Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 48 – vyšlo 11. prosince, ročník 18 (2020) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

48/2020

Simulace průběhu těžkých jaderných havárií

David Zoul, Jan Hrbek, Lukáš Procházka, Petr Pražák

Události spojené s úplnou ztrátou elektrického napájení a ztrátou chladiva v primárním chladicím okruhu jaderného reaktoru patří, s ohledem na existenci mnohonásobného zálohování jak elektrického napájení, tak i nouzového chlazení reaktoru, mezi velmi nepravděpodobné nadprojektové havárie. Přesto, jak ukázala havárie jaderné elektrárny Fukušima I, problematika těžkých havárií zasluhuje náležitou pozornost a prevenci. Právě z důvodu prevence a připravenosti na havarijní situace s cílem zmírnění jejich potenciálních vážných následků se provádí predikční výpočetní modelování situací s úplnou ztrátou elektrického napájení, jakož i fyzikální simulace událostí spojených s roztržením primárního chladicího okruhu a následným tavením aktivní zóny reaktoru. Výsledky těchto experimentů a počítačových simulací jsou stěžejní pro přípravu návodu pro detailní popisy a zvládání následků těžkých havárií (SAMG – Severe Accident Management Guidelines).

Výbuchem poškozená jaderná elektrárna Fukušima I. Zdroj: la.indymedia.org.

CVŘ – Centrum Výzkumu Řež, s. r. o., dceřiná společnost Ústavu jaderného výzkumu, a. s., sídlící společně ve stejném areálu nedaleko Prahy (s detašovanými pracovišti v Plzni a v Brně). MELCOR – plně integrovaný počítačový kód vyvinutý společností Sandia National Laboratories pro americkou komisi pro regulaci jaderných zbraní za účelem modelování postupu závažných havárií v jaderných elektrárnách. V systému MELCOR je zpracováno v uceleném rámci široké spektrum závažných havárií tlakovodních i varných reaktorů. Aplikace MELCOR zahrnují odhad podmínek vzniku a rozvoje závažných nehod a havárií, jejich citlivosti a nejistoty. SÚRO – Státní ústav radiační ochrany SÚJCHBO – Státní ústav jaderné, chemické a biologické ochrany SBO – Station BlackOut, úplná ztráta elektrického napájení jaderné elektrárny. LOCA – Lost Of Coolant accident, jaderná havárie spojená s únikem chladiva z primárního okruhu jaderného reaktoru. SUSEN – SUStainable ENergy, evropský projekt Udržitelná energetika, ze kterého byla financována výstavba nových špičkových technologií v rámci Centra výzkumu Řež, s. r. o. Kórium – roztavená směs štěpného materiálu vznikající při havarijním přehřátí jádra reaktoru. Obsahuje jaderné palivo, štěpitelné materiály, regulační tyče, části konstrukce reaktoru a produkty probíhajících chemických reakcí. Skull vrstva – tenká pevná krusta vytvořená z taveného materiálu v místě, kde je tavenina intenzivně ochlazována.

Simulace havarijních scénářů nehod jaderných elektráren v kódu MELCOR

Roku 2015 skončilo řešení tříletého projektu „Prevence, připravenost a zmírnění následků těžkých havárií českých jaderných elektráren v souvislosti s novými poznatky zátěžových testů po havárii ve Fukušimě“ řešeného v rámci bezpečnostního výzkumu MV ČR. Úlohou CVŘ, s. r. o. v kolektivu řešitelů – FJFI ČVUT, SÚRO, v. v. i. a SÚJCHBO, v. v. i. – bylo analyzovat pro jadernou elektrárnu typu VVER 1000VVER – Водо-Водяной Энергетический Реактор, VodoVodjanoj Energetičeskij Reaktor. Východní varianta vysokotlakých vodních reaktorů, v nichž je chladivem voda hnaná do reaktoru pod vysokým tlakem. Původně ruský reaktor je nejčastějším reaktorem v elektrárnách bývalého východního bloku. Tento typ reaktoru je v českých jaderných elektrárnách Dukovany a Temelín. vybrané havarijní scénáře vedoucí k těžké havárii s tavením aktivní zóny. Řešitelský tým CVŘ vytvořil pro účely projektu model elektrárny v kódu MELCORMELCOR – plně integrovaný počítačový kód vyvinutý společností Sandia National Laboratories pro americkou komisi pro regulaci jaderných zbraní za účelem modelování postupu závažných havárií v jaderných elektrárnách. V systému MELCOR je zpracováno v uceleném rámci široké spektrum závažných havárií tlakovodních i varných reaktorů. Aplikace MELCOR zahrnují odhad podmínek vzniku a rozvoje závažných nehod a havárií, jejich citlivosti a nejistoty. a provedl výpočty zdrojových členů pro havarijní scénáře s úplnou ztrátou napájení vlastní spotřeby – SBOSBO – Station BlackOut, úplná ztráta elektrického napájení jaderné elektrárny., který nastává například po rozpadu elektrizační soustavy, nezregulování ani jednoho z turbogenerátorů na vlastní spotřebu a selhání napájení od všech dieselgenerátorů daného bloku. Celkově bylo analyzováno pět havarijních scénářů:

Pomocí výsledků z kódu MELCORMELCOR – plně integrovaný počítačový kód vyvinutý společností Sandia National Laboratories pro americkou komisi pro regulaci jaderných zbraní za účelem modelování postupu závažných havárií v jaderných elektrárnách. V systému MELCOR je zpracováno v uceleném rámci široké spektrum závažných havárií tlakovodních i varných reaktorů. Aplikace MELCOR zahrnují odhad podmínek vzniku a rozvoje závažných nehod a havárií, jejich citlivosti a nejistoty. je možné zjistit důležité hodnoty pro minimalizaci následků nehody SBOSBO – Station BlackOut, úplná ztráta elektrického napájení jaderné elektrárny.. Jedním z nejdůležitějších parametrů je množství vodíku v kontejnmentu. Výpočet dokumentuje fakt, že k vlastnímu vývoji vodíku dojde po více než dvou hodinách celkové ztráty napájení.

Významnou součástí výsledků tohoto projektu je kompletní databáze predikcí časového vývoje uvolňování jednotlivých izotopů v jednotlivých fázích události SBO – například míra vytváření H₂, CO, CO₂, CH₄ a kompletní inventář radioaktivních prvků v kilogramech. Tři čtvrtiny všech uvolněných prvků tvoří skupina 1 obsahující vzácné plyny (72 kg). Druhou důležitou skupinou jsou alkalické kovy (35 kg), především cesium. Dalším důležitým parametrem je čas do selhání integrity tlakové nádoby.

Experimentální zařízení LOCA

Technologie LOCALOCA – Lost Of Coolant accident, jaderná havárie spojená s únikem chladiva z primárního okruhu jaderného reaktoru. – zařízení pro simulaci těžké havárie jaderné elektrárny nové generace – je jednou z řady technologií vybudovaných v CVŘCVŘ – Centrum Výzkumu Řež, s. r. o., dceřiná společnost Ústavu jaderného výzkumu, a. s., sídlící společně ve stejném areálu nedaleko Prahy (s detašovanými pracovišti v Plzni a v Brně). v rámci projektu SUSENSUSEN – SUStainable ENergy, evropský projekt Udržitelná energetika, ze kterého byla financována výstavba nových špičkových technologií v rámci Centra výzkumu Řež, s. r. o. – výzkumný program Strukturální a systémová diagnostika. Laboratoř slouží ke kvalifikaci, výzkumu a vývoji komponent pro tlakovodní reaktory jaderných elektráren III. a IV. generace. Účelem je zátěžové testování zařízení v podmínkách nejvyšší projektové havárie typu LOCA a rovněž simulace nadprojektových havárií tohoto typu.

Experimentální nádoby „Velká LOCA“ (vlevo) a „Malá LOCA“ (vpravo). Uprostřed je přehřívák vzduchu regulující teplotu pláště experimentálních nádob. Zdroj: CVŘ.

Označení LOCA je anglickou zkratkou pro Loss Of Coolant Accident. Představuje havárii, při které dojde k úniku chladiva primárního okruhu v kontejnmentu jaderné elektrárny. V důsledku této havárie dochází k výraznému tepelnému a tlakovému šoku v prostorách kontejnmentu. Následně je aktivován systém havarijního sprchování za účelem snížení teploty a tlaku v prostorách kontejnmentu. Poslední fází je zaplavení prostoru kontejnmentu směsí sprchovacího roztoku a zkondenzované chladicí vody (v laboratorním prostředí tzv. test post-LOCA). V prostorách kontejnmentu se nachází řada zařízení, u kterých je pro úspěšné zvládnutí tohoto typu havárie nezbytně nutné, aby byla po celou dobu havárie (LOCA, případně také post-LOCA) zachována jejich funkčnost. Příkladem takových zařízení jsou silové i datové kabely, průchodky, senzory, pohonné jednotky apod., které lze během zkoušky rovněž elektricky zatěžovat a proměřovat jejich elektrické vlastnosti.

Parní kotel SBAK – generátor syté páry. Zdroj: CVŘ.

Laboratoř LOCA v CVŘ disponuje dvěma zkušebními nádobami o objemech 3,5 m³ a 0,6 m³. V obou nádobách je možné dosáhnout maximálního tlaku 2 MPa a maximální teploty 300 °C, což představuje výjimečné parametry tohoto typu technologie v rámci celé Evropy. Teplonosným médiem je sytá, případně přehřátá pára, jež je generována parním kotlem, který je součástí laboratoře. V průběhu experimentu je také možné sprchovat testovaný vzorek sprchovacím roztokem, provádět zátěžové elektrické testy, nebo online měřit elektrické veličiny testovaného vzorku. K tomu slouží průchodky, které je možné instalovat na určená místa v plášti či víku nádob. V průběhu tepelného zrání, kdy je teplota v nádobách udržována jejich pláštěm, je uvnitř možno udržovat inertní atmosféru (Ar, N₂) a online kontrolovat její složení.

Detail experimentální nádoby Malá LOCA. V zadní části přehříváky páry. Zdroj: CVŘ.

V průběhu let 2016 a 2017 proběhly tlakové zkoušky obou tlakových nádob, generátoru přehřáté páry a parního potrubí. Byly rovněž provedeny parní zkoušky a otestovány horkovzdušné smyčky a hospodářství pro sprchové a zaplavovací roztoky. Technická inspekce České republiky po provedené kontrole schválila kotel pro provoz.

Nádoby vodního hospodářství – slouží k přípravě, zásobě a případně také
k předehřevu sprchovacího a zaplavovacího roztoku. Zdroj: CVŘ.

Laboratoř studeného kelímku

Indukční pec se studeným kelímkem je zařízení pro vysokofrekvenční indukční tavení různých materiálů. Studený kelímek sestává z trubkovitých, většinou měděných dílů, kolem kterých jsou umístěny závity induktoru. Průchodem vysokofrekvenčního elektrického proudu induktorem se generuje elektromagnetické pole, které při interakci s materiálem umístěným v kelímku vytváří Jouleovy ztráty, jejichž vlivem dochází k jeho ohřevu. Vlastní tavicí nádoba (studený kelímek) je intenzivně vnitřně chlazená vodou. Teplota na všech částech zařízení nepřesahuje teplotu 100 °C, přestože materiál uvnitř kelímku dosahuje teploty až 3 000 °C.

Princip indukčního tavení ve studeném kelímku: 1 označuje závity induktoru, jehož elektromagnetické pole 3 ohřívá materiál 4, umístěný uvnitř studeného kelímku 2. Vodní chlazení kelímku i induktoru je znázorněno modrou barvou uvnitř měděných prvků označených oranžově. Číslo 6 označuje tenkou pevnou krustu, tzv. skull, vyt­vot­řenou z ochlazeného taveného materiálu, která především brání styku roz­ta­ve­ného materiálu s materiálem kelímku a také protečení roztaveného materiálu mezerami mezi svislými chladicími prvky kelímku. Zdroj: CVŘ, enpedie.cz.

Laboratoř studeného kelímku, která je v rámci projektu SUSENSUSEN – SUStainable ENergy, evropský projekt Udržitelná energetika, ze kterého byla financována výstavba nových špičkových technologií v rámci Centra výzkumu Řež, s. r. o. zařazena ve výzkumném programu Jaderný palivový cyklus, je vybavena dvěma komplety indukčních systémů se studeným kelímkem. První o výkonu 160 kW a druhý o výkonu 240 kW. Oba systémy využívají pracovní komory, které umožnují pracovat ve vakuu, inertní atmosféře nebo na vzduchu.

Zařízení	IS-1	IS-2
příkon při max. výkonu pro ohřev	250 kVA	340 kVA
výkon	160 kW	240 kW
frekvence vysokofrekvenčního generátoru	1,5–2 MHz	1,1–1,3 MHz
průtok chladicí vody při 300 kPa	cca 100 l/min	cca 160 l/min
výstupní teplota chladicí vody	50 °C	50 °C
maximální hmotnost vzorku	30 kg	50 kg
délka pracovní komory (vnější)	2 m	2 m
průměr pracovní komory (vnější)	1,6 m	1,6 m
objem pracovní komory	2,8 m3	2,8 m3

Indukční ohřev má oproti jiným druhům ohřevu některé nesporné výhody. Jelikož teplo nevstupuje do ohřívaného materiálu jeho povrchem, ale vzniká přímo v materiálu, je samotný proces ohřevu velmi rychlý. Další výhodou je skutečnost, že volbou kmitočtu generátoru lze volit rozložení tepla v ohřívaném materiálu – vsázce. Třetí výhodou ohřevu ve studeném kelímku je, že roztavený materiál se přímo nedotýká stěn kelímku ani jiného materiálu, který by se vlivem vysoké teploty mísil s taveninou. Proto lze dosáhnout vysoké čistoty taveniny ve všech fázích tavby. Na rozhraní roztaveného materiálu a kelímku se vlivem intenzivního ochlazování vytvoří slabá, asi milimetrová, skull vrstvaSkull vrstva – tenká pevná krusta vytvořená z taveného materiálu v místě, kde je tavenina intenzivně ochlazována. z vlastního taveného materiálu, která prakticky nahrazuje nádobu pro roztavený materiál.

Roztavené kóriumKórium – roztavená směs štěpného materiálu vznikající při havarijním přehřátí jádra reaktoru. Obsahuje jaderné palivo, štěpitelné materiály, regulační tyče, části konstrukce reaktoru a produkty probíhajících chemických reakcí. ve studeném kelímku. Snímek je pořízen přes speciální filtr, neboť při teplotě 3000 °C již září povrch kória jen s o něco málo nižší intenzitou, než má povrch Slunce. Zdroj: CVŘ.

V CVŘCVŘ – Centrum Výzkumu Řež, s. r. o., dceřiná společnost Ústavu jaderného výzkumu, a. s., sídlící společně ve stejném areálu nedaleko Prahy (s detašovanými pracovišti v Plzni a v Brně). je indukční tavení ve studeném kelímku využíváno pro výzkumné účely zejména v oblastech materiálového výzkumu těžkotavitelných látek a jejich směsí a při zkoumání jejich materiálových parametrů a fázových diagramů. Především se zaměřujeme na simulace nestandardních stavů jaderných elektráren, kterými mohou být těžké havárie reaktorů, při nichž jde o sledování fyzikálních a chemických vlastností směsí oxidů nebo oxidů a kovů. Cílem je výzkum roztaveného kóriaKórium – roztavená směs štěpného materiálu vznikající při havarijním přehřátí jádra reaktoru. Obsahuje jaderné palivo, štěpitelné materiály, regulační tyče, části konstrukce reaktoru a produkty probíhajících chemických reakcí., což je směs jaderného paliva, jeho pokrytí a dalších materiálů nacházejících se v jaderném reaktoru během havárie. Indukčním tavením ve studeném kelímku lze modelovat stavy, ve kterých se tato směs nachází v havarovaném jaderném reaktoru. Toho se do značné míry využívá při výzkumu hypotetických havárií jaderných elektráren s lehkovodními reaktory provozovanými v současné době, ale i při hodnocení nových materiálů pro reaktory IV. generace. Rovněž lze tuto technologii využít pro vitrifikaci radioaktivního odpadu, tedy jeho fixaci do skelných nebo keramických matric, v nichž může být skladován v hlubinných uložištích po dobu až několika tisíc let. Dalšími možnými aplikacemi jsou výroba krystalů, syntéza materiálů s vysokou teplotou tání v kapalné fázi nebo výroba materiálů s vysokou čistotou.

Laboratoř studeného kelímku. 1 – indukční systém IS-1,
2 – indukční systém IS-2. Zdroj: CVŘ.

Studený kelímek – pohled do pracovní komory indukčního systému IS-1.
1 – pyrometr, 2 – videokamera, 3 – senzory, 4 – vakuový systém,
5 – studený kelímek s induktorem, 6 – polohovací zařízení. Zdroj: CVŘ.

Petr Pražák: Home Office bez zábran – studený kelímek

*  *  *

Prezentované výsledky byly finančně podpořeny Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy – projekt LQ1603 Výzkum pro SUSEN. Práce byla realizována na velké infrastruktuře Udržitelná energetika (SUSEN) vybudované v rámci projektů CZ.1.05/2.1.00/03.0108 a CZ.02.1.01/0.0/0.0/15_008/0000293.

Odkazy