Ennyit számít a Duna vize Paks számára

Teljesen megszűnt a villamosenergia-termelés a Paksi Atomerőműben, ha a Duna vízállása a jelenlegi előrejelzés szerint tovább süllyed. Augusztus 1-jén az erőmű már kevesebb mint a névleges teljesítmény felét adta: a négy blokk együttesen nagyjából 965 megawatt körül termelt a szokásos mintegy 2000 megawatt helyett. Bár a leállást keddre-szerdára tervezték, ez hamarabb következett be. A teljes leállás Paks 44 éves történetében példátlan. A helyzet első látásra ijesztő, műszaki szempontból azonban fontos különválasztani két dolgot: a villamosenergia-termeléshez szükséges hatalmas hűtővízigényt és a leállított reaktor biztonsági hűtését. A kettő nem ugyanaz.

Az atomerőmű lényegében különleges hőerőmű. A különbség az, hogy a kazánban szén vagy földgáz elégetése helyett uránatomok hasadása termeli a hőt. A további folyamat meglepően hasonló: a hőből gőz készül, a gőz turbinát forgat, a turbina generátort hajt, majd a gőzt ismét vízzé kell alakítani, hogy a körfolyamat elölről kezdődhessen. Ehhez a gőzből rengeteg hőt kell elvonni. Egy atomerőmű ezért még normál működés közben is sokkal több hőt ad le a környezetnek, mint amennyi villamos energiát a hálózatba küld.

A paksi VVER-440/V-213 blokkok egyenként 1485 megawatt hőteljesítményt termelnek, miközben körülbelül 500 megawatt villamos teljesítményt adnak. Durva közelítésben tehát minden megtermelt egy megawatt áram mellett közel két megawattnyi hőt kell valahová elvezetni. Ez a hőelvonás a termodinamika következménye, nem a paksi konstrukció különös hibája. Ugyanezzel a feladattal szembesül egy széntüzelésű vagy gáztüzelésű gőzerőmű is, és minden olyan nukleáris blokk, amely gőzturbinával termel villamos energiát.

Paksnál három vízrendszert érdemes fejben különválasztani. A primer körben a reaktoron átáramló, nagy tisztaságú víz 123 bar nyomáson van, ezért nagyjából 300 Celsius-fokon sem forr fel. Ez a víz viszi el a hőt a fűtőelemektől a gőzfejlesztőkig, és ez a rendszer radioaktív közeget is tartalmazhat, ezért zárt. A gőzfejlesztő másik oldalán található a szekunder kör: itt már külön víztömeg forr fel, a keletkező gőz hajtja a turbinát. A két vízkör fizikailag el van választva egymástól.

A harmadik rendszer a mostani helyzet kulcsa. A turbinán áthaladt gőz a kondenzátorba kerül, ahol hideg csövek mellett ismét folyadékká csapódik. Ezeket a csöveket a Dunából kiemelt víz hűti. Az erőmű normál teljesítmény mellett másodpercenként mintegy 100 köbméter folyóvizet vesz ki, vagyis körülbelül 100 ezer litert másodpercenként. Ez a víz nem jut be sem a reaktorba, sem a radioaktív primer körbe: hőcserélő felületen keresztül veszi fel a hőt, majd átlagosan körülbelül nyolc Celsius-fokkal melegebben visszakerül a folyóba.

A hatalmas szám mögött az a fizikai ok áll, hogy a víz kiváló hőhordozó. Nagy a fajhője, olcsó, folyamatosan rendelkezésre áll, és a közvetlen folyóvizes hűtéshez nem kell több száz méter magas hűtőtornyokat építeni. Normális dunai vízállásnál ez gazdaságos és hatékony megoldás. A rendszer gyenge pontja ugyanakkor maga a folyó: ha túl meleg, csökken a kondenzátor hatásossága és nehezebb a leadott hőt környezetvédelmi korlátok között tartani; ha túl alacsony a vízszint, a vízkivételi rendszer szivattyúi kerülhetnek olyan üzemállapotba, amelyben már nem garantálható a szükséges mennyiségű hűtővíz megbízható felvétele.

A mostani válságban elsősorban az utóbbi a döntő. A Duna teljes vízhozama még a rendkívüli aszályban is jóval nagyobb annál a nagyjából 100 köbméter/másodpercnél, amelyet Paks névleges üzemben átáramoltat. A probléma tehát nem úgy értendő, hogy elfogyott a folyóból a hűtéshez szükséges vízmennyiség. A vízszint annyira alacsonyra süllyedt, hogy a hidegvíz-csatorna és a szívóoldali berendezések geometriai, hidraulikai határai kerültek előtérbe. A szivattyúnak megfelelő vízoszlopra és bemerülésre van szüksége; ha levegőt szív, örvények vagy kavitáció alakul ki, a szállított vízmennyiség és a berendezés megbízhatósága romolhat.

A hírekben szereplő mínusz 134 centiméteres határértéket sem szabad úgy elképzelni, mintha a Duna mindössze 134 centiméter mély lenne. A vízmérce nulla pontjához viszonyított vízállásról van szó. A jelenlegi üzemviteli feltételek szerint e szint környékén már teljes leállítás válhat szükségessé. Az előrejelzések akár mínusz 144 centiméter körüli értéket is valószínűsítenek, ezért számol a kormány és az üzemeltető azzal, hogy kedd-szerda körül egyik blokk sem termel majd villamos energiát. A pontos időpontot a folyó tényleges alakulása dönti el, a hidrológiai prognózis naponta többször változhat.

A másik korlát a hőmérséklet. Ha a Duna 25 Celsius-foknál melegebb, rendszeres mérést kell végezni a melegvíz-csatorna torkolatától 500 méterre. A befogadó víz hőmérséklete fő szabály szerint nem emelkedhet 30 Celsius-fok fölé. Júniusban és júliusban emiatt is többször visszaterhelték a blokkokat. Ez alapvetően környezetvédelmi határ: azt védi, hogy az erőmű hőterhelése ne melegítse túl a folyót. A rendkívül alacsony vízállás ezzel szemben a vízkivétel üzembiztosságát is érinti. A két jelenség egyszerre is felléphet, és a klímaváltozással éppen ez a kellemetlen kombináció válhat gyakoribbá: kevés és közben meleg folyóvíz.

A teljes leállás kifejezés könnyen félreérthető. Amikor leállítják a reaktort, a szabályozó és biztonságvédelmi rudak néhány másodperc alatt megszüntetik az önfenntartó láncreakciót. Ettől azonban a reaktormag nem válik azonnal hideggé. A hasadás során keletkezett radioaktív bomlástermékek tovább bomlanak és úgynevezett maradványhőt termelnek. Közvetlenül a leállítás után ez még a korábbi hőteljesítmény néhány százaléka lehet, majd gyorsan csökken. Ezt a hőt órákon, napokon, hosszabb távon pedig folyamatosan el kell vezetni.

Itt válik fontossá a különbség a termelési és a biztonsági hűtés között. A turbinák kondenzátorainak működtetéséhez névleges üzemben óriási dunai vízáram kell. A leállított reaktor maradványhőjének elvezetéséhez lényegesen kisebb hőelvonó teljesítmény szükséges, és erre több, egymástól független biztonsági rendszer és tartalék áll rendelkezésre. Az Országos Atomenergia Hivatal júliusi közlése szerint a nukleáris biztonság szempontjából szükséges hűtés olyan szélsőséges körülmények között is biztosítható, amikor a vízhozam az átlagosnál akár 90 százalékkal kisebb. Vagyis a termelés leállítása nem azt jelenti, hogy a reaktort hűtés nélkül hagyják; éppen ellenkezőleg, a blokkot még azelőtt biztonságos állapotba viszik, hogy a normál üzem feltételei elfogynának.

Ez az oka annak is, hogy a mostani eseményből önmagában nem következik nukleáris veszélyhelyzet. A szabályozás alapelve szerint az üzemeltetőnek nem azt kell kivárnia, amíg egy szivattyú már képtelen vizet szállítani, hanem előre meghatározott küszöböknél kell teljesítményt csökkentenie, majd szükség esetén leállítania a blokkot. Egy nukleáris létesítmény biztonságát részben éppen az mutatja, hogy kedvezőtlen külső körülménynél automatikusan vagy eljárásrend alapján feladja az áramtermelést a biztonsági tartalékok megőrzése érdekében.

Paks biztonságának megítélése ettől még nem merül ki abban, hogy a mostani leállítás ellenőrzött folyamat. A négy VVER-440/V-213 blokk az 1980-as évek technológiája: az első 1982-ben, a negyedik 1987-ben kezdte a termelést. A létesítményt azóta többször modernizálták, növelték a teljesítményét, biztonsági rendszereket alakítottak át, és a fukusimai baleset után európai stressztesztnek is alávetették. Az OAH ma is folyamatosan felügyeli az üzemet, az éves főjavítások és az időszakos biztonsági felülvizsgálatok pedig az öregedés kezelésének részei. A régi konstrukció tehát nem azonos azzal, hogy az erőmű változatlanul az 1982-es állapotában működik.

Nulla kockázat ugyanakkor nincs. Az idősödő berendezéseknél különösen fontos a reaktortartály anyagának állapota, a csővezetékek, hegesztések, kábelek, szivattyúk és villamos rendszerek öregedésének követése. A mostani aszály egy másik területre, a külső környezeti feltételekre irányítja a figyelmet. Egy erőmű lehet nukleáris szempontból megfelelően védett, miközben a villamosenergia-termeléshez szükséges infrastruktúrája érzékenyebb egy olyan folyószintre, amelyet a tervezés idején rendkívülinek tartottak. Az ellátásbiztonság és a nukleáris biztonság ebben a pontban két eltérő fogalom.

A Paks II.-be tervezett két VVER-1200-as blokk ezen a téren vegyes képet ad. A reaktorok úgynevezett III+ generációs konstrukciók, vagyis a tervezésükbe több olyan aktív és passzív biztonsági megoldást beépítettek, amely a jelenlegi blokkok megszületésekor még nem volt követelmény. Ilyen a súlyos baleset esetére szolgáló zónaolvadék-csapda, és nagyobb hangsúlyt kapnak azok a rendszerek, amelyek külső villamos energia vagy azonnali kezelői beavatkozás nélkül is képesek bizonyos ideig hőt elvezetni. Ezek valódi biztonsági előrelépések, különösen egy hűtésvesztéssel járó rendkívüli esemény következményeinek korlátozásában.

A Duna-függést azonban a modernebb reaktor önmagában nem szünteti meg. A Paks II. környezeti hatástanulmánya ugyan megvizsgálta a nedves, száraz és hibrid hűtőtornyos megoldásokat is, végül a jelenlegi erőműhöz hasonló közvetlen frissvizes hűtést választotta. A tervek szerint egy 1200 megawattos új blokk normál üzemben körülbelül 66 köbméter vizet venne ki másodpercenként a Dunából, a két blokk együtt 132 köbmétert. Ez több a mai négy blokk együttes, nagyjából 100 köbméteres igényénél, ami főként abból következik, hogy az új blokkok villamos és hőteljesítménye is jóval nagyobb.

A hűtőtorony csökkenthetné azt a vízmennyiséget, amelyet folyamatosan át kell vezetni az erőművön, és mérsékelhetné a folyó hőterhelését is. Cserébe a nedves hűtőtorony a kivett víz egy részét elpárologtatja, vagyis kevesebb vizet vesz fel, de abból többet ténylegesen elfogyaszt. A torony beruházási és üzemeltetési költsége nagy, saját villamos energiát igényel, meleg időben romlik a hatásfoka, és jelentős építmény. A száraz, levegős hűtés folyóvíz nélkül vagy nagyon kevés vízzel is működhet, ám egy több ezer megawatt hőteljesítményű atomerőműnél hatalmas hőcserélő felületre van szükség, és éppen a legforróbb nyári napokon teljesít a legrosszabbul.

Az újabb kis moduláris reaktorok, az SMR-ek részben rugalmasabbak lehetnek. Egy kisebb blokk abszolút értelemben kevesebb hőt termel, több terv eleve passzív maradványhő-elvezetéssel készül, és egyes típusokat léghűtésre vagy hibrid rendszerre is lehet optimalizálni. Ettől azonban az azonos mennyiségű villamos energia előállításához szükséges hőleadás nem tűnik el. Ha sok kis reaktor együtt ugyanannyi áramot termel, mint egy nagy, a környezetbe leadandó hő nagyságrendje is hasonló marad. A fejlettebb technológia elsősorban azt javítja, hogy a hőt milyen biztonságosan és hányféle úton lehet elvezetni, valamint mennyire függ a rendszer egyetlen külső erőforrástól.

A mostani helyzet ezért jó műszaki lecke Paks II. számára is. A jövő erőművének nem elég az 1980-as évekhez képest korszerűbb reaktort építeni; a teljes hűtési láncot a következő hatvan-nyolcvan év éghajlati szélsőségeire kell méretezni. Ide tartozhat a vízkivételi mű mélyítése vagy átalakítása, a szívóvezetékek alacsonyabb szintre vitele, kiegészítő hűtési lehetőségek, tartalék vízbázisok és olyan üzemviteli szabályok kialakítása, amelyek egyszerre védik a folyó élővilágát és az ország villamosenergia-rendszerét. A mostani erőműnél már megkezdődött a szívóoldali műszaki megoldások átalakításának előkészítése, hogy később a mainál alacsonyabb folyamszinteknél is fennmaradhasson a termelés.

Paks leállása után a reaktorok biztonsági hűtése tovább működik, miközben a turbinák nem termelnek áramot. A történet legfontosabb technikai tanulsága az, hogy egy atomerőműnek nem az urán a legnagyobb mennyiségben használt működési közege, hanem a hő elvezetéséhez szükséges hűtőközeg. A modern reaktorok sokat javítanak a baleseti biztonságon, de a termodinamika törvényeit ők sem írják felül: a megtermelt hő jelentős részét valahová mindig le kell adni. Paks esetében ennek a rendszernek több mint négy évtizede a Duna a legfontosabb külső eleme, és a 2026-os aszály most megmutatja, milyen szűk lehet ennek a kapcsolatnak a tartaléka.