reklama

Jadrová energia - Černobyľ inými očami - časť B)

O možnosti pozitívnych vnosoch reaktivity pri nízkych výkonoch reaktora RBMK vedeli projektanti ešte pred vybudovaním prvého bloku. Operátori však o tom nevedeli, teda bola to iba otázka času keď sa s tým v praxi nutne stretnú.

Písmo: A- | A+
Diskusia  (0)

Jadrová energia – Černobyľ inými očami – časť B)

Predchodcovia jadrových reaktorov RBMK – reaktory AMB:

Priamymi predchodcami a medzi-krokom medzi plutóniovými vojenskými reaktormi a reaktormi RBMK boli dva reaktory AMB-100 a AMB-200, postavené na Belojarskej JE, ktoré poslúžili ako pionierske prototypové vzory.

Reaktory AMB-100 („Atom Mirnij Bolšoj“ – teda v preklade „Atóm mierový veľký“) – s elektrickým výkonom 100 MW (uvedený do prevádzky v roku 1964), AMB-200 s výkonom 200 MW (v roku 1967). Keď 26. apríla 1964 prvý blok Belojarskej JE s reaktorom AMB-100 dodal elektrickú energiu pre energetický systém Sverdlovskej oblasti, bolo to spolu s uvedením 1. bloku jadrovej elektrárne Novovoronež znamenie prechodu ZSSR do novej etapy využívania jadrovej energie. Reaktor AMB-100 bolo ďalšie zlepšenie dizajnu reaktora, bol to kanálový reaktor s vyššou tepelnou charakteristikou aktívnej zóny. Produkoval paru s vysokými parametrami v dôsledku prehriatia priamo v reaktore, čo bolo veľkým krokom vpred.

SkryťVypnúť reklamu
Článok pokračuje pod video reklamou

Bol veľmi zaujímavý aj tým, že prakticky nemal žiadne hermetické uzavretie, podobne povedzme, ak majú reaktory VVER. Možnosť budovania jadrových elektrární s reaktormi tohto typu (bez tlakovej obálky) bola veľmi lákavá, pretože ťažký priemysel nemusel dodať žiadne super ťažké oceľové výrobky s hmotnosťou 200-500 ton.

Na druhej strane realizácia prehrievania priamo v reaktore bola spojená s určitými ťažkosťami pri regulácii procesu, s dodatočnými požiadavkami na presnosť prevádzky mnohých zariadení, prítomnosť veľkého počtu potrubí rôznych veľkostí pod vysokým tlakom, veľkého množstva meraní atď.

SkryťVypnúť reklamu
reklama

Značná časť histórie prevádzky týchto blokov bola naplnená aj romantikou ale aj problémami, čo je charakteristické pre všetko nové. Najmä v období učenia sa ovládnutia blokov. Všetko bolo nové, prototyp prvého reaktora na svete z priemyselných reaktorov na výrobu plutónia na nové využitie, boli testované základné pojmy, technológie, konštrukčné riešenie, mnoho typov zariadení a systémov, a dokonca aj veľká časť technologických režimov.

Ukázalo sa však, že rozdiel medzi priemyselnou jadrovou elektrárňou a jej predchodcami je taký veľký a jedinečný, že vznikali aj úplne nové, predtým neznáme problémy.

SkryťVypnúť reklamu
reklama

Jedna z takých bola práve neuspokojivá spoľahlivosť odparovacích a prehrievacích kanálov. Po určitej relatívne krátkej dobe práce sa prejavovala rozhermetizácia palivových článkov, alebo únik chladiacej kvapaliny s neprijateľnými dôsledkami na grafitové murivo reaktorov, technologické režimy prevádzky a opravy, radiačné účinky na personál ako aj na okolité životné prostredie. Podľa dovtedy známych vedeckých zákonov, a výpočtov však k tomu nemalo dochádzať. Hĺbkové štúdie tohto nového fenoménu prinútili jadrových expertov a iných vedcov k prehodnocovaniu už známych znalostí o základných zákonoch vriacej vody v potrubiach, pretože aj pri nízkej hustote tepla (prosím toto si pamätajte, pretože to sa v budúcom ukáže ako veľmi dôležitý argument a fakt!!) vznikal neznámy typ výmeny tepla, ktorý bol objavený a objasnený až neskôr v roku 1979 V.E. Doroščukom, následne nazvaný "kríza výmeny tepla druhého stupňa".

SkryťVypnúť reklamu
reklama

Oba reaktory AMB boli odstavené v rokoch 1981 a 1989, keď odpracovali 17 a 22 rokov.

Jadrové reaktory RBMK:

V 60tich rokoch začalo rozpracovávanie čisto energetických reaktorov budúceho typu RBMK. Niektoré konštrukčné návrhy a riešenia boli predbežne skúšané na už postavených reaktoroch AMB-100 a AMB-200 (viď predchádzajúci odsek) na jadrovej elektrárni v Belojarsku. V princípe konštrukčných charakteristík reaktora zopakovali skúsenosti z už predchádzajúcich grafitových reaktorov. Palivový kanál, ako aj riešenie jadrového paliva však bolo už z nových stavebných materiálov - zliatiny zirkónia a kovový urán bol nahradený oxidom. Reaktor bol prednostne navrhovaný ako jednoúčelový reaktor na výrobu elektrickej a tepelnej energie. Prvé práce začali v roku 1964, v 1965 bol projekt pod kódovým názvom B-190 zmenil dodávateľa, a v roku 1966 bol finálne odovzdaný inštitútu NIKIET pod vedením akademika Dolležala. Minister E.P.Slavsky podpísal 15 apríla 1966 zadanie na projekt Leningradskej jadrovej elektrárne (70 km západne od Leningradu a 4 km od mestečka Sosnovij Bor). Projektové zadanie bolo ukončené v septembri, a 29 novembra schválila Rada ministrov ZSSR príkaz č. 800-252 o výstavbe prvej etapy JE Leningrad, kde bola určená aj jej organizačná štruktúru a zásady spolupráce podnikov pre rozvoj návrhu a výstavby JE.

Prvý reaktorový blok Leningradskej JE s typom RBMK bol spustený v roku 1973.

Treba priznať, že v priebehu výstavby prvých JE v ZSSR prevládali názory, že JE je nielen spoľahlivým zdrojom energie, ale že možné poruchy a havárie sú veľmi nepravdepodobné, približujúce sa až k hypotetickej udalosti.

Okrem toho prvé bloky boli stavané v takom čase, kedy seriózne bezpečnostné pravidlá buď chýbali, alebo boli nedokonalé a ešte sa len vyvíjali.

Z tohto dôvodu v prvých sériách energetických reaktorov RBMK-1000 ako aj VVER-440 spočiatku neexistovali dostatočné počty bezpečnostných systémov, ktoré sú vyžadované dnes. Napríklad v pôvodnom návrhu prvých dvoch blokoch RBMK-1000 na Leningradskej JE neboli hydro-zásobníky pre systém havarijného chladenia reaktora, počet núdzových čerpadiel bol úplne dostatočný, nebolo dostatočné množstvo spätných ventilov na hydraulických kolektoroch a tak ďalej. Toto všetko však bolo počas modernizácie neskôr samozrejme odstránené.

Ďalšia výstavba blokov RBMK bola plánovaná už pre potreby Ministerstva energetiky a elektrifikácie. Tam už boli stavané bloky s vylepšeniami a odstránenými problémami zo skúseností z prvých blokov. Takto boli postavené bloky č. 1, 2 na JE Kursk a č. 1, 2 na JE Černobyľ. V tomto štádiu bola dokončená výstavba 6 reaktorových blokov RBMK-1000 prvej generácie.

Ďalšieho vylepšenie blokov RBMK nastalo opäť z projektov Leningradskej jadrovej elektrárne (bloky 3, 4). Hlavným dôvodom bolo sprísnenie bezpečnostných pravidiel. Bol implementovaný hydro-zásobník pre systém havarijného chladenia reaktora, dlhodobé chladenie, štyri núdzové čerpadlá. Nový systém barbotážnej veže, pre účinné zabránenie uvoľneniu rádioaktivity pri nehodách, ako aj ďalšie zmeny. Jedným z hlavných odlišností tretieho a štvrtého bloku JE Leningrad bolo technické riešenie o umiestnení hydraulických zásobníkov vyššie nad aktívnou zónou reaktora. To garantovalo v prípade núdze zaručené zaplnenie reaktora vodou. Ale je zaujímavé, že v ďalšej etape toto riešenie už nepoužili. JE s reaktormi RBMK následne pre úspory stavali ako dvojičky – dva reaktorové bloky sú v podstate v rovnakej budove. Takto boli postavené reaktory RBMK-1000 druhej generácie: bloky č. 3 a 4 na JE Kursk, a č. 3 a 4 na JE Černobyľ, a bloky č. 1 a 2 na JE Smolenskaja. Celkove ich bolo, spolu s blokmi č. 3 a 4 na Leningradskej JE osem. Sumárne bolo do prevádzky spustených 17 blokov s reaktormi RBMK. Doba návratnosti sériových blokov druhej generácie bola 4-5 rokov. Časť výroby z jadrových elektrární s reaktormi RBMK v porovnaní s inými v Rusku bola seriózna, v určitom čase dosahovala až 50%.

Napriek tomu, že reaktory RBMK neboli nikdy postavené (a ani sa s tým nepočítalo) mimo teritórium bývalého Sovietskeho zväzu, existovali pred haváriou v Černobyle v ZSSR rozsiahle plány na výstavbu takýchto reaktorov, ale po nehode bolo plánovanie budovania nových blokov RBMK prehodnotené. Po roku 1986 (po Černobyle) boli uvedené do prevádzky už iba dva RBMK reaktory: blok RBMK-1000 na JE Smolenskaja v roku 1990, a blok RBMK-1500 na JE Ignalina (dnes Litva) v roku 1987. Ďalší reaktor RBMK-1000 pre 5. blok na JE Kursk v roku 2012 bol v už prakticky štádiu dokončenia (dosiahnutých ~ 85% pripravenosti), ale výstavba bola nakoniec prerušená.

Okrem blokov na JE Ignalina, ktoré boli do prevádzky spustené ako výkonovo najväčšie (1500 MWe), existovali aj vážne projekty na iné nové bloky – RBMKP-2400 MWe, a MKER-1500 MWe, ktoré však boli následne zastavené. Ďalšie teoretické projekty existovali aj na typy RBMK-2000, RBMK-3600. V projekte RBMK-2000 bolo plánované zvýšenie kapacity v dôsledku zvýšenia priemeru palivového kanála, počtu palivových tyčí v kazetách a kroku rúrkovej siete v technologickom kanále. V tomto prípade by bol samotný reaktor zostal v rovnakých rozmeroch. RBMK-3600 bol iba koncepčným projektom, a o jeho dizajnovom prevedení sa vie veľmi málo.

Hlavné parametre reaktorov RBMK :

Parameter

RBMK-1000

RBMK-1500

RBMKP-2400
(projekt)

MKER-1500
(projekt)

Tepelný výkon reaktora, MWt

3200

4800

5400

4250

Elektrický výkon reaktora, MWe

1000

1500

2000

1500

Účinnosť bloku, %

31,3

31,3

37,0

35,2

Tlak pary pred turbínou, atm.

65

65

65

65

Teplota pary pred turbínou, °C

280

280

450

 

Rozmery aktívnej zóny reaktora, m:

    

- výška

7

7

7,05

7

- priemer (šírka × dĺžka)

11,8

11,8

7,05×25,38

14

Zavezené palivo, ton

192

189

220

 

Veľkosť obohatenia paliva, % 235U

    

- výparný kanál

2,6-3,0

2,6-2,8

1,8

2-3,2

- prehrievací kanál

2,2

Počet kanálov:

    

- výparných

1693-1661

1661

1920

1824

- prehrievacích

960

Priemerné vyhorenie paliva, MWt·deň/kg:

    

- vo výparnom kanále

22,5

25,4

20,2

30-45

- v prehrievacom kanále

18,9

Rozmery ochranného obalu paliva (priemer × hrúbka steny), mm:

    

- výparný kanál

13,5×0,9

13,5×0,9

13,5×0.9

-

- prehrievací kanál

10×0,3

Materiál ochranného obalu paliva:

    

- výparný kanál

Zr + 2,5 % Nb

Zr + 2,5 % Nb

Zr + 2,5 % Nb

-

- prehrievací kanál

nerez

Počet palivových prútikov v kazete

18

18

  

Počet palivových kaziet

1693

1661

  

Aj keď základný princíp práce v plutóniových reaktoroch a reaktoroch RBMK je ten istý, existujú aj určité dôležité rozdiely.

Dva z nich sú markantné na prvý pohľad:

- tepelný výkon reaktora RBMK je oproti plutóniovým reaktorom razantne zvýšený (podľa typu reaktorov – minimálne dva krát), a taktiež že

- pracuje na inom type jadrového paliva (namiesto prírodného neobohateného uránu v kovovej forme – boli použité pelety uránového oxidu). Podľa pôvodnej koncepcie obohacovanie uránu 235 bolo 1,8%, ale vzhľadom na získané skúsenosti z prevádzky RBMK sa ukázalo ako účelné obohatenie zvýšiť. Zvýšené obohatenie v kombinácii s použitím vyhorievajúceho absorbéra v palive umožnilo zvýšiť ovládateľnosť reaktora, čiastočne zvýšilo bezpečnosť a zlepšilo jeho ekonomickú výkonnosť, takže reaktory neskôr používali palivo s obohatením 2,8%.

Pri projektovaní reaktorových blokov RBMK bol v dôsledku nedokonalosti výpočtových metód zvolený neoptimálny krok mriežky kanála.

V dôsledku toho sa neutrónový tok v reaktore ukázal byť príliš zmoderovaný (pomalší), čo viedlo v pracovnej oblasti k pozitívnym hodnotám koeficientu reaktivity, čo prevyšovalo podiel tzv. oneskorených neutrónov.

Prečo sa to stalo?

Podľa osobného spomínania inžiniera a fyzika A.N.Rumjanceva, (neskôr zástupcu ZSSR v MAAE vo Viedni), ktorý ešte v šesťdesiatich rokoch osobne robil aj tieto výpočty, boli tieto robené na počítačoch EBM-M-20 (220) ktoré mali k dispozícii, s programom s veľmi kurióznym názvom „VOR“, čo síce v Ruskom jazyku znamená „zlodej“, ale v skutočnosti to boli začiatočné písmená názvu „vyháranie homogénnych mriežok“, čo sa ešte zhodou okolností úplne presne trafilo náhodou aj s prvými písmenami priezvisk autorov programu.

Výsledky boli následne porovnávané s inými výpočtami z druhého výskumného inštitútu.

Metódy výpočtov implementované v programe, a ďalších programoch výpočtu rovnováhy neutrónov v reaktore vrátane výpočtu polí tepelných neutrónov v bunkách v rozmerovej aproximácii boli experimentálne testované v JE Belojarsk a Obninsk.

Analogicky metodiky druhého inštitútu (dalo by sa povedať konkurenčného) boli testované v Kurčatovom inštitúte.

Výsledky uskutočnených výpočtových štúdií boli zhrnuté v niekoľkých (utajených) správach.

Zo záverečnej sumárnej (a aj schválenej, samozrejme že tajnej!) správe je uvedené, že z výpočtových štúdií vyplývalo viacero veľmi podrobných a jasných výsledkov, ale pre naše potreby stačí uviesť nasledovné: 

  • Všeobecný záver výpočtov je, že vybraný krok 25 cm účinkom pary vedie k významnej pozitívnej hodnote reaktivity, ktorá môže byť dôsledkom výskytu veľkých nerovnostiach a nekontrolovanému uvoľneniu energie po objeme reaktora.

Ale v tejto dobe už boli hlavné konštrukčné charakteristiky RBMK-1000 schválené a už bolo prakticky nemožné zmeniť rozmery grafitového obloženia (muriva).

Návrhy na zníženie hustoty grafitového muriva ktoré by mohlo byť ekvivalentom kroku až do 20-22 cm (teda akýchsi "bublín" v grafite boli vyhodnotené, ako prakticky nemožné.

Neskôr v období 1971-1973 rokov boli vykonané nové trojrozmerné výpočty neutrónovo-fyzikálnych a termohydraulických stacionárnych parametrov reaktorov typu RBMK pre rôzne úrovne výkonu a rôzne zloženia aktívnych zón - od počiatočného uvedenia do rovnovážneho stavu v režime kontinuálneho preťaženia. To už bolo možné robiť na novšom a výkonnejšom počítači EBM BESM-6.

Výsledky výpočtov odhalili niekoľko celkom neočakávaných účinkov, okrem iných napríklad, že:

• Už pri práci reaktora na nízkych úrovniach výkonu (iba 1-5% nominálnej hodnoty), sa môže sa vytvárať (z viacerých dôvodov, a efektov) pozitívny parný efekt (reaktivity),

• Pri tejto situácii (výkonových úrovniach 1-5% nominálu), dochádza k zvýšeniu koeficientu nerovnomernosti uvoľňovania energie naprieč aktívnej zóny;

• Distribúcia výkonu palivových kaziet po výške má výrazný "dvojitý hrb"; a tie (hrby) sa menia podľa výkonu, pričom nižší "hrboľ" je väčší ako horný keď reaktor pracuje s nízkym výkonom (asi 1-5% nominálnej hodnoty);

Z vykonaných výpočtov vyplynul hlavný záver, že najťažšie ovládanie a riadenie reaktora RBMK 1000 je v prevádzkových režimoch s nízkym výkonom so zvýšeným prietokom vody! Ďalším záverom bolo, že rozdelenie uvoľňovania energie po výške palivových kaziet závisí od polohy oblasti, v ktorej sa nachádza nábeh objemového varu vody. Pri nominálnom výkone bola oblasť nástupu objemového varu už vo výške 1,5 až 3 m od spodnej časti aktívnej zóny.

Nedostatočné znalosti, resp. ignorovanie identifikovaných dvoch priestorových efektov, ktoré sa navzájom ovplyvňujú v RBMK reaktoroch viedlo k tomu, že v Černobyle ako aj v Ignaline s RBMK-1500 reaktorom mali vlastne zmenené podmienky na koncoch ovládacích kaziet. Namiesto grafitu v spodnej časti tam boli určujúce stĺpy vody s výškou približne 1,2 metra. Tieto hrali úlohu absorbéra tepelných neutrónov a ich veľkosť bola úplne v korelácii s výpočtami.

Pri zhodení havarijných kaziet do aktívnej zóny teda prichádzalo k vytlačeniu vody, ktoré vnášalo ďalšiu (doplňujúcu) pozitívnu reaktivitu na už existujúcu parnú pozitívnu reaktivitu účinkom "pretláčaného" neutrónového poľa smerom dole. Predpokladaný účinok nárastu objemového koeficientu nerovnomernosti uvoľňovania energie pri havarijnom zhodení kaziet na nízkych výkonových úrovniach s možnosťou vytvorenia lokálnych zón nadkritičnosti bol na začiatku 80. rokov experimentálne potvrdený pri spúšťaní (testoch) reaktorov v JE Černobyľ ako aj na JE Ignalina s reaktorom RBMK-1500.

Bohužiaľ v roku 1986 tento efekt bol reálne v praxi nakoniec aj surovo potvrdený haváriou na 4. bloku jadrovej elektrárne v Černobyli, ktorá sa stala 26. apríla.

Teda môžeme konštatovať že projekt RBMK bol od samého začiatku nedokonalý, resp. dokonca nebezpečný, pre operátorov, ktorí o tom ani netušili, niečo ako „časovaná mína“.

V budúcom článku sa pozrieme na niektoré vybrané problémy a nehody blokov RBMK, ktoré sa stali na takýchto už prevádzkovaných blokoch ešte pred haváriou na 4 bloku JE Černobyľ. 

Marian Nanias

Marian Nanias

Bloger 
Populárny bloger
  • Počet článkov:  236
  •  | 
  • Páči sa:  481x

Jadrovy inzinier ktory prezil cely svoj profesionalny zivot v jadrovej energetike na roznych pracovnych postoch, od prevadzkovania jadrovej elektrarne az po ovplyvnovanie energetickej politiky na urovni EU. Zoznam autorových rubrík:  NezaradenéSúkromné

Prémioví blogeri

Monika Nagyova

Monika Nagyova

295 článkov
Juraj Hipš

Juraj Hipš

12 článkov
Martina Hilbertová

Martina Hilbertová

49 článkov
Adam Valček

Adam Valček

14 článkov
Yevhen Hessen

Yevhen Hessen

19 článkov
reklama
reklama
SkryťZatvoriť reklamu