Bezpieczeństwo Reaktorowe Zgodnie z powszechnym odczuciem (przez skojarzenie z zastosowaniami wojskowymi energii jądrowej) za największe zagroŝenie bywa uwaŝana moŝliwość wybuchu jądrowego, czyli niekontrolowana nadkrytyczność. Jednak dzięki istniejącym w ch naturalnym, stabilizującym (ujemnym) sprzęŝeniom zwrotnym moŝliwość niekontrolowanej nadkrytyczności daje się wyeliminować. Np. w ch z lekką wodą jako moderatorem eksplozja jądrowa jest fizycznie niemoŝliwa. Zatem głównym zagroŝeniem nie jest ewentualny wybuch jądrowy. Głównym zagroŝeniem - promieniotwórczość uŝytego paliwa, tj. produkty rozszczepienia i transplutonowce Groźba rozprzestrzenienia promieniotwórczości wynika z nieodłącznego od niej ciepła powyłączeniowego, które w razie braku moŝe doprowadzić do uszkodzenia paliwa Po rocznej pracy moc powyłączeniową wyraŝa wzór (przybliŝony): 10 0 P/P 0-1 10 10-2 0.1 P(t) = P0 t > 200 [s] 4 t Moc powyłączeniowa składowa neutronów opóźnionych ciepło rozpadów 10-3 t[s] 10 1 10 2 3 4 5 6 7 10 10 10 10 10 10 8 godzina dzień miesiąc rok t - czas od wyłączenia Moc powyłączeniowa (wartości przybliŝone) czas 1 minuta 1 godzina 1 dzień 1 tydzień 1 miesiąc 1 rok 10 lat P/P 0 [%] 4 1.3 0.6 0.4 0.25 0.12 0.07 Maksymalna Awaria Projektowa Loss of Coolant Accident LOCA, przykład Rozerwanie rurociągu obiegu pierwotnego w reaktorze wodnym ciśnieniowym scenariusz MAP: CZAS ZDARZENIE SKUTKI [s] 0 rozerwanie fala uderzeniowa 0.01-.05 maksymalny wypływ, początek wrzenia, spadanie ciśnienia ~0.4 spadek reaktywności, spadanie mocy, wyłączenie turbin (podkrytyczność) zanikanie zasilania z sieci ~1 wokół prętów wrzenie błonowe wzrastanie temperatury paliwa 3-5 rozruch agregatu Diesla dalszy spadek ciśnienia ~5-10 rozruch pomp Układu Awaryjnego wzrastanie ciśnienia w obudowie Chłodzenia Reaktora UACR ~10 początek zraszania wnętrza hali wzrastanie ciśnienia ustaje Maksymalna Awaria Projektowa Scenariusz MAP, cd: CZAS ZDARZENIE SKUTKI [min] ~¼ -½ ciśnienie w obudowie osiąga max. uszkodzenia niektórych prętów ~½ -1.5 wznowienie intensywnego początek rozprzestrzeniania rdzenia się skaŝeń wnętrza obudowy ~ 2 wyczerpanie UACR włączają się pompy nisko-ciśnieniowe ~ 5-10 wypełnienie miski ściekowej dalsze rozprzestrzenianie skaŝeń recyrkulacja wnętrza obudowy > ~10 faza długotrwałego zauwaŝalny (mierzalny) poziom skaŝeń na zewnątrz > ~10 przy rozwiązaniu typu CANDU brak moŝliwości wydostawania się ciśnienie wewnątrz obudowy skaŝeń na zewnątrz spada <1 at.
Zasada Pasywności Systemów Bezpieczeństwa Wykorzystanie (niezawodnych) praw fizyki Przykład: Grawitacja + rozszerzalność cieplna + rozmieszczenie: źródła ciepła (wyŝsza temperatura) - niŝej, odbiornik ciepła (niŝsza temperatura) wyŝej zapewniają chłodzenie konwekcyjne Nawet w razie awarii pompy (P) Odbiór ciepła naturalna wystarcza do odbioru ciepła powyłączeniowego Reaktor jądrowy Przykłady Pasywnych Systemów Bezpieczeństwa System Bezpieczeństwa Reaktora AP600 wlot powietrza Szczelna (stal) obudowa 4.5cm z wodą zewnętrzna Stabilizator ciśnienia Wylot powietrza i Reaktor jądrowy 1)'grawitacyjne' i 2) pod spręŝonym azotem max. ciśnienie projektowe 5 bar para do turbin Generator wewnętrzna wlot powietrza Model Awaryjnego Chłodzenia Budynku Reaktora grawitacyjny wypływ, chłodzenie przez parowanie wpust powietrza z zewnątrz konwekcyjny wypływ powietrza wystarcza na 72 g; jest moŝliwość dodatkowego Kierowane skraplanie na obudowie IRWST Wewnętrzny Zawory bezpieczeństwa Stabilizator ciśnienia skraplanie wewnątrz i recyrkulacja naturalna Generator Wypływ z obiegu pierwotnego awaria wyzwala energię w obudowie konwekcyjne chłodzenie obudowy powietrzem z zewnątrz Recyrkulacja do długotrwałego Pobór z miski ściekowej CMT uzupeł /ciśnienie 700 psi/ Wypływ H 2 O z Dopływ H 2 O do
cd. Otwarcie zaworów odpowiedzią na spadek ciśnienia w stabilizatorze Odpowiedź stabilizatora ciśnienia Skraplanie na obudowie Uruchomienie głownego (IRWST) a obieg pierwotny Uruchomienie awaryjnego (CMT) a ujścia rdzeń osłona izolacja Wypływ z obiegu pierwotnego Pobór ze a IRWST Wtrysk z CMT Pobór z miski ściekowej Recyrkulacja dla długotrwałego Spadek ciśnienia w CMT Wtrysk pod ciśnieniem 700 psi z CMT 3 stopniowy spadek ciśn. 4 stopień spadku ciśn. ściana a wnęka na wpusty awaryjne pętla wodna Gdy temperatura na wyjściu z rdzenia osiąga 670 C uruchamia się dopływ z zewnątrz ZałoŜona tu (nieprawdopodobna) całkowita utrata rdzenia kończy się jego stopieniem Zagadnienia Bezpieczeństwa Bariery bezpieczeństwa Reaktor energetyczny ujścia ściana a wnęka na wpust awaryjny obieg pierwotny Układ Awaryjnego Chłodzenia zapobiega uszkodzeniu a osłona izolacja pętla UŜyte paliwo jądrowe jest b.silnie promieniotwórcze. Wymaga ścisłego odizolowania od otoczenia. ' oznacza barierę mechaniczną Szczelny budynek (4) "Second (4a) Containment" Osłona (3b) biologiczna' II Osłona (3a) biologiczna' I (3) Koszulki (2) paliwowe Paliwo (1) jądrowe ' oznacza barierę mechaniczną
Po roku pracy aktywność paliwa wynosi Budowa reaktorów zawiera 4 (główne) Bariery Bezpieczeństwa Pręt paliwowy ~ 10 20 Bq/1 GWe 1. Materiał paliwowy 2. Koszulka pręta paliwowego W trakcie eksploatacji (temp. 1000 o o 1200 C) spękania, pęcherze (Xe, Kr, I) w UO 2 Koszulka (Zircaloy), Zr-Sn lub Zr-Nb, > 98% Zr Szczelina UO 2 Kanał wewnętrzny (Ar) W razie rozszczelnienia: produkty gazowe się uwalniają; wydzielane frakcje: 1% - 100% zaleŝnie od temperatury Zachowanie paliwa w czasie eksploatacji Skutki uszkodzeń radiacyjnych Pękanie (utrata spręŝystości, kruchość) Puchnięcie Odkształcenia Produkcja gazów (wzrost ciśnienia wewnętrznego) Oddziaływanie z mat. koszulki Przekrój przez pręt z wypalonym paliwem (rozmieszczenie produktów rozszczepienia w pastylkach paliwa) Produkty rozszczepienia dyfundują do granic ziaren Rozmieszczenie: wewnątrz ziaren>90% w szczelinach i na powierzchni ziaren <10% Paliwo świeŝe Paliwo wypalone frakcje pozostałych produktów: ~ 10 10 4 6 Bariery Bezpieczeństwa cd. 3. - pierwotny obieg przyjmuje się prawdopodobieństwo rozerwania 10 10 3a.Osłona biologiczna (bariera mechaniczna) 4. Obudowa bezpieczeństwa - (szczelny budynek) Dopuszczalne przecieki 0.1% - 1% objętości/doba 4.a Containment (powłoka stalowa) Dopuszczalne przecieki 1 MP, <0.1% - objętości/doba Do obniŝania ciśnienia układ awaryjnego zraszania wnętrza lub: ice condenser W ch kanadyjskich zamiast stalowej powłoki stosuje się system - budynek lokalizacji awarii bywa teŝ 6' 1.82 m 5 6 / rok Rozwiązanie kanadyjskie Budynek lokalizacji awarii: Wariant wcześniejszy: idea "fajki wodnej" (nargile)
Inne elementy bezpieczeństwa Iniekcja trucizny: Reaktor CANDU i z trucizną (azotanem gadolinu w D 2 O) szybkie zawory Inne rozwiązanie: wrzut - "wstrzelenie" prętów awaryjnych (z absorbentem neutronów) wysokociśnieniowy helu Wielkości obiektów - celów ataku terrorystycznego WTC Trafić Airbusem w elektrownię będzie trudniej niŝ w WTC! wtryski trucizny Pentagon D2O moderator Basen (na zuŝyte paliwo) Elektrownia Jądrowa Pojemniki transportowe (na zuŝyte paliwo) Modelowanie uderzenia samolotu w budynek elektrowni jądrowej Uderzenie samolotu w budynek pociąga za sobą jedynie niewielkie odkształcenie ściany (spękania betonu) bez uszkodzeń wnętrza budynku peak deflection = 4.4 cm Elektrownie Jądrowe są bezpieczne