Indie a jaderná energetika

Indická vláda rozvíjí masivní vlastní jaderný program jako jednu z částí rozvoje domácí infrastruktury. Uložila si ambiciózní cíle zejména v růstu instalované kapacity pro výrobu elektřiny. Nyní provozuje 22 reaktorů a 8 nových staví. Protože nemá dostatek vlastního uranu, vyvíjí unikátní palivový cyklus založený na thoriu, kterého má domácí zásoby. Indie má také jaderné zbraně a nepodepsala Smlouvu o nešíření jaderných zbraní, proto má těžkosti získat pro svůj jaderný energetický program zahraniční spolupráci.

Celkový instalovaný výkon všech světových jaderných elektráren v r. 2019 byl 395,4 GW. Indie je třetí největší světový výrobce a spotřebitel elektřiny na světě (po Číně a USA). V roce 2018 vyrobila Indie 1 486,5 TWh. Spotřeba na obyvatele je jen 1 149 kWh ročně (světový průměr je 3 127 kWh). 75 % elektřiny vyrábí z uhlí, 9 % z vody, 5 % ze zemního plynu, 4 % ze slunce a větru, 2,6 % z jádra a něco málo z biopaliv a ropy. Kolem 18 % produkce se ztrácí při přenosu. Spotřeba stále stoupá s rostoucím počtem obyvatel a Indie je závislá na dovozu energetických zdrojů. British Petrol statistiky (BP’s Energy Outlook) předpovídá 129% nárůst spotřeby do r. 2035. Indie má ambiciózní cíl dosáhnout už v letošním roce 100% připojení domácností k elektřině. Mezinárodní energetická agentura OECD International Energy Agency odhaduje, že Indie bude potřebovat do roku 2035 investovat do elektráren a přenosových sítí 1.6 trillionu dolarů.

Blackout, jaký si neumíme představit

Indie má 5 přenosových systémů, částečně propojených, všechny provozuje státní Power Grid Corporation of India Ltd (PGCI). V červenci 2012 selhala díky přetížení severní část sítě a uvrhla přes 600 milionů lidí ve 22 státech do totálního blackoutu na celý den. Ztráty v sítích představují ztrátu 6 miliard dolarů ročně - a většina z toho jde na vrub zlodějům elektřiny. Od roku 2010 se dosáhlo mnoha vylepšení v přenosu - propojení sítí, dispečerský dozor, synchronní provoz. Indie také zdvojnásobila vysokonapěťové linky stejnosměrného proudu, které mají menší ztráty.

Protože nejvyšší prioritou státu je vypořádat se s chudobou, není redukce CO₂ emisí na prvním místě. Nejdůležitějším energetickým zdrojem je uhlí. Ministr životního prostředí už v r. 2014 upozornil, že potrvá nejméně 30 let, než bude možno dojít k omezování CO₂.

Jaderná energetika

Indické reaktory už mají za sebou nějakých 500 reaktorroků zkušeností. Ambicí je dosáhnout 50% výroby elektřiny z jádra k roku 2050. Předpokládá to ovšem dovoz uranu a velké investice do výstavby. V dlouhodobém výhledu chce mít Atomová energetická komise (AEC) připojeno 500 GW v jádře.

Indický jaderný průmysl

První dva malé varné reaktory postavila Indie už v r. 1960 v Tarapuru. Vývoj pokračoval bez palivové a technologické pomoci ze zahraničí. V r. 1964 byl vyvzorován tlakovodní těžkovodní reaktor (PHWR, pressurized Heavy Water Reactor), který potřebuje méně paliva než varný, a rovněž palivo může být přírodní, neobohacené. Technologie a provozní zkušenosti se stále zlepšovaly, Indie postavila také malý testovací rychlý množivý rektor a staví další mnohem větší. Rozvíjí intenzivně technologii využití vlastního thoria, jehož má velké zásoby, jako náhrady za uran.

Už v roce 1957 vznikl v Trombay poblíž Bombaje (dnešní Mumbai) ústav Atomic Energy Establishment, o deset let později přejmenovaný na Bhabha Atomic Research Centre (BARC). Plány na výstavbu prvního domácího indického reaktoru PHWR dostaly konečnou podobu v r. 1964, a jaderná elektrárna Radžastán 1 byla postavena a 1972 spuštěna ve spolupráci s Kanadou. Další PHWR se různě vylepšovaly - od jednoduchého kontejnmentu Radžastánu 1 a 2, přes dvojitý kontejnment v JE Madrás po standardizovaný model PHWR s bazénem pro potlačení tlaku a nádobami s těžkou vodou.

Společnost Nuclear Power Corporation of India Ltd (NPCIL)

Odpovídá za návrh, výstavbu, uvedení do provozu a provoz jaderných elektráren. Na začátku roku 2010 uvedla, že má prostředky na stavbu nových jednotek o celkovém výkonu 10 000 MW. Model financování nových zdrojů by byl: 70 % vlastního kapitálu a 30 % dluhového financování. Jejím cílem je však zapojit do budoucího rozšiřování jaderné energie další veřejný sektor a soukromé společnosti, zejména National Thermal Power Corporation (NTPC). NTPC je mnohem větší než NPCIL a považuje se za hlavního výrobce energie. NTPC je z velké části ve vlastnictví státu. Zákon o atomové energii z roku 1962 zakazuje soukromou výrobu jaderné energie a změny z roku 2016 umožňující společné podniky veřejného sektoru se nevztahují na společnosti ze soukromého sektoru ani neumožňují přímé zahraniční investice do jaderné energie, kromě dodavatelského řetězce.

NPCIL nabízí oba domácí projekty reaktorů 220 a 540 MW typu PHWR na export do zemí, které požadují malé či středně velké reaktory.

Energetické jaderné reaktory v provozu

Osm reaktorů o celkovém výkonu 2 400 MW (brutto) pohání doma těžený uran, pro čtrnáct zbývajících (4 380 MW) se uran dováží.

Dva varné reaktory (BWR) v Tarapuru (150 MW) postavila společnost GE na klíč ještě před uzavřením smlouvy o nešíření jaderných zbraní. Původně měly 200 MW, ale kvůli opakujícím se problémům byl výkon snížen. Od té doby fungovaly dobře. Používají dovážený obohacený uran (z Francie a Číny v 80. a 90. letech a z Ruska od roku 2001) a podléhají zárukám Mezinárodní agentury pro atomovou energii (IAEA). Během let 2005 - 2006 prošly renovací.

Dva malé kanadské PHWR (Candu) reaktory v jaderné elektrárně Rádžastán byly spuštěny v letech 1972 a 1980 a jsou také pod supervizí MAAE. Rádžastán 1 od roku 2002 funguje jen velmi málo kvůli přetrvávajícím problémům. Od roku 2004 je v tzv. „prodlouženém odstavení kvůli technicko-ekonomickému posouzení.“ Rádžastán 2 byl významně renovován v letech 2007 – 2009 a běží v plné kapacitě na dovážený uran.

220MW reaktory PHWR původně navrhla a vyrobila společnost NPCIL na základě kanadského projektu. Reaktory Madras (MAPS) prošly rekonstrukcí v letech 2002 až 2005 a jejich výkon byl zvýšen ze 170 MW na 220 MW. Jejich životnost je prodloužena do roků 2033/36.

Jednotka Kakrapar 1 byla kompletně zrekonstruována a modernizována v letech 2009–2010 po 16 letech provozu, stejně tak Narora 2.

Reaktory Tarapur 3 a 4 o čistém výkonu 490 MW byly původně vyvinuté z modelu PHWR 220 MW. Tarapur 4 byl připojen k rozvodné síti v červnu 2005 a komerční provoz byl zahájen v září - pouhých pět let od zahájení výstavby. Jeho dvojče - Tarapur 3 - byl připojen k rozvodné síti v červnu 2006.

Kudankulam 1 a 2 jsou velké tlakovodní reaktory VVER-1000 dodané ruským Atomstrojexportem. Jsou provozovány společností NPCIL v rámci záruk MAAE. Turbíny vyrobila firma Silmash v Petrohradě. Na rozdíl od jiných projektů Atomstrojexportu, například v Íránu, pracovalo na projektu maximálně 80 ruských dozorčích pracovníků. Rusko dodává veškeré obohacené palivo po celou dobu životnosti elektrárny, i když Indie je přepracuje a ponechá si plutonium pro civilní použití. Původní dohoda z roku 1988 předpokládala vrácení použitého paliva do Ruska, ale dodatková dohoda z roku 1998 umožnila Indii jej podržet a přepracovat.

S elektrárnou Kudankulam je spojeno malé zařízení na odsolování mořské vody, které vyrábí 426 m³/h pomocí čtyřstupňové technologie vakuového stlačování (MVC). Další zařízení na reverzní osmózu (RO) je v provozu, aby uspokojilo potřeby místních měst.

Kaiga 3 byla spuštěna v únoru, připojena k rozvodné síti v dubnu a uvedena do komerčního provozu v květnu 2007. 4. blok byl spuštěn v listopadu 2010 a připojen k síti v lednu 2011, jako poslední z flotily 220MW PHWR.

Rádžastán 5 byl spuštěn v listopadu 2009 pomocí dováženého ruského paliva a v prosinci byl připojen k severní rozvodné síti. Rádžastán 6 byl připojen do sítě na konci března 2010. Oba jsou nyní v komerčním provozu.

V roce 2008 jely indické reaktory na méně než polovinu své kapacity, protože byl velký nedostatek jaderného paliva. Zlepšení nastalo po otevření nového uranového dolu v lokalitě Turamdih. Politické opozici se dařilo zbrzdit otevření nových dolů v Jharkhandu, Meghalaya and Telengana. Hle, jak politika může škodit vlastní zemi…

Indické jaderné reaktory v provozu

(Madras (MAPS) též znám jako Kalpakkam)

Reaktory ve výstavbě a v plánu

V roce 2005 byla schválena čtyři místa pro osm nových reaktorů. Budoucí PHWR budou mít čistý výkon po 640 MW. První čtyři se staví v Kakraparu a Rádžastánu. Až 40 % paliva, které budou používat, bude mírně obohacený uran - asi 1,1 % ²³⁵U, tím se dosáhne trojnásobného vyhoření (využití) paliva než dosud - asi 21 000 MW dní na tunu. Dokončení těchto čtyř jednotek se nyní předpokládá v roce 2022.

Kudankulam 3 a 4 se staví s ruskou technickou pomocí v rámci dohody z roku 1988. Projekt byl oficiálně zahájen v říjnu 2016. Další dvě jednotky LWR o výkonu 1 000 MW se plánovaly do Jaitapuru ve státě Maháráštra na západním pobřeží. Plán se od té doby rozšířil na šest 1600 MW jednotek EPR zde.

V březnu r. 2015 schválila vláda nové jaderné reaktory na deseti různých místech. Domácího typu PHWR budou: Gorakhpur; Chutka a Bhimpur; Kaiga a Mahi Banswara. Další budou zahraničního typu: Kudankulam (VVER); Jaitapur (EPR); Chhaya Mithi Virdhi (AP 1000); Kovvada (ESBWR) a Haripur (VVER). Navíc jsou v plánu dva další 600 MWe rychlé množivé reaktory v Kalpakkam.

V dlouhodobém horizontu Indie předpokládá, že program rychlých reaktorů bude 30 až 40krát větší než program PHWR. V horizontu 50 let tak Indie hovoří o jaderných elektrárnách o instalovaném výkonu 500 GW až 600 GW.

Indické jaderné reaktory ve výstavbě

Rychlé množivé reaktory (reaktory fungující na rychlých neutronech)

Prototyp pětsetmegawattového rychlého množivého reaktoru (PFBR) se začal stavět v r. 2004 v Kalpakkam poblíž Madrasu. Původně měl být spuštěn v r. 2010, ale je významně zpožděn, start se očekává možná letos. Reaktor obsahuje 1 750 tun sodíkového chladiva, palivem je směs karbidů uranu (30 %) a plutonia (70 %). Má obálku z thoria a uranu, v níž se bude tvořit štěpitelný izotop U-233 a další plutonium jako příprava na thoriový palivový cyklus (viz níže). Dva další 500MW rychlé reaktory se mají stavět v Kalpakkam a plánované jsou další čtyři na jiném místě. Následovat má 1000MW rychlý reaktor s kovovým palivem, který by se už měl stát hlavním prvkem nové indické generace jaderných reaktorů.

V prosinci 2010 byla podepsána smlouva o vědecké a technické spolupráci s ruským Rosatomem na společném vývoji nové generace rychlých reaktorů.

Programu rychlých (štěpení probíhá rychlými neutrony) množivých (při svém provozu si vyrábějí další štěpitelné izotopy, čili další jaderné palivo) reaktorů předcházel testovací reaktor FBTR (Fast Breeder Test Reactor), spuštěný v říjnu 1985. Indii se tak stala sedmým státem na světě (po USA, UK, Francii, Japonsku, Německu a Rusku), který zvládl postavit a provozovat tuto technologii. Reaktor byl navržen tak, aby produkoval 40 MW tepelné energie a 13,2 MW elektrické energie. Kvůli technickým problémům byl v letech 1987 až 1989 odstaven, od roku 1989 do roku 1992 byl provozován při 1 MW, v roce 1993 byla úroveň výkonu zvýšena na 10,5 MW. Počáteční vsázka jaderného paliva bylo přibližně 50 kg plutonia. V září 2002 dosáhlo vyhoření paliva ve FBTR poprvé 100 000 megawattdnů na metrickou tunu uranu, což se považuje za důležitý milník v technologii množivého reaktoru.

Uranový palivový cyklus

Hlavní závod jaderného palivového cyklu je od roku 1971 v Hyderabadu v Telenganě. Produkuje 1500 t paliva ročně. Zřizují se tři další pro plánované rozšíření jaderné energetiky. První v Kota v Rádžastánu bude dodávat palivo pro PHWR o výkonu 700 MW v Rawatbhata a Kakraparu. Každý ze zdejších reaktorů ho spotřebuje 125 tun ročně. Kapacita bude 500 t/rok plus 65 t opláštěných zirkoniem. Další bude v Chitradurga na jihu státu Karnataka. Třetí závod na výrobu paliva s kapacitou 1250 tun ročně se plánuje v Telenganě v Rádžastánu nebo v Madhja Pradéši. Uvažuje se o společném podniku s USA, Francií nebo Ruskem. Uran se získává jako dvojuranan hořečnatý (žlutý koláč) a rafinuje se na UO₂. Pro PHWR se vyrábí palivo 1250 t/rok neobohaceného paliva. Malá výrobní hala vyrábí z dováženého obohaceného uranu (2,66 % U-235) palivo pro varný reaktor v Tarapuru (25 t/rok). Pro palivové svazky PHWR se vyrábějí také palivové pelety s ochuzeným uranem (z přepracovaného uranu) a pelety s oxidem thoria.

Indie si také vyrábí vlastní těžkou vodu a dokonce ji i vyváží. V letech 2013–2014 byla do USA a Francie vyvezena těžká voda v hodnotě zhruba 16 milionů dolarů.

Velmi malá centrifugová obohacovací stanice funguje od r. 1992 v Ratnahalli poblíž Mysore, ale produkuje velmi málo obohaceného uranu, zejména pro palivo pro ponorky a výzkumné reaktory. V roce 2011 Indie oznámila, že v okrese Chitradurga v Karnatace postaví průmyslový odstředivkový komplex na obohacování uranu pro civilní a námořní účely. Obohacovací závody Indie nejsou pod mezinárodními zárukami IAEA.

Reprocessing - přepracování použitého paliva

Použité palivo z civilních reaktorů se přepracovává v Bhabha Atomic Research Centre (BARC) v Trombay, Tarapuru a Kalpakkamu. Extrahuje se reaktorové plutonium pro použití do rychlých množivých reaktorů. První závod na získání plutonia byl postaven 1964 v Trombay (Mumbai) pro vojenské účely. Další pak pro energetické reaktory v Tarapuru byl otevřen v r. 1979, a v r. 2010 nahrazen modernějším s kapacitou 100 t ročně. Nový závod v Kalpakkam také s kapacitou 100 t/r byl spuštěn 1998 v souvislosti s otevřením vědeckého centra Indira Gandhi Centre for Atomic Research (IGCAR). Rozšiřuje se pro přepracování karbidového paliva z FBTR (Fast Breeder Test Reactor). Thoriový přepracovací závod (The Power Reactor Thoria Reprocessing Facility (PRTRF)) se staví od roku 2013 v BARC, a je projektován na vysoké úrovně gama záření z uranu U-232. Získaný U-233 se použije v AHWR Critical Facility (Advanced Heavy Water Reactor, pokročilý těžkovodní reaktor), který stojí v BARC a demonstruje komerční využití thoria. Experimentálně ověřuje základní fyzikální parametry pokročilého palivového cyklu.

Použité palivo z PWR z JE Kudankulam a z dalších importovaných reaktorů bude přepracovávat Indie také ve svých domácích zařízeních a ponechá si získané plutonium. Vše pod zárukami IAEA.

Thoriový palivový cyklus

Přechod na thorium by měl podle plánu proběhnout ve třech etapách. V první etapě se využívají pouze klasické reaktory moderované těžkou vodou a s palivem z přírodního uranu a klasické reaktory moderované lehkou vodou. Ty produkují kromě energie i určité, i když relativně malé, množství plutonia 239 z uranu 238. Tato etapa je už v běhu. V druhé etapě se začnou používat rychlé množivé reaktory spalující plutonium 239 a uran 235. Budou opatřené blanketem (obálkou) z thoria 232 a uranu 238, ve kterém se bude intenzivně produkovat uran 233 a plutonium 239. Třetí etapa bude zahájena v době, kdy bude dostatek uranu 233 a plutonia 239. Začnou se při ní využívat pokročilé klasické reaktory s moderací neutronů těžkou vodou. Ty budou obsahovat jako palivo thorium a příměs uranu 233 a plutonia 239. Thorium se v nich při provozu bude transformovat na uran 233 a ten bude sloužit také jako jeho palivo. Dvě třetiny energie tedy bude produkovat uran 233 získaný z thoria přímo v reaktoru, jedna třetina pak z přímé vsázky uranu 233 a plutonia 239. V konečném stádiu by tak vhodná kombinace klasických reaktorů a menšího počtu rychlých reaktorů umožnila produkovat energii z jádra téměř výhradně na základě thoria.

Pokud jde o suroviny, Indie již identifikovala zásoby téměř 12 milionů tun monazitových písků, ložisek červenohnědých fosfátových minerálů, obvykle s obsahem 6 - 7 % thoria, a zásoby 33,7 milionů tun zirkonu.

Po rozběhu rychlého množivého reaktoru o výkonu 500 MW v Kalpakkamu, poháněného oxidy uranu a plutonia (tzv. MOX palivo, plutonium se získává ze stávajících PHWR) s blanketem z thoria a uranu, v němž bude vznikat štěpitelný U-233, se indický ambiciózní thoriový program dostane do fáze 2 a otevře se scéna pro plné využití hojného domácího thoria. K výstavbě se plánuje dalších šest takových rychlých reaktorů o výkonu 500 MW. Bude trvat dalších 15 až 20 let, než bude moci Indie plně využít energii ze svého thoria. Nasazení reaktoru na bázi thoria se očekává až po roce 2070.

Hospodaření s radioaktivními odpady

Radioaktivní odpady z jaderných elektráren a z přepracovacích závodů se ošetřují a skladují přímo na místech. V říjnu 2013 společnost BARC začala zkoumat možnosti urychlovačem poháněných podkritických reaktorů s roztavenou solí (ADS), které spalují minoritní aktinidy. Řešilo by to problémy s odpady efektivněji a bezpečněji než použití kritických rychlých reaktorů ke spalování minoritních aktinidů.

Zařízení na zpracování odpadu jsou v provozu v Tarapuru a v Trombay a centrum BARC v roce 2013 uvedlo do provozu další vitrifikační zařízení (používá borosilikátové sklo) v Kalpakkamu pro odpady z přepracování použitého paliva.

V BARC probíhá také výzkum konečné likvidace vysoce aktivních a dlouhožijících odpadů v hlubinném geologickém úložišti.

Zdroje:

https://www.world-nuclear.org/information-library/country-profiles/countries-g-n/india.aspx

US Energy Information Administration Analysis Brief on India