Lapač aktivní zóny

Při provozu jaderné elektrárny přichází ke slovu celá řada bezpečnostních opatření. Jedním poměrně často diskutovaným je lapač aktivní zóny. Co si pod touto tajemnou součástí jaderné elektrárny vlastně můžeme představit? Jak vypadá? Zajímavé je i to, jak se k lapači aktivní zóny staví jednotlivé firmy, které se zabývají návrhem jaderné elektrárny. Některé jej do svého projektu zařazují, jiné ne. Jde o to, že se jedná o velice nákladný díl a není stoprocentně jisté, jestli je vůbec potřeba. Pojďte se se mnou podívat i na několik zajímavých faktů, které nejsou tak známé.

Jaderné elektrárny mají celou řadu bezpečnostních prvků, které jsou většinou mnohonásobně jištěné. Může se ale stát (A jak se ukazuje, opravdu k tomu dochází.), že většina z nich selže a dojde k vážné havárii. K nejtěžším haváriím patří rozpad aktivní zóny. V průběhu takové mimoprojektové havárie hrozí roztavení aktivní zóny a zničení tlakové nádoby reaktoru. Základem při řešení takové situace je udržení celistvosti a těsnosti kontejmentu. Roztavené palivo se může protavit skrz tlakovou nádobu reaktoru, skrz kontejment a pokračovat dále. Tak se může dostat až ke spodním vodám a kontaminovat je. Podle jednoho extrémního scénáře zvaného čínský syndrom, by se roztavené palivo mohlo propálit skrz celou Zemi. Byl to i námět pro stejnojmenný film. Toto tvrzení má mnoho děr, ale i tak se vyplatí palivo zachytit, zchladit a předejít tak značným nepříjemnostem.

Pokud by se roztavené palivo dostalo mimo reaktorovou nádobu, začala by tato horká a chemicky velmi aktivní tavenina působit na samotnou betonovou šachtu reaktoru. To je velmi nebezpečné, protože se při tom uvolňuje velké množství vodíku a další plynné těkavé produkty. Kromě nich ale unikají i netěkavé vysoce radioaktivní složky taveniny.

Tomu se dá zabránit dvěma způsoby, nebo jejich kombinací. Mít spolehlivý chladicí systém, který zvládne palivo zchladit, a to se tak neprotaví z reaktorové nádoby. Nebo instalovat takzvaný lapač aktivní zóny, což je zařízení sloužící k zachycení aktivní zóny, která se protavila ven z reaktorové nádoby. Jeho účelem není jen zachytit pevné a roztavené kusy aktivní zóny, zařízení nacházející se uvnitř nádoby reaktoru i samotný materiál nádoby, ale také je zchladit.

Funkce a konstrukce lapače aktivní zóny

Jak vlastně lapač aktivní zóny zvládne zachytit a zchladit taveninu? Základem lapače aktivní zóny je kuželovitá kovová konstrukce, která je vyplněná tzv. obětním materiálem. Ten má zabránit tepelnému a chemickému působení taveniny na betonovou šachtu. Dále lapač zajišťuje podkritičnost taveniny. V případě havárie je v něm roztavená aktivní zóna rozložena tak, aby se v ní nemohla spustit řetězová reakce. Pomocí vody ze zásobních nádrží je pak roztavený materiál dochlazován.

Nákresy lapače aktivní zóny a dalších jeho součástí. (Zdroj: http://publicatom.ru)

1 Lapač aktivní zóny naplněný "obětním materiálem".

2 Sestava lapače aktivní zóny a plošiny, nad níž bude umístěna reaktorová nádoba.

3 Tato základová deska se nachází na samém dně reaktorové šachty.

4 Nosná konzole a základová deska.

Návrh lapače aktivní zóny se během času vyvíjel. Poprvé byl vypracován ruskými inženýry v roce 2001 pro Tianwanskou jadernou elektrárnu v Číně. V letech 1999 – 2007 ji tam stavěl Atomstrojexport. Konstrukce lapače má 12 výměníků tepla ve tvaru boty, které jsou společně instalovány do jednoho kužele. Celkově tento lapač váží přes 800 tun. Jaderná elektrárna Leningrad-II, která se staví od roku 2008, už bude mít lapač aktivní zóny trochu jiný. Jeho konstrukce je celistvá, tedy odolnější. Navíc má lapač dvojitou stěnu. Vnitřní je silná 60 milimetrů a vnější 30 milimetrů. Prostor mezi nimi je vyplněn speciálními granulemi ze směsi oxidů železa a hliníku. V případě, že dojde k protavení vnitřní stěny, granule reagují s taveninou a vytvářejí dočasnou ochranu před protavením vnější stěny. Navíc u této novější verze je chlazení lapače zajištěno pomocí pasivních systémů.

Jedntolivé součásti lapače aktivní zóny pro jadernou elektrárnu Lenigrad-II (prosinec 2009, Zdroj: http://www.titan2.ru)

Ta velká šedá nádoba je samotný lapač aktivní zóny. Nalevo od něj je základová deska a napravo od něj je plošina sloužící jako jeho kryt. V popředí jsou jednotlivé desky "obětního materiálu", které se naskládají dovnitř lapače. Všimněte si ohromného červeného jeřábu, který bude přenášet jednotlivé díly na jejich místo.

Připojuji ještě seznam všech úkolů, které má lapač aktivní zóny plnit. To abychom ho neomezovali jen na zachycení roztavené aktivní zóny.

• Udržení dna tlakové nádoby s taveninou v případě, že se utrhne nebo zdeformuje ještě předtím, než tavenina unikne. Tavenina tak musí projít celou stěnou nádoby a dosáhne se tak zpomalení jejího úniku.
• Ochrana konstrukčních prvků betonové šachty před teplem unikajícím z taveniny.
• Uchování kapalných a pevných složek taveniny, fragmentů aktivní zóny a konstrukčních prvků na jednom místě.
• Zajištění stabilní tepelné výměny mezi taveninou a chladicím médiem.
• Zabránění úniku taveniny mimo zónu k tomu předpokládanou.
• Zabránění vzniku řetězové reakce v tavenině.
• Minimalizování úniku radioaktivních látek do prostoru kontejmentu.
• Minimalizování úniku vodíku.
• Zajistit ochranu taveniny před pády trosek opěrných konstrukcí během jejího dlouhodobého chlazení.  

Přesouvání lapače aktivní zóny a jeho spouštění do reaktorové šachty. (JE Leningrad-II, prosinec 2009, zdroj: http://www.titan2.ru)

Chlazení aktivní zóny 

Není to ale jen lapač aktivní zóny, který má zabránit úniku taveniny z kontejmentu. Dokud palivo, třebaže částečně roztavené, zůstává v reaktorové nádobě, jsou samotná nádoba a celý kontejment chlazeny vodou z rezervních nádrží. Takové chladicí systémy mají zabránit úplnému roztavení aktivní zóny a lapač aktivní zóny přichází ke slovu až když už není jiného zbytí a tavenina proniká stěnou reaktorové nádoby.

Tím se vlastně dostáváme k americkým typům reaktorů. Protože zatímco francouzské a ruské reaktory mají lapač aktivní zóny, americké a jihokorejské nikoliv. Tyto země investují nemalé prostředky do chladicího systému, který se snaží učinit velice efektivním a odolným vůči všemu, co jej může potkat. Z těchto reaktorů nás bude asi nejvíce zajímat reaktor AP1000, který je předmětem jedné z nabídek v tendru na dostavbu jaderné elektrárny Temelín. Podívejme se, co se můžeme dozvědět na stránkách společnosti Westinghouse.

Píše se tam například to, že reaktor AP1000 byl vyprojektován s cílem minimalizovat potenciální závažné havárie jako např. tavení aktivní zóny. V takovém případě může operátor zaplavit šachtu reaktorové nádoby vodou, takže nádoba je plně ponořená. Toto chlazení je schopné zabránit tomu, aby roztavené kusy aktivní zóny ve spodní části hlavy reaktoru roztavily ocelovou stěnu nádoby a rozlily se do kontejnmentu.

Dále je důležité zmínit, že nouzové chladicí systémy jsou pasivního rázu. Znamená to, že v případě konstrukční poruchy (např. prasknutí potrubí přepravujícího chladivo) se elektrárna bezpečně odstaví bez zásahu operátora i bez jakékoliv potřeby dodávky proudu. Tím je míněno především to, že ve střeše kontejmentu jsou instalovány nádrže s vodou, která z nich může vytékat jen díky působení gravitace. Kromě té se bezpečnost reaktoru opírá o další přírodní síly jako je přirozená cirkulace a chování stlačených plynů.

Názory regulátorů na použití lapače aktivní zóny 

Američtí regulátoři si nemyslí, že lapač aktivní zóny je nezbytná součást jaderné elektrárny. Člen komise udělující licence jaderným reaktorům v USA George Apostolakis na toto téma prohlásil, že výhody, které lapač aktivní zóny poskytuje, nepřevažují jeho vysokou cenu. Mnohem lepší ochranou je prý skutečné kvalitní a spolehlivý chladicí systém. Opačný názor zastávají Finové. Finský regulátor Jukka Laaksonen totiž pochybuje, že je technicky možné zkonstruovat stoprocentně spolehlivý systém vnějšího chlazení, a aktivně agituje pro zařazení lapačů aktivní zóny do projektů jaderných reaktorů. Finští energetici míní, že bezpečnost jaderné energetiky je důležitější než peníze.

Pro zajímavost přikládám odkazy na animace nouzových chladicích systémů reaktoru AP1000:

http://ap1000.westinghousenuclear.cz/pasivni-system-chlazeni-kontejnmentu.html

http://ap1000.westinghousenuclear.cz/pasivni-system-chlazeni-aktivni-zony.html

A na samotný závěr ještě pár fotek lapače aktivní zóny:

Lapač aktivní zóny umístěný v reaktorové šachtě a naplněný "obětním materiálem". (JE Leningrad-II, březen 2010, zdroj: http://ist.my1.ru)

Přenášení plošiny nad lapač aktivní zóny. (JE Leningrad-II, http://ist.my1.ru)

Jemná manuální korekce polohy plošiny při jejím umísťování. (JE Leningrad-II, http://ist.my1.ru)

Zdroje, z nichž jsem při psaní textu vycházel:

www.gidropress.podolsk.ru

www.atominfo.cz

www.cz.areva.com

www.ap1000.westinghousenuclear.cz