Najdłuższa budowa reaktora jądrowego. Dlaczego trwała aż 40 lat? 

Energetyka jądrowa stanowi niskoemisyjne źródło energii, mogące pracować w podstawie systemów energetycznych. Pomimo dużych zalet tego źródła dla środowiska, w 2025 r. elektrownie jądrowe stanowiły 9-10% światowej produkcji energii. Niemniej jednak, w lutym 2026 r. na całym świecie w budowie były 74 kolejne reaktory jądrowe, a ponad 120 dalszych jednostek znajdowało się w fazie planowania z założeniem uruchomienia w ciągu najbliższych 15 lat. Świadczy to o potencjalnym wzroście udziału energetyki jądrowej w światowym miksie energetycznym w przyszłości. 

Należy jednak zaznaczyć, że realizacja takich inwestycji jest procesem długotrwałym. Średni czas budowy reaktora jądrowego na świecie wynosi obecnie około 7-9 lat, natomiast w skrajnych przypadkach może wydłużyć się nawet do kilkunastu lub kilkudziesięciu lat, czego przykładami są m.in. bloki Olkiluoto 3 oraz Watts Bar 2.

Elektrownia w Olkiluoto (blok 3) była jedną z najdłuższych inwestycji dot. energetyki jądrowej w Europie. Jednakże, za najdłużej budowaną inwestycję w zakresie energetyki jądrowej na świecie uważana jest elektrownia jądrowa Watts Bar (reaktor Watts Bar-2). Budowa Watts Bar-2 trwała aż 40 lat i wiązała się z wieloma wyzwaniami m.in. regulacyjnymi i obawami dot. bezpieczeństwa. 

Elektrownia jądrowa Watts Bar 

Elektrownia jądrowa Watts Bar zlokalizowana jest w południowo-wschodnim regionie Tennessee, około 80 km na północny wschód od Chattanoogi i jest własnością Tennessee Valley Authority (TVA). Teren Watts Bar Nuclear Plant obejmuje ok. 7,2 km². 

Ponadto elektrownia jądrowa Watts Bar składa się z dwóch reaktorów wodno-ciśnieniowych (PWR) zaprojektowanych przez firmę Westinghouse (blok 1 i 2). Budowę elektrowni rozpoczęto w 1973 r., przy czym w 1996 r. ukończono blok 1 (Watts Bar-1), a blok 2 (Watts Bar-2) dopiero w 2015 r. Ze względu na opóźnienia w budowie drugiego bloku Watts Bar ma miano najdłużej budowanej elektrowni jądrowej. W dalszej części artykułu historia Watts Bar zostanie omówiona szerzej jako przykład pokazujący, jak istotne dla powodzenia inwestycji jądrowych są stabilność decyzji, ciągłość finansowania i konsekwentne zarządzanie projektem. 

Reaktor wodny ciśnieniowy (PWR) 

W elektrowni jądrowej Watts Bar zarówno reaktor Watts Bar-1, jak i reaktor Watts Bar-2 są reaktorami typu PWR. Reaktor wodny ciśnieniowy (PWR) wykorzystuje zwykłą lub lekką wodę jako chłodziwo i moderator. W odróżnieniu od reaktorów wodno-wrzących (BWR) woda chłodząca jest utrzymywana pod ciśnieniem w samym reaktorze, aby nie dopuścić do jej wrzenia. Ponadto pierwotne chłodziwo nie napędza turbiny parowej. Ciepło z pierwotnego wodnego układu chłodzenia jest przechwytywane w wymienniku ciepła i przekazywane do wody w układzie wtórnym, gdzie woda może odparować i wytworzyć parę napędzającą turbinę. 

Rdzeń reaktora wypełniony jest wodą pod ciśnieniem 150 atm w celu osiągnięcia temperatury na poziomie 325°C bez wrzenia. Niemniej jednak stosowanie drugiego cyklu wodnego powoduje straty energii, w wyniku czego maleje wydajność reaktora w procesie przekształcenia energii reakcji jądrowej w energię elektryczną. 

Uzupełnianie paliwa odbywa się przez otwarcie pokrywy zbiornika ciśnieniowego. Natomiast pręty sterujące wkładane są od góry, pozwalając na działanie siły grawitacji jako zabezpieczenia w razie awarii.

Technologia reaktorów wodno-ciśnieniowych PWR została rozwinięta w Stanach Zjednoczonych, początkowo przede wszystkim na potrzeby napędu okrętów podwodnych. Firma Westinghouse odegrała kluczową rolę w jej rozwoju, a zdobyte doświadczenia wykorzystano następnie przy projektowaniu pierwszych komercyjnych elektrowni jądrowych typu PWR. Interesującym faktem jest, iż równolegle w Związku Radzieckim opracowano własne reaktory PWR (WWER), które działają w Rosji (np. Elektrownia jądrowa Kalinin) i krajach byłego Związku Radzieckiego. 

Początek budowy Watts Bar-2 

18 maja 1971 r. TVA złożyła wniosek o budowę elektrowni Watts Bar (blok 1 i 2). Natomiast 18 września 1972 r. TVA wystąpiła o wyjątkowe zezwolenie na niektóre prace przygotowawcze (TENNESSEE VALLEY AUTHORITY, INFORMATION PURSUANT TO 10 CFR SECTION 50.12 IN SUPPORT OF A REQUIREMENTS OF 10 CFR SECTION 50.10(c) FOR THE CONDUCT OF THE CERTAIN SITE PREPARATION ACTIVITIES, Units 1 and 2 Watts Bar Nuclear Plant Rhea County, Tennessee, docket nos. 50-390 and 50-391), pomimo iż nie przekazała ostatecznego raportu oddziaływania na środowisko, a pozwolenie na budowę było nadal w toku. Dopiero w styczniu 1973 r. wydano pozwolenie na budowę dwóch reaktorów PWR.

Jak podaje GAO (United States Government Accountability Office) w “Actions Needed to Better Communicate Debt Reduction Plans and Address Billions in Unfunded Pension Liabilities” w 1973 r. pierwotny koszt bloków 1 i 2 miał wynosić łącznie około 500 mln dolarów, przy przewidywanym terminie ukończenia budowy 1976 r. i 1977 r.

Problemy z Watts Bar-2 

W 1977 r. koszt realizacji bloku 1 i bloku 2 szacowano na ok. 825 milionów dolarów [dane: Bulletin of the Atomic Scientists]. Niemniej jednak w 1985 r., gdy stopień zaawansowania budowy bloku 2 był na poziomie 60% (m.in. główne konstrukcje były gotowe, a urządzenia jak rurociągi układu chłodzenia reaktora zostały zainstalowane), TVA podjęła decyzję o wstrzymaniu realizacji projektu. Do tego czasu na budowę bloku 2 przeznaczono już ok. 1,7 mld dolarów. Decyzję podjęto na krótko przed wydaniem licencji dla bloku 1, po wykryciu licznych uchybień dotyczących działalności budowlanej i operacyjnej TVA, oraz w wyniku prognozowanego spadku zapotrzebowania na energię. 

Dopiero 13 października 1999 r. TVA złożyła wniosek o przedłużenie terminu ukończenia bloku 2. Natomiast pismem z dnia 14 lipca 2000 r. TVA poinformowała NRC, iż blok 2 spełnia definicję NRC dla bloków jądrowych z odroczonym terminem ukończenia, opisaną w Commission’s Policy Statement on Deferred Plant, 52 FR 38077 (Oct. 14, 1987). W październiku 2000 r. NRC przedłużyło pozwolenie na budowę bloku 2 do 31 grudnia 2010 r. 

Budowę bloku 2 wznowiono w 2007 r., a szacowany koszt ukończenia reaktora do 2012 r. wyniósł 2,5 mld dolarów. Natomiast końcowy koszt reaktora wyniósł 4,7 mld dolarów. 

Katastrofa w Fukushimie również miała istotny wpływ na budowę Watts Bar 2, w wyniku czego ukończenie Watts Bar-2 obejmowało modernizację wymaganą przez NRC dla wszystkich amerykańskich elektrowni jądrowych. Ulepszenia składały się z nowego, utwardzonego budynku magazynowego FLEX mogącego wytrzymać trzęsienia ziemi, powodzie i inne podobne zdarzenia podobne do tych z Japonii. Mieści on awaryjne generatory diesla, pompy i inny sprzęt niezbędny do chłodzenia obudowy reaktora w przypadku utraty zasilania na miejscu. 

Koniec budowy Watts Bar-2

Watts Bar-2 został podłączony do sieci 3 czerwca 2016 r., aczkolwiek dwa dni później, pracując z 12,5% poziomem mocy, reaktor automatycznie się wyłączył. Następnie aż do 3 października reaktor 2 przechodził serię rygorystycznych testów wzrostu mocy w celu zapewnienia bezpiecznego działania wszystkich systemów zgodnie z założeniami. Ostatecznie do eksploatacji reaktor 2 został oddany 19 października 2016 r., niniejszym stając się pierwszym blokiem jądrowym uruchomionym w USA w XXI wieku. 

• Zobacz również: Jak długo buduje się elektrownię jądrową i dlaczego to tyle trwa?

Parametry techniczne reaktora Watts Bar-2

Watts Bar-2 jest to model WH 4LP (ICECND) reaktora typu PWR firmy Westinghouse o jednostkowej mocy odniesienia na poziomie 1150-1164 MWe (netto) i pojemności cieplnej 3411 MWt. Do 2024 r. współczynnik dostępności mocy (zdolności do wytwarzania energii elektrycznej) wynosił 86% przy współczynniku operacyjnym na poziomie 84,5%. Natomiast współczynnik obciążenia reaktora był na poziomie 82,8%. 

Jak działa system kondensatora lodowego?

Reaktor Watts Bar-2 posiada obudowę bezpieczeństwa typu “ice condenser” kondensatora lodowego zaprojektowanego w latach 60. XX w. przez Westinghouse. System kondensatora lodowego polega na szybkim wchłanianiu pary wodnej i redukcji ciśnienia w obudowie w przypadku awarii LOCA i pęknięcia głównego przewodu parowego. 

Para pod wysokim ciśnieniem po wystąpieniu awarii lub pęknięcia kierowana jest do komór zawierających kosze wypełnione lodem. Chłodniejsze niż para wodna bryły lodu odbierają ciepło z pary wodnej, powodując jej skraplanie, spadek ciśnienia w budynku i obniżenie temperatury w obudowie. 

Zaletą systemu kondensatora lodowego jest m.in. skuteczne ograniczenie wzrostu ciśnienia poprzez zdolność lodu do absorbowania dużej ilości energii podczas przemiany fazowej. Niemniej jednak, jak podaje Bulletin of the Atomic Scientist, konstrukcja obudowy typu kondensatora lodowego w trakcie budowy budziła kontrowersję. Wynikało to z obaw dotyczących bezpieczeństwa. 

Krytycy zarzucali, iż konstrukcja została opracowana głównie w celu obniżenia kosztów, za pomocą mniejszej obudowy bezpieczeństwa. W latach 70. XX wieku uzasadnione obawy dot. zdolności konstrukcji skraplacza lodowego do zatrzymania promieniowania w przypadku poważnej awarii związanej z utratą chłodziwa spowodowały, iż Komisji Energii Atomowej zalecano cofnięcie licencji projektu, aczkolwiek komisja odrzuciła ostrzeżenie. Niemniej jednak po katastrofie w Three Mile Island i Czarnobylu badanie NUREG-1150 przeprowadzone przez NRC w 1990 r. wykazało, iż reaktory z kondensatorem lodowym są wysoko narażone na katastrofalne uszkodzenia obudowy bezpieczeństwa.

Kontrowersje i stanowisko amerykańskiego regulatora

W raporcie Komisji Regulacyjnej d.s. Energii Jądrowej Stanów Zjednoczonych z 7 września 2011 r. “WATTS BAR NUCLEAR PLANT, UNIT 2 - COMPLETE LIST OF COMMENTS, SUGGESTIONS, AND STAFF RESPONSES CONDENSED FROM THE OCTOBER 6, 2009, PUBLIC SCOPING MEETING” przedstawiono obawy uczestników spotkania dot. kondensatora lodowego i odpowiedź NRC. 

Jednym z wielu komentarzy dot. obaw o bezpieczeństwo kondensatora był: 

“Uwaga: Blok 2 elektrowni Watts Bar, podobnie jak jego bliźniaczy reaktor, blok nr 1, wykorzystywałby obudowę bezpieczeństwa z kondensatorem lodowym — wiele osób określa ją jako obudowę typu „skorupki jajka” – w celu obniżenia kosztów budowy oraz zmniejszenia ilości betonu i stali potrzebnych do wykonania obudowy bezpieczeństwa, czyli tej dużej konstrukcji zwieńczonej kopułą. Instalacje z kondensatorem lodowym wykorzystują kosze wypełnione lodem. Podczas zdarzenia wewnątrz reaktora jądrowego powstają nadmierne ilości ciepła i wzrasta ciśnienie. Reaktory z kondensatorem lodowym są projektowane tak, aby ograniczać to ciepło i ciśnienie za pomocą koszy z lodem. 

Stosunkowo niewiele takich reaktorów pozostaje w eksploatacji, a ich konstrukcja jest obciążona podstawowymi wadami inżynieryjnymi oraz rzeczywistymi trudnościami związanymi z utrzymywaniem koszy z lodem w odpowiednim stanie i zapewnieniem ich działania przez dziesięciolecia, czego wymaga się od tych instalacji. System kondensatora lodowego nie powinien być budowany w XXI wieku.”

Odpowiedź NRC:

“Odpowiedź: Kwestie poruszone w tych uwagach dotyczą bezpieczeństwa i jako takie wykraczają poza zakres przeglądu środowiskowego, dlatego nie zostaną omówione w SFES. W ramach swojego wniosku TVA przedstawiła ocenę bezpieczeństwa dotyczącą proponowanego działania licencyjnego. NRC opracowuje raport z oceny bezpieczeństwa, w którym analizowane są wszystkie aspekty bezpieczeństwa reaktora oraz bezpieczeństwa eksploatacyjnego.”

Wpływ katastrofy w Fukushimie na ocenę bezpieczeństwa

Ponadto katastrofa w Fukushimie potwierdziła objawy dot. konstrukcji tłumiących ciśnienie, gdzie gąbka została nasycona, a woda w torusie zawrzała, powodując nagrzanie zbiornika wyrównawczego do zbyt wysokiego ciśnienia i wypchnięcia wodoru. Pomimo iż w Fukushimie nie było systemu kondensatora lodowego, to tak samo w kondensatorze lodowym, gdy lód się topi, większa ilość energii nie może zostać absorbowana, a dodatkowo niewielka objętość zbiornika podatna jest na awarię wynikającą z nadmiernego ciśnienia.

Watts Bar-2 jest ostatnim wybudowanym w USA reaktorem z kondensatorem lodowym. 

Ile energii elektrycznej dostarcza Watts Bar-2? 

Pomimo wieloletniego opóźnienia w budowie, Watts Bar-2 produkuje rocznie średnio ok. 8888 GWh (obliczone wzgl. danych z lat 2018-2025). Na wykresie poniżej przedstawiono ilość dostarczanej energii elektrycznej przez Watts Bar-2 w latach 2016-2025.

Natomiast farma fotowoltaiczna AV Solar Ranch One zlokalizowana w Antelope Valley (Kalifornia), która działa dłużej niż Watts Bar-2 produkuje rocznie 564,4 GWh (eksploatacja 2014-2026 r.) Na wykresie poniżej przedstawiono ilość dostarczanej energii elektrycznej (MWh) przez AV Solar Ranch One w latach 2014-2026. 

Analiza przedstawionych wykresów wskazuje, iż mimo długiej fazy konstrukcji Watts Bar-2 to dostarczana energia przez ten reaktor jądrowy jest znacznie większa niż przez farmę fotowoltaiczną (przy czym standardowy czas budowy farmy fotowoltaicznej trwa od 18 do 30 miesięcy). Dodatkowo, produkcja energii przez Watts Bar-2 jest stabilna i w przeciwieństwie do farmy fotowoltaicznej nie zależy od warunków pogodowych (takich jak zachmurzenie czy osadzanie pyłów zawieszonych). 

Jak podaje EIA w 2024 r. całkowita sprzedaż energii elektrycznej (z różnych źródeł energii) do odbiorców końcowych (sektor mieszkaniowy, handlowy, przemysłowy, transport) w USA była na poziomie 3 975 382 tys. MWh (3 975 382 GWh). 

Niemniej jednak, jak podaje EIA w “In 2024, the United States produced more energy than ever before” gaz ziemny stanowił ok. 38% całkowitej produkcji energii w USA, ropa naftowa ok. 27%, węgiel ok 10%, energia słoneczna 25%, wiatrowa 8%. Energetyka jądrowa w miksie energetycznym była na poziomie ok. 18%.

Perspektywy 

Jak podaje NEI “The Future of Nuclear Power 2024 Update Survey” pierwotna koncesja dla Watts Bar-2 dopiero wygaśnie w 2055 r., dlatego na ten moment TVA i Southern Nuclear nie muszą podejmować pilnych modernizacji dot. tego obiektu jądrowego.

Watts Bar-2 – cztery dekady budowy i kosztowne opóźnienia

Elektrownia Watts Bar jest uważana za najdłużej budowaną elektrownię jądrową na świecie, ze względu na niechlubny rekord w czasie budowy reaktora Watts Bar-2. Budowę reaktora Watts Bar-2 rozpoczęto w 1973 r. Niemniej jednak, gdy stopień ukończenia reaktora Watts Bar-2 w 1985 r. był na poziomie 60%, wydano decyzję o wstrzymaniu prac budowlanych. Przerwa ta trwała aż do 2007 r. 

Ostatecznie do użytkowania przemysłowego reaktor Watts Bar-2 oddano 2016 r., a końcowy koszt reaktora wyniósł aż 4,7 mld dolarów przy początkowym założeniu 500/825 mln dolarów (1973/1977 r.). Na czas budowy reaktora miały wpływ m.in. problemy regulacyjne oraz prognoza spadku zapotrzebowania na energię.

Kontrowersyjna technologia i stabilna produkcja energii

Watts Bar-2 jest to reaktor PWR firmy Westinghouse, posiadającym system kondensatora lodowego budzący już w 2009 r. kontrowersje dot. bezpieczeństwa. Obawy potwierdziła awaria elektrowni jądrowej w Fukushimie o podobnie działającym (lecz nie tym samym) systemie tłumiącym ciśnienie. Z tego względu Watts Bar-2 jest ostatnim wybudowanym w USA reaktorem z kondensatorem lodowym.

Pomimo problemów budowę reaktora Watts Bar-2 ukończono, a średnia ilość dostarczanej energii przez ten reaktor jest na poziomie 8888 GWh przy jednostkowej mocy odniesienia 1150-1164 MWe i pojemności cieplnej 3411 MWt. Do 2024 r. współczynnik dostępności energii wynosił 86%, a współczynnik obciążenia reaktora 82,8%. Mimo bardzo długiego okresu budowy reaktor Watts Bar-2 produkuje więcej niskoemisyjnego prądu niż farma fotowoltaiczna, której czas budowy jest znacznie krótszy. W rezultacie okres oczekiwania na zakończenie budowy Watts Bar-2 okazał się przynieść pozytywne rezultaty w postaci stabilnej i zarazem niskoemisyjnej dużej produkcji energii elektrycznej, co wzmacnia bezpieczeństwo energetyczne kraju. 

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Energetyków Jądrowych URANIUM, AGH.
Wioletta Kasprzak
Recenzent artykułu: dr inż. Filip Jędrzejek, Katedra Energetyki Jądrowej i Radiochemii na Wydziale Energetyki i Paliw AGH

Źródła: World Nuclear Industry Status Report, Enerad, Statista, U.S. Nuclear Regulatory Commission, U.S. Government Accountability Office, International Atomic Energy Agency, IAEA PRIS, World Nuclear News, World Nuclear Association, Bulletin of the Atomic Scientists, Polskie Towarzystwo Nukleoniczne, GRIDInfo, HELIOS Strategia, Nuclear-Power.com, U.S. Energy Information Administration, Nuclear Energy Institute, P. Breeze, Wikipedia, opracowanie własne.
Zdjęcie główne: Tennessee Valley Authority