Οι γενιές των αντιδραστήρων: από τους πρώτους ως τη γενιά III+ και τους προηγμένους

Η «γενιά» είναι γλώσσα συνεννόησης του κλάδου

Όταν κάπου διαβάζεις ότι ένας σταθμός ανήκει στην τρίτη γενιά, δεν διαβάζεις κατηγορία που έχει οριστεί από ρυθμιστική αρχή ή από διεθνές πρότυπο. Το σχήμα των γενεών, από την πρώτη ως την τέταρτη, το διατύπωσαν γύρω στο 2001–2002 το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ και το Διεθνές Φόρουμ Γενιάς IV, ως βολικό τρόπο να μιλάμε για οικογένειες σχεδίων που μοιράζονται εποχή και φιλοσοφία ασφάλειας, χωρίς κανονιστική ισχύ1. Άδεια λειτουργίας δεν παίρνει μια γενιά. Την παίρνει ο συγκεκριμένος σταθμός, στη συγκεκριμένη θέση, με τα δικά του τεκμήρια και τα δικά του όρια λειτουργίας.

Γι’ αυτό και τα όρια είναι θολά. Παλιότερη μονάδα που έχει περάσει από εκτεταμένες αναβαθμίσεις μπορεί να διαθέτει συστήματα τα οποία συνήθως αποδίδονται σε νεότερη γενιά, χωρίς να αλλάζει η ετικέτα της. Ένα νεότερο σχέδιο μπορεί να πατάει σε τεχνολογία που λειτουργεί εδώ και δεκαετίες και να λέγεται προηγμένο επειδή αλλάζει ο τρόπος με τον οποίο εξασφαλίζεται η ψύξη, ενώ η φυσική της σχάσης μένει η ίδια.

Η λέξη δείχνει περισσότερο πρόθεση παρά κατηγορία. Κάθε γενιά απαντά σε ερωτήματα που άφησε ανοιχτά η προηγούμενη: πώς μένει ψυχρή η ενεργός ζώνη όταν χαθεί η ηλεκτρική τροφοδοσία και πόσο εξαρτάται η ασφάλεια από έγκαιρη ανθρώπινη ενέργεια. Το ποιος απαντά καλύτερα κρίνεται στην αδειοδότηση και στη λειτουργία.

Τα πρώτα πρωτότυπα και τι άφησαν πίσω τους

Οι πρώτες μονάδες ήταν πειραματικές ή μονάδες επίδειξης. Χτίστηκαν για να απαντηθεί ένα πρακτικό ερώτημα: μπορεί η θερμότητα από τη σχάση να κινήσει αξιόπιστα έναν στρόβιλο και να δώσει ρεύμα σε δίκτυο; Πολλές ήταν μοναδικά κατασκευάσματα, χωρίς αδελφή μονάδα πουθενά, σχεδιασμένες από ομάδες που έμαθαν χτίζοντας.

Οι συνδυασμοί δοκιμάστηκαν σχεδόν όλοι. Γραφίτης με αέριο, νερό υπό πίεση, βαρύ νερό με φυσικό ουράνιο. Κάποιες μονάδες εξυπηρετούσαν και άλλους σκοπούς πέρα από την ηλεκτροπαραγωγή, κάτι που καθόρισε τη σχεδίασή τους περισσότερο από την απόδοση. Η ποικιλία αυτή ήταν ο μόνος τρόπος να μάθει ο κλάδος τι αντέχει στην πράξη.

Η κληρονομιά τους είναι κυρίως γνώση υλικών και ελέγχου: πώς συμπεριφέρονται τα μέταλλα και ο γραφίτης όταν τα χτυπάει νετρονική ροή για χρόνια, και πόσο επίμονη είναι η παραμένουσα θερμότητα αφού σβήσει η αλυσιδωτή αντίδραση. Σχεδόν όλες έχουν πλέον σταματήσει και βρίσκονται σε στάδια παροπλισμού, και ο παροπλισμός είναι από μόνος του κεφάλαιο μηχανικής.

Ο στόλος που παράγει ρεύμα σήμερα

Η μεγάλη πλειονότητα των σταθμών που δίνουν ρεύμα αυτή τη στιγμή ανήκει στη δεύτερη γενιά, δηλαδή στις εμπορικές σειρές που τυποποιήθηκαν και επαναλήφθηκαν σε πολλές χώρες. Κυριαρχούν τα σχέδια ελαφρού ύδατος. Στη μια παραλλαγή το νερό της ενεργού ζώνης κρατιέται υπό πίεση ώστε να μη βράζει και δίνει τη θερμότητά του σε άλλο κύκλωμα, οπότε ο στρόβιλος δουλεύει με ατμό που δεν έχει περάσει από την ενεργό ζώνη, δύο κυκλώματα με καθαρό διαχωρισμό. Στην άλλη το νερό βράζει μέσα στο δοχείο και ο ατμός πηγαίνει κατευθείαν στον στρόβιλο, με απλούστερη διάταξη και πιο απαιτητική ακτινοπροστασία στο μηχανοστάσιο.

Δίπλα τους δουλεύουν οικογένειες βαρέος ύδατος, που δέχονται φυσικό ουράνιο και ανεφοδιάζονται χωρίς να σταματήσουν, καθώς και σειρές ψυχόμενες με αέριο. Στη Ρωσία λειτουργούν ακόμη μονάδες της σειράς RBMK, τροποποιημένες μετά το 1986, με γραφίτη ως επιβραδυντή και νερό σε βρασμό ως ψυκτικό, χωρίς το είδος περιοριστικού κελύφους που θεωρείται σήμερα αυτονόητο. Είναι διαφορετική οικογένεια από τους αντιδραστήρες βρασμού ύδατος της Φουκουσίμα. Από αυτούς, για νέες μονάδες δεν κατασκευάζεται πια η πρώιμη μορφή με κέλυφος τύπου Mark I· αντιδραστήρες βρασμού ύδατος νεότερων σχεδίων αδειοδοτούνται και σήμερα.

Η ασφάλεια σε αυτόν τον στόλο στηρίζεται σε ενεργά συστήματα. Αντλίες που πρέπει να ξεκινήσουν, βαλβίδες που πρέπει να ανοίξουν, εφεδρικές γεννήτριες που πρέπει να πάρουν μπρος, χειριστές που πρέπει να διαγνώσουν σωστά. Η προσέγγιση λειτουργεί και έχει πίσω της μεγάλη συσσωρευμένη εμπειρία λειτουργίας. Έχει όμως εγγενή εξάρτηση: κάθε ενεργό σύστημα θέλει ρεύμα, καύσιμο ή εντολή για να κάνει τη δουλειά του.

Πολλές μονάδες αυτής της γενιάς λειτουργούν πέρα από την αρχική σχεδιαστική τους ζωή, ύστερα από αντικατάσταση εξοπλισμού, επανεκτίμηση της καταπόνησης των υλικών και νέα εξέταση από τη ρυθμιστική αρχή. Η παράταση δεν είναι αυτόματη και δεν δίνεται συλλογικά σε μια γενιά.

Τι άλλαξαν στη σχεδίαση τα σοβαρά συμβάντα

Τα σοβαρά συμβάντα άλλαξαν σημαντικά τις απαιτήσεις σχεδίασης. Στο Three Mile Island μια βαλβίδα έμεινε ανοιχτή χωρίς να το δείχνει η οργανολογία, το προσωπικό διάβασε λάθος την κατάσταση και μέρος της ενεργού ζώνης έλιωσε. Το περιοριστικό κέλυφος κράτησε. Το μάθημα αφορούσε τη διεπαφή ανθρώπου και μηχανής μαζί με την οργανολογία που την τροφοδοτεί.

Στο Τσερνόμπιλ συνέπεσαν χαρακτηριστικά της συγκεκριμένης σειράς, ένα πείραμα έξω από τα όρια λειτουργίας και η απουσία ισχυρού περιοριστικού κελύφους. Η ενεργός ζώνη καταστράφηκε και ραδιενεργά υλικά διασκορπίστηκαν σε μεγάλη έκταση. Ο συνδυασμός σχεδιαστικών χαρακτηριστικών που το επέτρεψε δεν υπάρχει στα σχέδια που αδειοδοτούνται σήμερα.

Στη Φουκουσίμα, τη στιγμή του σεισμού λειτουργούσαν οι μονάδες 1 έως 3, και σταμάτησαν αυτόματα· οι μονάδες 4 έως 6 ήταν σε προγραμματισμένη διακοπή λειτουργίας. Ο σεισμός έκοψε την εξωτερική τροφοδοσία. Το τσουνάμι πλημμύρισε στη συνέχεια τις εφεδρικές γεννήτριες ντίζελ, τους ηλεκτρικούς πίνακες και τις αντλίες θαλασσινού νερού, και χάθηκε έτσι η πρόσβαση στην τελική καταβόθρα θερμότητας (ultimate heat sink), το σημείο όπου καταλήγει τελικά η θερμότητα. Έμεινε έτσι χωρίς αντιμετώπιση η παραμένουσα θερμότητα. Η ενεργός ζώνη συνεχίζει να βγάζει θερμότητα πολύ μετά το σβήσιμο της αλυσιδωτής αντίδρασης, και αυτή η θερμότητα πρέπει να απομακρύνεται ακόμη και όταν δεν έχει μείνει τίποτα για να την απομακρύνει.

Οι εκτιμήσεις για τις υγειονομικές και περιβαλλοντικές συνέπειες αυτών των συμβάντων διαφέρουν σημαντικά ανά μελέτη, ανάλογα με τη μεθοδολογία και το χρονικό εύρος που εξετάζει η καθεμία. Γι’ αυτό δεν δίνεται εδώ κανένα μέγεθος.

Τι πρόσθεσαν τα σύγχρονα σχέδια

Η τρίτη γενιά και η γενιά III+ δεν έφεραν καινούργια φυσική· έφεραν περιθώρια και χρόνο, με διαφορετικό τρόπο ανά σχέδιο: σε ορισμένα περισσότερο νερό αποθηκευμένο ψηλά και μεγαλύτερος ελεύθερος όγκος μέσα στο κέλυφος, σε άλλα περισσότερες ανεξάρτητες γραμμές ασφαλείας. Ο στόχος είναι κοινός: να μεγαλώσει το διάστημα μέσα στο οποίο ο σταθμός αντέχει χωρίς να χρειαστεί άμεσος χειρισμός.

Σε ορισμένα σχέδια της γενιάς III+, όπως ο AP1000 και ο ESBWR, η καρδιά της αλλαγής είναι τα παθητικά συστήματα ψύξης. Αντί για αντλία που πρέπει να ξεκινήσει, το νερό πέφτει με τη βαρύτητα. Αντί για κύκλωμα που πρέπει να τροφοδοτηθεί, η θερμότητα ανεβαίνει με φυσική κυκλοφορία, ο ατμός συμπυκνώνεται σε ψυχρή επιφάνεια και το νερό επιστρέφει. Οι βαλβίδες που χρειάζονται ανοίγουν με αποθηκευμένη ενέργεια. Το αποτέλεσμα είναι λιγότερες αντλίες και λιγότερα εφεδρικά μηχανήματα που πρέπει να δουλέψουν τη χειρότερη στιγμή. Άλλα σχέδια, όπως ο EPR, στηρίζονται κυρίως σε ενεργά συστήματα, με πολλαπλές ανεξάρτητες γραμμές ασφαλείας.

Η συγκράτηση του τήγματος αφορά την περίπτωση που έχουν αποτύχει τα προηγούμενα, και κάθε σχέδιο τη λύνει με τον δικό του τρόπο. Ορισμένα σχέδια, όπως ο EPR και ο VVER-1200, έχουν παγίδα τήγματος: αν η ενεργός ζώνη λιώσει, το τήγμα οδηγείται σε διαμορφωμένο χώρο κάτω από το δοχείο, όπου ψύχεται με νερό και δεν προσβάλλει τη βάση του περιοριστικού κελύφους. Άλλα, όπως ο AP1000, κρατούν το τήγμα μέσα στο ίδιο το δοχείο, ψύχοντάς το εξωτερικά με νερό. Η λογική είναι κοινή: η πρόληψη μπορεί να αποτύχει, οπότε χρειάζεται και μετριασμός.

Η προστασία από πρόσκρουση αεροσκάφους αντιμετωπίζεται με ισχυρό εξωτερικό κέλυφος από οπλισμένο σκυρόδεμα πάνω από το εσωτερικό και με φυσικό διαχωρισμό των εφεδρικών οδών ασφαλείας, ώστε μια εξωτερική φόρτιση να μην μπορεί να τις σβήσει όλες μαζί. Παράλληλα γίνεται και απλούστευση των συστημάτων: λιγότερα εξαρτήματα σημαίνουν λιγότερα σημεία βλάβης και πιο καθαρή τεκμηρίωση προς τη ρυθμιστική αρχή.

Τι επιδιώκουν τα προηγμένα σχέδια

Η τέταρτη γενιά και τα λοιπά προηγμένα σχέδια αλλάζουν το ψυκτικό. Τα υγρά μέταλλα και τα τηγμένα άλατα δουλεύουν σε πίεση κοντά στην ατμοσφαιρική, οπότε λείπει η αποθηκευμένη ενέργεια που μετατρέπει ένα ρήγμα σε βίαιη εκτόνωση ατμού. Το ήλιο δουλεύει σε υψηλή πίεση, δεν αλλάζει όμως φάση, οπότε στο ψυκτικό δεν υπάρχει βρασμός. Το τίμημα πληρώνεται στη χημεία και στα υλικά. Τα υγρά μέταλλα είναι αδιαφανή και το νάτριο αντιδρά έντονα με το νερό, τα άλατα διαβρώνουν και στερεοποιούνται αν κρυώσουν, το ήλιο απαιτεί καθαρότητα και πολύ καλή στεγανότητα.

Οι υψηλότερες θερμοκρασίες δίνουν καλύτερη θερμοδυναμική απόδοση στην ηλεκτροπαραγωγή, όμως το πιο ενδιαφέρον είναι αλλού. Θερμότητα σε υψηλό επίπεδο μπορεί να τροφοδοτήσει βιομηχανικές διεργασίες που σήμερα καίνε ορυκτά καύσιμα, από την παραγωγή υδρογόνου ως τη χημική βιομηχανία. Το εμπόδιο είναι πάλι τα υλικά: κράματα που αντέχουν ταυτόχρονα θερμοκρασία, ακτινοβολία και διαβρωτικό περιβάλλον για χρόνια, με τεκμηρίωση που να πείθει τον ρυθμιστή.

Το τελευταίο σκέλος είναι η καλύτερη χρήση του καυσίμου. Στους σημερινούς σταθμούς αξιοποιείται μικρό μέρος του ουρανίου, κυρίως το ουράνιο-235. Σε φάσμα ταχέων νετρονίων μπορεί να αξιοποιηθεί και το γόνιμο υλικό, ενώ μακρόβια στοιχεία του αναλωμένου καυσίμου μπορούν να καούν αντί να αποθηκευτούν. Τα ραδιενεργά κατάλοιπα πάντως δεν εξαφανίζονται. Αλλάζουν σύνθεση και χρονικό ορίζοντα, και προϋποθέτουν εγκαταστάσεις επανεπεξεργασίας με καθεστώς διασφαλίσεων που είναι πολιτικό ζήτημα όσο και τεχνικό.

Τους μικρούς αρθρωτούς αντιδραστήρες συχνά τους μπερδεύουν με ξεχωριστή γενιά, ενώ απαντούν σε άλλο ερώτημα. Κατά τον ορισμό του ΔΟΑΕ είναι αντιδραστήρες έως 300 MW(e) ανά μονάδα, που κατασκευάζονται σε μεγάλο βαθμό σε εργοστάσιο2. Αφορούν δηλαδή τον τρόπο κατασκευής και παράδοσης: μονάδες που συναρμολογούνται επί τόπου, με στόχο την επαναληψιμότητα αντί για μοναδικά εργοτάξια. Κάποιοι πατούν σε δοκιμασμένη τεχνολογία ελαφρού ύδατος, άλλοι σε προηγμένα ψυκτικά με περιορισμένο εμπορικό ιστορικό. Το μέγεθος από μόνο του δεν λέει τίποτα για τη γενιά ούτε για την ωριμότητα.

Και μία διευκρίνιση που πρέπει να συνοδεύει κάθε αναφορά σε μικρούς αρθρωτούς αντιδραστήρες: τα σχέδια είναι πολλά, οι μονάδες που λειτουργούν ή κατασκευάζονται ελάχιστες, και η αδειοδότηση, η χρηματοδότηση, η διαθεσιμότητα καυσίμου και η παραγωγή σε σειρά παραμένουν σημαντικές αβεβαιότητες.

Γιατί η νεότερη γενιά δεν είναι αυτομάτως διαθέσιμη

Ένα σχέδιο περνάει από στάδια πριν γίνει σταθμός: υπολογιστικά μοντέλα, πειραματικοί βρόχοι, πρωτότυπο σε πραγματικές συνθήκες, αδειοδότηση, πρώτη μονάδα, σειρά. Καθένα μπορεί να χρειαστεί δεκαετίες, και η μετάβαση στο επόμενο δεν είναι δεδομένη. Σχέδια που παρουσιάστηκαν ως επικείμενα έμειναν στο χαρτί επειδή δεν βρέθηκε χρηματοδότηση ή επειδή τα πειράματα έδειξαν κάτι που δεν έδειχνε το μοντέλο.

Το καύσιμο είναι συχνά το πραγματικό σημείο συμφόρησης. Αρκετά προηγμένα σχέδια χρειάζονται μορφή ή βαθμό εμπλουτισμού καυσίμου που δεν παράγεται σε εμπορική κλίμακα. Αυτό σημαίνει νέες εγκαταστάσεις, νέα πιστοποίηση, νέα σχήματα μεταφοράς και φύλαξης, με δικά τους χρονοδιαγράμματα. Ο αντιδραστήρας μπορεί να είναι έτοιμος και η αλυσίδα εφοδιασμού να μην είναι.

Η ρυθμιστική αρχή αξιολογεί τεκμήρια. Για ένα ψυκτικό με περιορισμένο εμπορικό ιστορικό, τα δεδομένα που λείπουν πρέπει πρώτα να παραχθούν, με πειράματα και με υπολογιστικούς κώδικες επικυρωμένους σε πραγματικά αποτελέσματα. Ο ρυθμιστής δεν προωθεί τεχνολογία, δεν εγγυάται χρονοδιάγραμμα και δεν υπογράφει επιχειρηματικά σχέδια. Περιγράφει τι πρέπει να αποδειχθεί και ελέγχει αν αποδείχθηκε.

Ο χρόνος κατασκευής και το κόστος ανά μονάδα ενέργειας που προβλέπει ο κατασκευαστής παραμένουν στόχοι μέχρι να λειτουργήσουν μονάδες σε σειρά και να μετρηθούν. Η εμπειρία με τα σύγχρονα μεγάλα σχέδια έδειξε ότι η πρώτη μονάδα κάθε σειράς πληρώνει το μάθημα, σε χρόνο και σε χρήμα, και ότι η βελτίωση έρχεται με την επανάληψη.

Πώς να διαβάζεις μια ανακοίνωση για νέα τεχνολογία

Οι ανακοινώσεις για νέες τεχνολογίες μοιάζουν πολύ μεταξύ τους. Λίγες ερωτήσεις αρκούν για να ξεχωρίσεις τι λειτουργεί από τι σχεδιάζεται.

Μερικές επισημάνσεις για τον χαρακτηρισμό της τεχνολογίας. Η πυρηνική ηλεκτροπαραγωγή δεν είναι ανανεώσιμη· η ταξινομία της ΕΕ περιλαμβάνει ορισμένες πυρηνικές δραστηριότητες μόνο υπό αυστηρές προϋποθέσεις3. Είναι χαμηλών εκπομπών κατά τον κύκλο ζωής και κατανεμητέα, δηλαδή προγραμματίζεται. Και η χωροθέτηση δεν κρίνεται μόνο από την ύπαρξη νερού ή ακτογραμμής. Κρίνεται από σεισμικότητα, γεωλογία, δυνατότητα του δικτύου, εφαρμόσιμα σχέδια έκτακτης ανάγκης και θεσμικό πλαίσιο που πρέπει να προϋπάρχει κάθε συζήτησης για θέση.

Καμία γενιά δεν κάνει το σοβαρό ατύχημα αδύνατο. Τα σύγχρονα σχέδια το κάνουν λιγότερο πιθανό και, αν συμβεί, περιορίζουν τις συνέπειες μέσα στο κέλυφος. Αυτή είναι η ουσία της διαδρομής από τα πρώτα πρωτότυπα ως τη γενιά III+, και ο λόγος που η επόμενη γενιά θα κριθεί από τα τεκμήρια που θα καταθέσει, όχι από την ονομασία της.

• Σε ποιο στάδιο βρίσκεται: λειτουργεί, κατασκευάζεται, έχει αδειοδοτηθεί ή υπάρχει μόνο στο χαρτί;
• Ποιο είναι το ψυκτικό και υπάρχει εμπορικό ιστορικό λειτουργίας μαζί του;
• Ποια μεγέθη έχουν μετρηθεί σε λειτουργούσα μονάδα και ποια είναι προβλέψεις του κατασκευαστή;
• Ποια αρχή έχει εξετάσει τι, και για ποιες συνθήκες θέσης έγινε η εξέταση;
• Υπάρχει αλυσίδα εφοδιασμού για το καύσιμο και διαδρομή για το αναλωμένο καύσιμο;