Bezpečnost tlakovodního reaktoru I2S-LWR s integrovanou koncepcí

V minulých dílech (první díl, druhý díl) jsme si řekli, co sledují autoři projektu I2S-LWR, čím je tento projekt zajímavý, jaké bude používat palivo, tepelné výměníky apod. Tentokrát se zaměříme na bezpečnost tohoto plánovaného reaktoru a také na to, jak tento projekt probíhá.

Rozsáhlá bezpečnostní opatření

Jedním z hlavních cílů při projektování reaktoru I2S-LWR bylo zajištění dlouhodobého nezávislého odvodu zbytkového tepla, které by nevyžadovalo žádný zásah operátora bloku v případě nehody, a to i pokud by došlo k výpadku dodávky elektřiny na blok. Toho projektanti dosáhli pomocí několika skupin bezpečnostních opatření a novátorských specializovaných bezpečnostních systémů.

Schéma bezpečnostních okruhů reaktoru I2S-LWR. (Zdroj: Neimagazine.org)

První skupina bezpečnostních opatření je charakterizována pojmem inherentní bezpečnost. Je nejefektivnější, protože vylučuje ohrožení reaktoru již z principu. Integrovaná koncepce např. vylučuje havárii typu LOCA (loss of coolant accident - Více o tomto typu havárií a přípravě elektráren na ni můžete najít zde). Seismická izolace budovy reaktoru výrazně snižuje účinek zemětřesení a další vnější hrozby jsou eliminovány umístěním skladovací bazénu použitého paliva pod zem a systémem pro postupné spalování vodíku.

Druhou skupinu bychom vystihli slovem prevence. Všechny bezpečnostní systémy mají vysoký stupeň pasivity a deterministicky jsou schopny zabránit roztavení aktivní zóny při projektových haváriích.

Třetí skupina má za cíl snížit poškození reaktoru, pokud by došlo k havárii, s níž by se první dvě kategorie nevypořádaly. To se týká například paliva, které díky své konstrukci bude mít vyšší toleranci pro provozní podmínky, což dává operátorovi bloku delší dobu na reakci, která je navíc ještě více prodloužena (v zásadě téměř neomezeně) díky systémům pro pasivní odvod zbytkového tepla. Do této kategorie také spadá materiál tlakové nádoby, protože čím bude odolnější, tj. čím menší praskliny v případě havárie v něm vzniknou, tím menší bude únik chladicí látky z primárního okruhu. Podoba aktivních a pasivních systémů vychází z pravděpodobnostního hodnocení rizika, což opět přináší zvýšení bezpečnosti.

Kromě pasivních systémů na odvod zbytkového tepla jsou uvnitř tlakové nádoby umístěny ještě nádrže s kyselinou boritou, která by v případě havárie mohla pasivně zastavit řetězovou štěpnou reakci a navíc by představovala jisté množství vody k doplnění do reaktorové nádoby v případě úniku chladiva.

Čtvrtá a poslední skupina bezpečnostních opatření má chránit aktivní zónu před roztavením. Hlavním představitelem je systém na odvod zbytkového tepla, který se skládá ze šroubovicových tepelných výměníků nacházejících se v tlakové nádobě a tepelného výměníku uvnitř chladicí věže, které budou propojeny potrubím. V této chladicí smyčce bude voda obíhat díky přirozenému proudění a k jejímu ochlazení v chladicí věži nebude použito vypařování, ale předávání tepla vzduchu v tepelném výměníku. Půjde tedy o uzavřený pasivní chladicí systém. Okolní vzduch bude představovat prakticky neomezenou tepelnou jímku.

Rozměrový výkres tlakové nádoby s integrovanou koncepcí. (Zdroj: prezentace I2S-LWR, Integral Inherently Safe Light Water Reactor, Bojan Petrovic)

Projekt bude využívat pravděpodobnostní hodnocení rizik tak dalece, jak to bude praktické. Výhodou je, že je k němu přihlíženo již v rané fázi projektování. Do koncepce I2S-LWR jsou zahrnuty i vyspělé přístroje, které zvýší spolehlivost, diagnostiku a kontrolu provozu (včetně provozu skladovacího bazénu použitého paliva) za běžných provozních i krizových podmínek.

Projektanti se snaží o implementaci účinných opatření pro zvýšení bezpečnosti, zabezpečení a ochrany celé elektrárny včetně oblastí pro skladování použitého jaderného paliva. Celý koncept je navrhován jako komplexní a vícefázový. Použité jaderné palivo bude nejdříve převezeno do skladovacího bazénu, který bude vybaven pasivními systémy na odvod tepla. Druhá fáze počítá se suchým skladováním v kontejnerech a pozdějším přepracováním v externím závodě nebo uložením v úložišti. Toto skladiště v areálu elektrárny počítá jen s takovou velikostí, aby zvládlo krátkodobě pojmout použité palivo při běžném provozu, než bude odvezeno jinam. Třetí fáze je určena pro případ dlouhodobého suchého skladování použitého jaderného paliva bez možnosti odvozu do centrálního skladiště, úložiště či k přepracování.

Vizualizace jednotlivých sestav kiomponent tlakové nádoby. (Zdroj: prezentace Integral Inherently Safe Light Water Reactor Concept, Bojan Petrovic)

Budoucí vyhlídky koncepce I2S-LWR

Od vzniku projektu I2S-LWR v únoru 2013 již byly učiněny velké kroky. Byla stanovena konfigurace aktivní zóny a reaktorové nádoby, dále byly učiněny odhady výkonnostních a bezpečnostních parametrů. Každopádně tým projektantů má před sebou ještě velmi mnoho práce. Nyní probíhá rozšíření předběžných hodnocení bezpečnosti na detailnější analýzy, plánování dalších částí jaderné elektrárny a prozatím jen omezený program testování důležitých komponent (palivo, jeho pokrytí, tepelné výměníky s mikrokanálky a systém pro přeměnu energie). V přípravě je i ekonomická studie. Realistický a velmi detailní 3D model pomáhá zvážit technické požadavky na výrobu, její realizovatelnost a možnosti budoucí údržby a oprav.

Na základě dosud provedených studií je tato koncepce proveditelná a atraktivní. Použití 5% obohaceného paliva sice není optimální z hlediska vysoké hustoty výkony v aktivní zóně, ale při 12měsíčním cyklu výměny části paliva je ekonomicky výhodné, protože nevyžaduje náklady na nová obohacovací zařízení a infrastrukturu. Nové detailnější analýzy, které probíhají, nám přinesou další informace o provozních a bezpečnostních systémech, zhodnotí jejich výkonnost a otestují novátorská řešení.

Zdroj: Neimagazine.com, Energy.gov, Ieee.org