436 - ilość działających reaktorów 61 - ilość reaktorów w budowie ok. 14% - udział NPP w światowej produkcji en. elektrycznej

Transkrypt

1 SYSTEM PASYWNEGO ZABEZPIECZENIA REAKTORÓW JĄDROWYCH ELIMINUJĄCY RYZYKO REAKCJI POWSTAWANIA WODORU Marcin Brożek Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk w Krakowie Konferencja naukowo-techniczna NAUKA I TECHNIKA WOBEC WYZWANIA BUDOWY ELEKTROWNI JĄDROWEJ MĄDRALIN 2013 Warszawa, lutego 2013 roku ilość działających reaktorów 61 - ilość reaktorów w budowie ok. 14% - udział NPP w światowej produkcji en. elektrycznej W chwili obecnej na świecie funkcjonuje ponad 400 reaktorów jądrowych wykorzystywanych do produkcji energii. Dodając do tego reaktory w trakcie budowy otrzymujemy liczbę niemal 500 reaktorów, z czego ponad 80 procent to reaktory (PWE i BWR) w których woda bezpośrednio styka się z koszulkami prętów paliwowych. Niniejsza prezentacja pokazuje jeden z możliwych kierunków prowadzenia badań nad systemem zabezpieczającym przed powstawaniem wodoru we wnętrzu reaktora, w razie utraty nad nim kontroli. 2

2 11 marca 2011 International Nuclear Event Scale INES 7 Wielka awaria (Czarnobyl, Daiichi 1) 6 Poważna awaria 5 Awaria z zagrożeniem poza obiektem (Three Mile Island) Według skali INES (International Nuclear Event Scale) wydarzenia z 11 marca 2011 roku w Fukushimie w Japonii, dla bloku energetycznego Daiichi 1 zostały zakwalifikowane jako najwyższy, 7 stopień wielka awaria. Jednym z najbardziej nagłaśnianych medialnie skutków awarii w bloku reaktora był, widoczny na zdjęciu, wybuch nagromadzonego wodoru. Zatem przykre doświadczenia pokazują jednoznacznie, iż celowym jest podejmowanie działań skutkujących wyeliminowaniem lub znacznym ograniczeniem możliwości powstawania i gromadzenia się wodoru w reaktorach. 4 Awaria bez znaczącego zagrożenia poza obiektem (Daiichi 4) 3 Poważny incydent 2 Incydent 1 Anomalia 0 Bez znaczenia dla bezpieczeństwa 3 Systemy zabezpieczeń Bierne (pasywne) Aktywne Systemy bezpieczeństwa funkcjonujące w elektrowniach jądrowych możemy podzielić na 2 typy. Systemy aktywne, czyli takie których działanie jest uwarunkowane jednym z dwóch czynników. Bądź bezpośrednią ingerencją człowieka, bądź też sprawnym, bezawaryjnym działaniem różnych urządzeń, np. czujników, pomp czy generatorów. Systemy pasywne funkcjonują w oparciu o samoczynne zjawiska fizyczne lub chemiczne, powodujące reakcję systemu na zagrożenie. Przykładem takiego systemu mogą być elektromagnesy utrzymujące pręty pochłaniające neutrony, nad rdzeniem reaktora Maria w Świerku. W razie awarii i wyłączenia zasilania, elektromagnesy przestają działać i automatycznie, pod wpływem grawitacji, pręty zsuwają się do rdzenia powodując zatrzymanie reakcji w rdzeniu reaktora. Propozycją autora jest właśnie stworzenie pasywnego zabezpieczenia przed wypadkami analogicznymi jak te w Japonii. 4

3 Krótkie przypomnienie schematu reaktora oraz umiejscowienia w nim prętów paliwowych, układanych w pakiety czy też wiązki (z ang. assemblies). Pręty paliwowe składają się z koszulek osłonowych, wykonanych ze stopów cyrkonu. Koszulki te są bariera rozdzielająca pastylki paliwowe od chłodziwa. Obrazowo można by pokazać iż powierzchnia prętów, omywana przez wodę, równa jest powierzchni boiska piłkarskiego, lub tez np. 30 kortów tenisowych. 5 Zr + 2H 2 O (+ 900 C) => ZrO 2 + 2H 2 ZAGROŻENIA nagromadzenie wodoru ryzyko eksplozji kruchość osłon ryzyko uwolnienia paliwa 7 Obecność wodoru w budynku reaktora wynikała z braku awaryjnego chłodzenia reaktora, czego skutkiem było powstanie warunków umożliwiających zachodzenie reakcji Zr + 2H 2 O (+ 900 C) => ZrO 2 + 2H 2. W odpowiednio wysokich temperaturach cyrkon zaczyna funkcjonować jako katalizator reakcji rozkładu cząsteczek wody z wydzieleniem gazowego wodoru. Zagrożenia powodowane podanym zjawiskiem są dwojakiego rodzaju. Po pierwsze, stopniowe gromadzenie wodoru spowoduje w końcu takie proporcje wodoru do powietrza, że powstaje mieszanina wybuchowa (co miało miejsce w Fukushimie). Po drugie zmiana charakteru materiału koszulek z metalicznego na ceramiczny (ZrO 2 ). Materiały ceramiczne będą bardziej kruche niż metale, mogą zatem powodować pękanie koszulek co grozi uwolnieniem paliwa jądrowego. Skoro głównym winowajcą powodującym gromadzenie się wodoru jest reakcja przedstawiona na slajdzie, zatem uniemożliwienie zachodzenia tej reakcji będzie pasywnym zabezpieczeniem przed niepożądanymi skutkami. Rozwiązaniem może być pokrycie koszulek powłokami ochronnymi, które będą eliminować kontakt wody z cyrkonem.

4 Zr + 2H 2 O (+ 900 C) => ZrO 2 + 2H 2 Kryteria materiałów na powłoki w NPP - szczelne - stabilność parametrów - mała porowatość - niski przekrój czynny na pochłanianie - wysokie przewodnictwo cieplne - odporność na zużycie cierne - kompatybilne - ekonomiczne Zr + 2H 2 O (+ 900 C) => ZrO 2 + 2H 2 8 Zadanie nie jest w cale takie proste. Gdyż warstwa taka, aby spełniała swoją rolę musi bezwarunkowo posiadać kilka cech wynikających zarówno z zasad bezpieczeństwa energetyki jądrowej, jak również związanych z własnościami fizycznymi, chemicznymi, mechanicznymi oraz termodynamicznymi danej warstwy. Adekwatna warstwa zabezpieczająca musi, przede wszystkim, posiadać odporność na działanie wody i pary wodnej w wysokich temperaturach. Kolejną własnością jest dobre przewodnictwo cieplne, konieczne po to, aby nie zaburzać, nie pogarszać procesu transferu ciepła od pastylek paliwowych do medium chłodzącego (najczęściej wody). Następną konieczna własnością jest wysoka wytrzymałość mechaniczna warstwy, co jest związane z warunkami w panującymi w rdzeniu reaktora w trakcie normalnej eksploatacji, czyli wysokim ciśnieniem oraz temperaturą. Również istotna własnością materiału, z którego taka warstwa został by zbudowana, są jej własności trybologiczne. Dalszymi wymogami dla warstwy pasywnie zabezpieczającej koszulki osłonowe, jest zbliżona do cyrkonu rozszerzalność cieplna, minimalizująca powstawanie naprężeń w warstwie, co warunkuje zachowanie ciągłości powłoki, a zatem zachowanie jej funkcji ochronnej. Następna istotna cecha to przekrój czynny na pochłanianie neutronów, pierwiastków wchodzących w skład warstwy, oraz ich wpływ na gospodarkę neutronową w reaktorze. Jak widzimy, warstwy pokrywające mogą być bardzo zróżnicowane. Powoduje to iż warstwy te będą miały różne własności i w odmienny sposób będą się zachowywać w warunkach pracy w rdzeniu reaktora. Jak również inaczej będą reagować, na warunki w stanie awarii elektrowni jądrowej. 9

5 Zr + 2H 2 O (+ 900 C) => ZrO 2 + 2H 2 Powstawanie warstw ochronnych: 1. Autopasywacja Fe:Al 0,2% + O 2 => Al 2 O 3 Jednym z procesów powodujących powstawanie warstwy ochronnej może być autopasywacja. Składniki akcesoryczne dodawane do stopów, w reakcji z tlenem będą powodować pokrywanie materiału pasywną warstwa zabezpieczającą. Przykładem takiego działania jest zachowanie glinu jako dodatku stopowego do stali. Jednak w zastosowaniach reaktorowych tego typu działania nie będą użyteczne, gdyż szybkość pasywacji stopu może okazać się zbyt mała, by zapobiegać gwałtownej reakcji powstawania wodoru, w danych warunkach termodynamicznych. Zatem tego typu działania nie spełniły by swojej funkcji zabezpieczającej przed powstawaniem wodoru. 10 Zr + 2H 2 O (+ 900 C) => ZrO 2 + 2H 2 Powstawanie warstw ochronnych: 1. Autopasywacja 2. Warstwy dedykowane - Al 2 O 3 - AlN - SiO 2 - SiC - Si 3 N 4 - Si 6 z Al z O z N 8 z (z = 0,5 1) Zamiarem autora jest pokazanie na kilku przykładach konkretnych materiałów, takich jak np. węglik krzemu SiC, azotek krzemu Si 3 N 4 czy też tlenek glinu, Al 2 O 3 lub materiały z grupy sialonów, w jaki sposób należy analizować możliwość zastosowania konkretnych materiałów, które miały by spełniać funkcję pasywnego zabezpieczenia w reaktorach stosowanych w NPP. 11

6 Zr + 2H 2 O (+ 900 C) => ZrO 2 + 2H 2 Widzimy przedstawione, wybrane własności materiałów, które hipotetycznie mogły by spełniać funkcję warstwy ochronnej. Oprócz zaproponowanych materiałów wymienionych wcześniej, dla porównania zamieszczone zostały również dane dla stopów zircaloy, dla tlenku cyrkonu oraz dla typowej stali astenicznej. Zwraca uwagę szeroki rozrzut parametrów, co będzie powodować, iż zachowanie się róznych materiałów w tych samych warunkach będzie różne, tak więc różna będzie ich ewentualna przydatność. 12 Zr + 2H 2 O (+ 900 C) => ZrO 2 + 2H 2 Jednym z podstawowych warunków, funkcjonowania danego materiału wewnątrz reaktora będzie brak wpływu danego materiału na gospodarkę neutronową reaktora. Zatem materiały zawierające pierwiastki o wysokich przekrojach czynnych na pochłanianie neutronów termicznych, nie będą mogły być stosowane jako pasywne powłoki ochronne. Optymalnym wyjściem było by, aby powłoki posiadały przekroje czynne nie wyższe niż cyrkon, aby nie zaburzać strumienia neutronów w reaktorze. Materiały o zbyt wysokich przekrojach czynnych, ze względu na to kryterium nie mogą być zatem brane pod uwagę jako pasywna warstwa ochronna. 13

7 Zr + 2H 2 O (+ 900 C) => ZrO 2 + 2H 2 Kolejnym istotnym czynnikiem jest przewodność cieplna danego materiału. Również ten parametr musi być skorelowany z własnościami stopów cyrkonu. Gdyż materiały o zbyt niskim przewodnictwie działając jak izolator, będą zaburzać odbiór ciepła od paliwa jądrowego, a zatem będą negatywnie wpływać na podstawową funkcję reaktora w elektrowni jądrowej. Ponadto zaburzenia w odbiorze ciepła od paliwa jądrowego, mogą powodować lokalne przegrzewanie materiału pastylek paliwowych i przez to zwiększać ryzyko przepalenia koszulek, co jak już zostało wspomniane grozi wydostaniem się materiału radioaktywnego poza pręty paliwowe. Celowo w zestawieniu tym nie umieszczona została temperatura topnienia materiałów. Parametr ten, aczkolwiek skorelowany z innymi własnościami, nie jest adekwatnym wyznacznikiem stosowalności danego materiału. Dużo bardziej istotnymi będą: temperatura mięknięcia, żarowytrzymałość oraz żaroodporność konkretnych substancji. Jednak z uwagi na charakter prezentacji autor przedstawia, na wybranych przykładach, jedynie sposób analizy, swego rodzaju algorytm oceny przydatności danego materiału w NPP E sd * 6 (1 ) s f R * 2 s d E s moduł Younga substratów d s grubość warstwy substratów d f grubość warstwy produktów v s współczynnik Poissona R promień krzywizny f Następny ważny aspekt to własności mechaniczne warstwy ochronnej, w tym m. in. rozszerzalność termiczna materiału. Im większe różnice rozszerzalności pomiędzy materiałem powłoki a stopami cyrkonu, tym większe będą powstawać naprężenia mechaniczne na styku tych dwóch materiałów. Naprężenia te mogą powodować pękanie powłoki, a co za tym idzie brak ciągłości, a w konsekwencji brak ochrony przed reakcją powstawania wodoru. Wzór na slajdzie przedstawia zależność naprężeń występującej w cienkiej powłoce na podłożu o geometrii krzywoliniowej. 15

8 Wnioski optymalizacja układu bezpieczeństwo condicio sine qua non badania interdyscyplinarne wiele czynników determinujących ekonomia A x B y ~? Jak widać z podanych powyżej powodów, jako materiały brane pod uwagę powinny być głownie tworzywa ceramiczne lub cermetale, z uwagi na możliwość spełnienia wysokich wymagań. Gdyż na dzień dzisiejszy pokrycia powłokami metalicznymi na cyrkonie, wydają się nie spełniać tak wielokierunkowych obostrzeń, co do ich funkcjonowania we wnętrzu reaktora jądrowego. Jednakże jak udało mi się to Państwu przedstawić, pomiędzy tworzywami ceramicznymi, również należy dokonać selekcji, uwzględniającej wiele istotnych aspektów. Zamiarem autora jest kontynuowanie badań nad konkretną grupa związków, które rokują jako materiały spełniające wymogi wskazane w trakcie prezentacji, choć oczywiście nie została przedstawiona pełna lista parametrów. Zapraszam Państwa do współpracy badawczej nad znalezieniem odpowiedniego materiału, spełniającego wszystkie wymagania, dzięki którym wykonana z niego powłoka ochronna, będzie skutecznym systemem pasywnym. 16 Na zakończenie akcent humorystyczny. Jest to przeróbka znanego obrazu Szał Władysława Podkowińskiego, zmodyfikowana na potrzeby niniejszej konferencji. Absolutnie nieprzypadkowo litera E w słynnym wzorze jest stylizowana na symbol waluty euro, gdyż energetyka jądrowa, implementowana w racjonalny sposób, będzie bardzo korzystnym rozwiązaniem. Dziękuję za uwagę. Marcin Brożek.