sekundárního okruhu jsou nastíněny v [8]. 51