Nuklearnu elektranu čine reaktor, sustavi koji pretvaraju toplinu proizvedenu cijepanjem atoma u reaktorskoj jezgri u električnu energiju te brojni sustavi koji osiguravaju rad i sigurnost. Nuklearnu elektranu primarno određuje vrsta i veličina nuklearnog reaktora. Proizvodnja električne energije je slična u svim termoelektranama gdje se toplina pretvara u vodenu paru koje okreću turbine s kojima je na istoj osovini spojen električni generator.

Prva nuklearka koja je proizvodila električnu energiju je bio Eksperimentalni oplodni reaktor I (EBR-I). Radi se o maloj električnoj snazi od 200 kWe (1,4 MWt toplinski) koja je korištena lokalno u Idaho nacionalnom laboratoriju (SAD). Ipak, prvi reaktor koji je proizvodio nešto veću snagu i bio spojen na elektro energetski sustav je bio Miroljubivi atom (Atom Mirny, AM-1) napravljen 1954. u bivšem Sovjetskom savezu u Obninsku. AM-1 je proizvodio 5 MWe (30 MWt).

Nuklearne elektrane za proizvodnju električne energije koristi 32 zemlje. Sjedinjene Američke Države imaju najviše instaliranih kapaciteta (95 GWe u 92 reaktora) i apsolutno proizvode najviše električne energije u nuklearkama (29% svjetske nuklearne energije). Francuska ima najveći udio nuklearne u proizvodnji električne energije (69%, ispred Ukrajine, Slovačke i Mađarske čiji udio je oko 50%). Kina gradi najviše novih nuklearnih reaktora (17). Japan ima najviše operabilnih reaktora koji se ne koriste (oko 25) jer je proces ponovnog pokretanja vrlo zahtjevan (pravni problemi i otpor javnosti). Osam zemalja u svijetu ukupno ima oko 80 % nuklearke instalirane snage i proizvedene energije svijeta.

Zemlje s najviše nuklearne energije

Nuklearni reaktori i nuklearne elektrane

Obzirom na značaj reaktora on se često poistovjećuje s nuklearnom elektranom. To nije toliko važno kada nuklearna elektrana ima samo jedan reaktor. No, često nuklearnu elektranu čini više reaktora koji, premda uglavnom rade neovisno, prema elektroenergetskom sustavu čine jedan izvor električne energije.

Najčešća vrsta reaktora je tzv. lakovodni pod tlakom (PWR - Pressurised water reactor), potom lakovodni s ključajućom vodom (BWR – Boiling water reactor). Kanada je posebna po tome što je razvila i koristi isključivo reaktore s teškom vodom koji mogu biti u PWR i BWR izvedbi. U pogonu su i brojni drugi reaktori, ali njihov broj je vrlo malo tako da se neće ovdje spominjati..

PWR reaktor u primarnom krugu, gdje je reaktorska jezgra, ima toliko veliki tlak (16 MPa) tako da se voda ne isparava na radnoj temperaturi od oko 320 ̊C. Izmjenjivači topline (ili parogeneratori) toplinu primarnog kruga prenose na sekundarnu stranu gdje se na otprilike upola manjem tlaku voda pretvara u paru. BWR reaktor radi bez parogeneratora tako da je tlak oko reaktora oko 7 MPa te se para stvara na vrhu reaktorske jezgre i (nakon separiranja vlage) direktno odvodi do turbina.

Ovisno o snazi i sigurnosnim rješenjima postoji velika razlika između reaktora različitih proizvođača i još veća ovisno o tome kada su ti reaktori napravljeni. Većina reaktora danas u pogonu su reaktori tzv. II. generacije koji su građeni do sredine 90-ih. To su vrlo sigurni komercijalni reaktori koji su unaprjeđivani prema iskustvu u pogonu i na temelju spoznaja iz velikih nesreća (TMI, Černobil). Reaktori tzv. III. generacije (koje odlikuje još veća sigurnost) su se gradili do prije desetak godina, a  trenutno se grade reaktori tzv. III+ generacije. Reaktori IV. generacije bi trebali osim sigurnosti unaprijediti iskorištavanje nuklearnog goriva te smanjiti snagu i cijenu. Za sada postoje primarno na papiru i u nekoliko pilotnih postrojenja u Rusiji i Kini.

Najnoviji reaktori su optimirani za izgradnju i pogon uz dodatno povećanje sigurnosti kroz ugradnju tzv. pasivnih sigurnosnih rješenja (gdje za sigurnost dijelom nije nužno imati električnu energiju ili ljudsku akciju i gdje se ispod reaktorske posude izvode rješenja koja umanjuju posljedice topljenja jezgre s tzv. „hvatačima jezgre“). Ti reaktori, između ostaloga, ne zahtijevaju evakuaciju u slučaju nesreće, mogu fleksibilnije mijenjati snagu na kojoj rade i imaju životni vijek oko 60 godina.  

Kod nuklearne elektrane, kao i kod drugih elektrana, najvažniji je podatak neto snaga koju elektrana može predati u mrežu. Ta snaga ne uključuje snagu potrebnu za napajanja vlastite potrošnje. To znači da elektrana proizvodi oko 3% više električne energije. Efikasnost elektrane određuje omjer proizvedene električne energije i toplinske energije koju stvara reaktor te se kreče od 33% za starije reaktore do 37% kod najnovijih. Neka rješenja IV. generacije obećavaju efikasnost od 45% jer će moći raditi na puno višim temperaturama zahvaljujući otpornijem gorivu. Efikasnost od 33% znači da reaktor koji proizvodi električnu energiju snage 1 GWe u reaktori stvara toplinu snage 3 GWt.

Koliko elektrana proizvede električne energije ovisi o snazi i o tome koliko dugo radi. Maksimalni faktor opterećenja može biti 100% kada elektrana radi cijelo vrijeme na punoj snazi. No, to nije moguće jer se događaju kvarovi, treba zamijeniti gorivo ili napraviti održavanje ili elektroenergetski sustav ne treba toliko energije. Moderne nuklearke mijenjaju gorivo svakih 18 do 24 mjeseca (u trajanju od mjesec dana) i vrlo rijetko se kvare te postižu faktor opterećenja preko 90%. Za usporedbu vjetro- i fotonaponske elektrane imaju značajno manji faktor opterećenja uz to što se ne može kontrolirati kada i koliko će raditi. Ovisno o lokaciji vjetroelektrana može imati faktor opterećenja od 25 do 45%, a najveći je za elektrane na moru. Slično za fotonaponske elektrane faktor opterećenja ovisi primarno o zemljopisnom položaju tako da u Njemačkoj iznosi tek nešto preko 10%, a u Španjolskoj oko 20% za isto postrojenje.

Nuklearna elektrana najveće snage ima blizu 8000 MWe U nastavku je kratko opisano 10 najvećih nuklearki snage preko 5000 MWe. Te elektrane imaju od 4 do 8 reaktora i dodatne reaktore u gradnji tako da je moguće da će u skoro vrijeme najveća nuklearka imati snagu preko 10000 MWe. No, u budućnosti je za očekivati da će tako velikih elektrana biti sve manje jer je trend da snaga najvećih reaktora nije toliko velika (oko 1000 MWe), a i moguće je da će mali modularni reaktori (snage od 50 do 450 MWe) u skoroj budućnosti biti dostupni i atraktivni.

Najveće snage drugih vrsta elektrana mogu biti i veće (hidroelektrana Tri klisure u Kini ima 22,5 GWe) od nuklearki, slične (termoelektrane na ugljen, naftu i prirodni plin) i većinom daleko manje. Najveća vjetroelektrana, Gansu u Kini, ima skoro 8 GWe (s tim da druga najveća ima 1,5 GWe). Najveća snaga fotonaponske elektrane, Bhadla solarni park u Indiji,  ima 2,7 GWe.

Od ostalih karakteristika za elektrane važno je koliko ljudi treba za njen pogon, kolika je potreba za vanjskim uslugama (za održavanje i gorivo). Veća potreba za radnom snagom, vanjskim uslugama i gorivom smanjuje cijenu investicije i povećava značaj za lokalnu ekonomiju. No, to znači i veću osjetljivost na promjene cijene goriva. Nuklearke trebaju do 1000 ljudi za pogon po gigawatu instalirane snage (to čini oko 25% pogonskih troškova), a cijena električne energije ovisi oko 5 % o cijeni goriva.  

Obzirom da je nuklearka visoko kapitalno intenzivna investicija njena cijena najviše ovisi o tome koliko dugo se gradi i o uvjetima financiranja. Trenutno se nuklearke na Zapadu grade iznimno dugo, a i financijski uvjeti su vrlo loši uslijed inflacije. Prijašnja brzina gradnje kao i iskustvo Rusije i Kine pokazuju da s većim iskustvom i kontinuitetom trajanje izgradnje nuklearke se može značajno smanjiti. Drugim riječima što se više gradi to će se brže i jeftinije graditi. Prostora za daljnje smanjivanje cijene nuklearki ima i u načinu financiranja.

Najvećih 10 nuklearnih elektrana

Tablica prikazuje 10 najvećih nuklearki poredanih prema instaliranoj snazi. U tablici su prikazani najzanimljiviji podaci: broj i vrsta reaktora, operator, dizajner, ukupna snaga, razdoblje gradnje prvog i zadnjeg reaktora te izdvojena zanimljivost.  Neke od ovih najvećih nuklearki su ilustrirane fotografijom.

Najveće nuklearke se nalaze u Japanu, Južnoj Koreji (tri), Kanadi, Kini (četiri), Ukrajini i Francuskoj (dvije). Zanimljivo je da Sjedinjene američke države, premda zemlja s najviše instaliranih nuklearki nema tako velike elektrane. Najveća nuklearna elektrana u SAD-u je Browns Ferry ukupne snage 3775 MWe (tri BWR reaktora).

Zanimljivo je da dvije od ovih najvećih nuklearki trenutno ne rade. Najveća Kashiwazaki-Kariwa, u Japanu je imala problema još prije nesreće u Fukushimi. Premda je to riješeno i premda su napravljene velike izmjene i dalje se ne smije pustiti u pogon jer su radnici napravili velike propuste u pristupu sigurnosnim područjima. Deseta po veličini nuklearka Zaporizhzhia u Ukrajini je obustavljena jer su je Rusi okupirali i oko nje su ratna djelovanja. Obustavljena elektrana je to manje opasna što je duže vremena obustavljena.

Poredak najvećih nuklearki će se mijenjati jer neke od njih imaju stare reaktore koji će se u budućnosti trajno obustaviti dok druge imaju dodatne reaktore u izgradnji. Primjerice nuklearka Hanul u Kini bi mogla imati skoro 12 GWe nakon dovršetka gradnje tri reaktora.

1. Kashiwazaki-Kariwa,  TEPCO, Japan

Najveća nuklearna elektrana na svijetu Kashiwazaki-Kariwa nalazi se na sjeverozapadnoj obali Japana. Elektrana ima sedam reaktora (svi tipa BWR od kojih su dva napredna) ukupne snage 7965 MWe koji su 15-ak godina vrlo malo bili u pogonu. Premda su problemi vezani za sigurnost od potresa riješeni u elektrani je nedavno otkriveno da autorizacija pristupa osoblja nije dobro riješena.  Prvi reaktor je počeo raditi 1985. nakon nešto više od 5 godina gradnje, a zadnji je počeo raditi 1997. godine nakon samo četiri godine gradnje. Ovo je dokaz kako se nuklearke mogu brzo graditi.

2. Kori, KHNP, J. Koreja

Druga najveća nuklearka na svijetu Kori nalazi se na jugoistočnoj obali Južne Koreje. Sedam reaktora (tri generacije PWR tipa) u pogonu ima ukupnu snagu od 7489 MWe. Dva reaktora (svaki snage 1340 MWe) su pri kraju gradnje tako da bi Kori nuklearka mogla uskoro imati ukupnu snagu od preko 10000 MWe. Prvi (dekomisionirani) reaktor je pušen u pogon 1978. godine nakon oko 5 i pol godina gradnje. Gradnja najnovija dva reaktora će trajati manje od pet godina.

3. Hanul, KHNP, J. Koreja

Treća najveća nuklearna elektrana Hanul se nalazi na istočnoj obali Južne Koreje. Sedam PWR reaktora (tri generacije) ima ukupnu snagu od 7268 MWe. Prvi reaktor je počeo raditi (nakon pet i pol godina gradnje) 1983. godine, a zadnji nakon skoro 10 godina gradnje u lipnju ove godine. Jedan reaktor je pri završetku gradnje, a dva su u gradnji, svi snage 1340 MWe. Nakon izgradnje ova tri reaktora, za dvije godine će Hanui nuklearka imati preko 11000 MWe snage. Zanimljivo je da je u J. Koreji gradnje reaktora bila prekinuta do ovogodišnjeg dolaska novog predsjednika Yoon Suk‑yeola.

4. Bruce A i B, OPG, Kanada

Nuklearka Bruce je najveća u Kanadi i četvrta po veličini u svijetu. Nuklearku Bruce čini osam teškovodnih reaktora (podijeljenih u faze A i B) ukupne snage 6384 MWe. Prvi reaktor je počeo raditi (nakon manje od pet i pol godina gradnje) 1977. godine, a zadnji (nakon preko osam godina gradnje) 10 godina kasnije. Jedan mali reaktor snage 220 MWe je dekomisioniran.

5. Hongyanhe, LHNPC, Kina

Nuklearka Hongyanhe je najveća u Kini i peta po veličini u svijetu. Šest lakovodnih reaktora (dvije generacije) vlastitog dizajna (temeljenog na dizajnu francuskog Framatomea) ima ukupno 6366 MWe. Radi se o relativno novoj elektrani jer su reaktori pušteni u pogon u zadnjih devet godina (s vremenom gradnje od šest do sedam godina).

6. Fuquing, CNNC, Kina

Šesta najveća nuklearka na svijetu je Fuquing, također iz Kine. Nalazi se na istočnoj obali preko puta Tajvana. Nuklearku čini šest lakovodnih reaktora (dviju generacija) razvijenih u Kini na temelju dizajna francuske Areve. Zadnja dva reaktora su model Hualong One (HPR1000) koji Kina planira izvoziti. Svi reaktori su pušteni u pogon tijekom zadnjih osam godina s trajanjem gradnje oko šest godina.  

7. Tianwan, JNP/ Atomstroyexport, Kina

Nuklearka Tianwan je treća najveća u Kini i sedma na svijetu. Ima šest lakovodnih reaktora (četiri VVER-1000 ruskog dizajna i dva kineska ACPR-1000 na bazi francuskog rješenja) ukupne snage 6080 MWe. Reaktori su izgrađeni za oko šest godina i pušteni u pogon između 2007. i 2021. godine. Dva reaktora, najnovijeg ruskog dizajna VVER-1200 (svaki snage 1150 MWe), su počeli graditi prošle i ove godine (planiraju ih izgraditi za pet godina).  

8. Yangjiang, YNPC, Kina

Osma najveća nuklearka na svijetu je Yangjiang i ujedno četvrta koji dolazi iz Kine. I ovu kinesku nuklearku čini šest lakovodnih reaktora (dvije generacije) kineskog dizajna temeljenog na francuskom rješenju) ukupne snage okruglih 6000 MWe. Reaktori su pušteni u pogon između 2013. i 2019. godine. Gradnja reaktora je trajala od pet do sedam godina. Ova nuklearka ima najveći faktor opterećenja (oko 87%) od 10 najvećih svjetskih nuklearki.

9. Hanbit, KHNP, J. Koreja

Treća najveća nuklearka Hanbit, u Južnoj Koreji, je deveta najveća na svijetu. Nuklearku čini šest lakovodnih reaktora (2 Westinghouse dizajna s dijelom vlastite opreme i 4 Combustion Engineering dizajna sa svom vlastitom opremom i izgradnjom) ukupne snage 5875 MWe. Reaktori su pušteni u pogon između 1986. i 2002. s prosječnom gradnjom u trajanju od oko pet godina. 

10. Zaporožje, Energoatom, Ukrajina

Deseta najveća nuklearka na svijetu Zaporožje je iz Ukrajine. Ima šest ruskih VVER-1000 lakovodnih reaktora ukupne snage 5700 MWe. Nuklearka je trenutno obustavljena jer se je okupirana od strane Rusije i jer su oko nje ratna djelovanja. Reaktori su pušteni u pogon između 1985. i 1996. godine. Prvi reaktor je izgrađen za pet, a zadnji za deset godina.

10 najvećih nuklearnih elektrana na svijetu