ENERGETYKA JĄDROWA

ENERGETYKA ENERGETYKA JĄDROWAJĄDROWA

TADEUSZ HILCZERTADEUSZ HILCZER

Podstawy Podstawy bezpieczeństwa bezpieczeństwa

energetyki jądrowejenergetyki jądrowej

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 3

Podstawy bezpieczeństwa energetyki jądrowejPodstawy bezpieczeństwa energetyki jądrowej

• Obiekt jądrowy uważa się za bezpieczny, gdy przy normalnej eksploatacji, zakłóceniach i awariach projektowych zapewnione jest nie przekroczenie dopuszczalnych :– wielkości dawek napromieniowania personelu i

ludności– wielkości uwolnionych substancji

promieniotwórczych do otoczenia.



• Bezpieczeństwo obiektu jądrowego zapewniane jest przez:– właściwy wybór lokalizacji– ustanowienie niezbędnej strefy ochronnej wokół obiektu– wyposażenie obiektu w układy bezpieczeństwa– wysoką jakość

• projektu układów i urządzeń mających wpływ na bezpieczeństwo

• produkcji urządzeń i materiałów• robót budowlano-montażowych

– utrzymanie w nienagannym stanie technicznym układów i urządzeń ważnych z punktu widzenia bezpieczeństwa

– eksploatację obiektu zgodnie z przepisami i instrukcjami– wysokie kwalifikacje personelu eksploatacyjnego.



• Zapewnieniu bezpieczeństwa reaktorów jądrowych służy:– system przepisów i szczegółowych norm

technicznych (krajowych i międzynarodowych), – rygorystyczny system zapewnienia jakości podczas

• budowy, • rozruchu, • eksploatacji,• rozbiórki

– nadzór prowadzony przez państwowe organa dozoru,

– analiza możliwych (nawet mało prawdopodobnych) awarii które mogłyby doprowadzić do zagrożenia mieszkańców na obszarze wokoło elektrowni.



• Koncepcja głębokiej obrony - obejmuje trzy kolejne poziomy bezpieczeństwa:

• I poziom bezpieczeństwa – projekt zapewnia w czasie normalnej eksploatacji

• maksymalne bezpieczeństwo• maksymalną odporność na zakłócenia

– projekt wymaga wysoką jakość wykonania– projekt zakłada możliwości inspekcji i prób

• przed odbiorem• w czasie całego okresu pracy.




• II poziom bezpieczeństwa– zakłada, że awarie wystąpią pomimo starannego

projektowania, budowy i eksploatacji. – wprowadza układy bezpieczeństwa których

zadaniem jest:• ochronić załogę i okolicznych mieszkańców • zabezpieczyć przed stratami, jeśli wydarzą się

awarii




• III poziom bezpieczeństwa– dodatkowe systemy bezpieczeństwa na podstawie

oceny przebiegu hipotetycznych awarii zakładając, że pewne układy bezpieczeństwa zawiodą w momencie awarii, przed którą miały one zabezpieczyć.



• I poziom bezpieczeństwa– układy pracujące normalnie w czasie eksploatacji

elektrowni• II poziom bezpieczeństwa

– układy do natychmiastowego wyłączenia reaktora przy przekroczeniu maksymalnie dopuszczalnych parametrów pracy, zapewniające chłodzenie rdzenia nawet w przypadku rozerwania obiegu pierwotnego lub układu prętów bezpieczeństwa.

• III poziom bezpieczeństwa– obudowa bezpieczeństwa reaktora i układy

likwidacji skutków awarii.



• Źródłem zagrożenia radiologicznego są produkty rozszczepienia zawarte w paliwie znajdującym się w rdzeniu reaktora.

• Bezpieczeństwo radiologiczne polega na zabezpieczeniu przed niekontrolowanym wydostaniem się i rozproszeniem substancji promieniotwórczych.

• Podczas pracy reaktora wodnego o mocy 1000 MW(e) aktywność produktów rozszczepienia osiąga 3,7 1020 Bq – przy niekorzystnych warunkach atmosferycznych

mogą spowodować wystąpienie maksymalnej dawki dopuszczalnej w odległości 1 km od elektrowni jądrowej.



• „Koncepcja głębokiej obrony” wymaga przy projektowaniu obiektu jądrowego analizy urządzeń, układów i konstrukcji ze względu na funkcję, jakie spełniają w bezpiecznej eksploatacji - funkcji bezpieczeństwa

• Funkcje bezpieczeństwa - zgrupowane w czterech klasach bezpieczeństwa.

• Najważniejsze funkcje związane z bezpieczeństwem zaliczane do pierwszej klasy, nieco mniej ważne do drugiej, itd.

• Klasyfikacja bezpieczeństwa jest podstawą do różnicowania wymagań projektowych i jakościowych dla poszczególnych układów.



• Realizacja „koncepcji głębokiej obrony” - stosowanie czterech podstawowych zasad projektowania:

• 1 - zwielokrotniania układów • Celem zwiększenia niezawodności eksploatacyjnej

układy ważne dla bezpieczeństwa obiektu jądrowego projektuje i wykonuje w postaci trzech (200% rezerwy) lub dwóch (100% rezerwy) równoległych, odrębnych i analogicznych grup technologicznych nie mających ze sobą żadnych elementów wspólnych, ani w części technologicznej, ani w części zasilania elektrycznego, ani w układach kontroli i sterowania.

• Do spełnienia przez układ swojej funkcji wystarcza w zupełności praca tylko jednej grupy technologicznej.




• 2 - - zróżnicowania układów pełniących te same funkcje

• To samo zadanie w zakresie bezpieczeństwa realizowane jest przez układy skonstruowane w oparciu o różne zasady działania. – Przykład - równoległe stosowanie na jednym

rurociągu trzech zaworów o różnym napędzie:• elektrycznym, • hydraulicznym,• mechanicznym.




• 3 - separacja przestrzenna układów pełniących te same funkcje

• Wymagane jest – fizyczne rozdzielenie urządzeń technologicznych

poszczególnych grup zwielokrotnionych układów,– fizyczne rozdzielenie tras rurociągów, kabli

zasilających i sterowniczych, • Separacja musi być tak zrealizowana, aby awaria w

jednej grupie nie mogła spowodować uszkodzeń w innych grupach urządzeń.




• 4 - automatyzacji procesów ważnych dla bezpieczeństwa obiektu jądrowego

• Obecnie przyjmuje się, że najbardziej zawodnym elementem w obiekcie jądrowym jest człowiek.

• W sytuacjach awaryjnych, w których istnieje możliwość popełniania groźnych w skutkach błędów– przez pewien czas obiektem kieruje układ

automatycznie realizujący algorytm awaryjny,– człowiek uzyskuje niezbędny czas na właściwą

ocenę sytuacji i podjęcie najbardziej efektywnych działań.



• We współczesnych elektrowniach jądrowych wprowadza się kilka niezależnych barier, zatrzymujących produkty rozszczepienia:– paliwo z materiałów zatrzymujących ogromną

większość wytworzonych w procesie rozszczepienia substancji promieniotwórczych.

– koszulki elementów paliwowych,– ścianki rurociągów obiegu pierwotnego

(chłodzenia reaktora),– obudowa bezpieczeństwa, obejmująca cały obieg

pierwotny.



• Ocena bezpieczeństwa rozpatruje się wszystkie możliwe awarie i ich wpływ na niezależne bariery.

• Potencjalne konsekwencje każdej awarii zależą od wyzwalanej wskutek niej ilości produktów rozszczepienia.

• Zagrożenie związane z daną awarią określa się jako iloczyn prawdopodobieństwa jej wystąpienia i jej możliwych skutków.

• Potencjalne zagrożenie powodowane przez elektrownie jądrową jest sumą wszystkich zagrożeń powodowanych wszystkimi możliwymi awariami.



• Przyjmuje się, że:– awarie występujące z dużą częstością nie mogą

prowadzić do napromieniowania ludzkości i personelu, – awarie występujące rzadko mogą powodować

niewielkie zagrożenia radiologiczne, – awarie występujące bardzo rzadko - Maksymalne

Awarie Projektowe (MAP), mogą powodować maksymalne zagrożenie radiologiczne dopuszczalne w warunkach awaryjnych.

• MAP oraz wszystkie awarie o potencjalnie mniejszych skutkach nazywa się awariami projektowymi

• Awarie o skutkach większych od MAP nazywa się awariami nadprojektowymi.


Awarie projektoweAwarie projektowe

• Dla każdego obiektu jądrowego określa się Maksymalną Awarię Projektową (MAP) największą przewidywaną w projekcie– na opanowanie skutków MAP musi być

zaprojektowany Układ Awaryjnego Chłodzenia Rdzenia (UACR) zapewniający nie przekroczenie dopuszczalnego poziomu napromieniowania personelu i ludności.

• Do kategorii awarii nadprojektowych zalicza się wszystkie, skrajnie mało prawdopodobne awarie związane z uszkodzeniem obudowy bezpieczeństwa, a także ze znacznym uszkodzeniem, czy nawet częściowym stopieniem rdzenia reaktora.


Awarie MAP i nadprojektoweAwarie MAP i nadprojektowe

• Awaria typu MAP w reaktorach wodnych nigdy jeszcze się nie wydarzyła– prawdopodobieństwo jej wystąpienia jest rzędu 10-10 -10-7 na reaktor na rok

• Awaria nadprojektowa zdarzyła się 26 kwietnia 1986 r. w Czamobylu– spowodowana ona została w sposób ewidentny

przez człowieka, podobnie jak w przypadku innych, mniej groźnych awarii zawiodło najsłabsze ogniwo łańcucha bezpieczeństwa w technice jądrowej.


Awarie projektoweAwarie projektowe

• Awaria MAP w przypadku reaktorów wodnych ciśnieniowych– natychmiastowe poprzeczne rozerwanie zimnej nitki

rurociągu obiegu pierwotnego o maksymalnej średnicy w pobliżu króćca wlotowego do reaktora.• rozerwanie rurociągu obiegu pierwotnego

prowadzi do bardzo szybkiej ucieczki chłodziwa z obiegu chłodzenia reaktora

• znaczne pogorszenie warunków odbioru ciepła z rdzenia i rozgrzewanie się paliwa

• uszkodzenie rdzenia– wydzielenia się znacznych ilości produktów

rozszczepienia na zewnątrz reaktora.


Ciepło powyłączenioweCiepło powyłączeniowe

• Po awarii MAP mimo natychmiastowego przerwania łańcuchowej reakcji rozszczepienia, w paliwie generowana powyłączeniowa moc reaktora wynosi:– bezpośrednio po awarii około 7% mocy nominalnej– po godzinie około 1,2% mocy nominalnej– jest jeszcze energia cieplna, tzw. ciepło

powyłączeniowe. • Ciepło powyłączeniowe musi być odprowadzone z

reaktora przez układy awaryjne. • Źródła ciepła powyłączeniowego:

– rozszczepienia wywołane przez neutrony opóźnione – reakcje rozpadu promieniotwórczego izotopów

znajdujących się w paliwie.


Awarie reaktywnościoweAwarie reaktywnościowe

• Awarie typu reaktywnościowego - nieoczekiwany i niekontrolowany wzrost mocy w rdzeniu reaktora– dużo mniej groźne dla reaktorów wodnych– reaktor wodny ma ujemny reaktywnościowy

współczynnik temperaturowy.• Wzrost mocy cieplnej w rdzeniu powoduje

– wzrost temperatury wody– zmniejszenie jej gęstości– zmniejszenie efektywności wody jako moderatora

neutronów– zmniejszenie współczynnika mnożenia neutronów– obniżenie poziomu mocy reaktora.


Awarie reaktywnościoweAwarie reaktywnościowe

• W reaktorach, w których spowalniaczem jest np. grafit, współczynnik reaktywnościowy jest dodatni.

• W przypadku wzrostu generowanej mocy– ubywa chłodziwa– grafit nadal spowalnia neutrony– zmniejszona masa chłodziwa mniej pochłania

neutrony– strumień neutronów wzrasta – Wzrasta moc reaktora – Wzrasta temperatura rdzenia

• Takimi reaktorami są np. reaktory typu RBMK elektrowni w Czamobylu.


Bariery bezpieczeństwaBariery bezpieczeństwa

• Obecnie standardem przyjętym na całym świecie jest system co najmniej 4 barier:– postać paliwa jądrowego, – koszulka elementu paliwowego, – granice ciśnieniowego obiegu pierwotnego, – obudowa bezpieczeństwa


I bariera bezpieczeństwaI bariera bezpieczeństwa

• Pierwsza bariera – paliwo jądrowe– najczęściej w stanie stałym w postaci pastylek– zatrzymuje do 99% produktów rozszczepienie

• przy znacznym przegrzaniu może się z niego wydostać więcej izotopów promieniotwórczych.

• Wydzielanie się jąder promieniotwórczych z paliwa - głównie przez odrzut jąder w procesie rozczepienia.– paliwo metaliczne - zasięg odrzutu w materiale

paliwa jest bardzo mały. – paliwo ceramiczne (pracuje przy znacznie

wyższych temperaturach) - zasięg odrzutu w materiale paliwa jest znacznie większy.



• W materiale paliwowym pozostaje część produktów rozszczepienia w postaci : – roztworu stałego,– nie tworzącej roztworu stałego, która migruje do

gęstszych obszarów paliwa, tworząc pęcherzyki gazowe lub wtrącenia.

– w temperaturach 1900 – 2100 K występuje zjawisko wzrostu kryształów

– w temperaturach od 2100 K do temperatury topnienia 3100 K tworzą się duże kryształy, co pozwala na znaczne przesunięcie pęcherzyków i tworzenie pustych przestrzeni.



• W praktyce dominującymi składnikami aktywności produktów rozszczepienia wydzielonych z paliwa jest – aktywność gazów i izotopów jodu, powstających w

temperaturach powyżej 2100 K. – frakcja tych składników wzrasta szybko z

temperaturą.• w temperaturze 1000 K jest ona bardzo mała• w temperaturze wzrostu kryształów osiąga

30%,• w temperaturze tworzenia dużych kryształów

dochodzi do 100%.


II bariera bezpieczeństwaII bariera bezpieczeństwa

• Druga bariera – koszulka paliwowa– wykonana najczęściej ze stopu cyrkonu, stali lub

aluminium,– gazowo szczelna osłona paliwa, – dla reaktorów energetycznych dopuszczalny

stopień nieszczelności• gazowej wynosi 1 %, • kontaktowej 0,1 %.

• W normalnych warunkach produkty rozszczepienia wydostające się z materiału paliwowego nie przenikają do chłodziwa, lecz pozostają w szczelinie między pastylką paliwową a koszulką.



• W przypadku MAP następuje utrata chłodziwa, temperatury koszulek wzrastają a w związku ze spadkiem ciśnienia w obiegu, ciśnienie gazów rozszczepieniowych w paliwie wywołuje znaczne naprężenia rozciągające w koszulce paliwowej.

• Najgroźniejsze skutki powoduje wzrost temperatury i różnice ciśnienia:– duże odkształcenia koszulki,– pęcznienie, – odsuwanie ścianki koszulki od pastylek paliwowych– blokowanie przepływu wody chłodzącej pomiędzy

prętami paliwowymi



• Po odkształceniu koszulki pękają albo– w okresie wydmuchu wody z rdzenia, gdy różnica

ciśnień miedzy wnętrzem pręta a obiegiem pierwotnym jest dostatecznie duża,

– po rozpoczęciu zalewania, gdy na gorącą koszulkę padną krople zimnej wody z UACR.

• Gazowe produkty rozszczepienia wydostają się do obiegu pierwotnego.

• Odkształcone koszulki stwarzają groźbę całkowitego zablokowania przepływu chłodziwa i odcięcia możliwości odbioru ciepła z rdzenia.



• Aby wykluczyć niebezpieczeństwo uszkodzenia koszulki paliwowej– system UACR musi zapewnić takie warunki

odbioru ciepła z rdzenia przy MAP, by • temperatura koszulki nie przekroczyła 1500 K,• głębokość warstwy utlenionej w koszulce nie

przekroczyła 17% jej grubości• nie doszło do zablokowania przepływu,• uniemożliwienia chłodzenia paliwa.



• W analizach zakłada się, że MAP prowadzi do– rozszczelnienia 100% koszulek paliwowych,– wydziela się 100 % promieniotwórczych gazów

szlachetnych zawartych w paliwie,– wydziela się 50 % izotopów jodu,– wydziela się 1 % stałych produktów

rozszczepienia.



• Groźna jeszcze bardziej nieprawdopodobna jest awaria nadprojektowa w której może zajść do stopnienia paliwa– wydzielenie znacznych ilości zawartych w paliwie

• rutenu, • strontu,• baru, • gazów szlachetnych (Xe, Kr),• izotopów jodu, • izotopów talu,• izotopów cezu.


III bariera bezpieczeństwaIII bariera bezpieczeństwa

• Trzecia bariera - granice ciśnieniowego obiegu pierwotnego– Szczelny obieg pierwotny - produkty rozszczepienia nie

mogą wydostać się do atmosfery, nawet w przypadku:• zaburzeń chłodzenia lub • niekontrolowanego wzrostu mocy reaktora,

prowadzącego do rozszczelnienia prętów paliwowych.

• Po zniszczeniu koszulek i pastylek paliwowych wydzielające się produkty rozszczepienia pozostają w granicach obiegu pierwotnego, rozpuszczone w chłodziwie utrzymywanym pod wysokim ciśnieniem w rurociągach i zbiornikach.


III bariera bezoieczeństwaIII bariera bezoieczeństwa

• Ściany ciśnieniowe obiegu pierwotnego tworzą:

• – zbiornik ciśnieniowy• – ściany rurociągów• – zawory odcinające, za

którymi znajdują się części niskociśnieniowe wszystkich urządzeń obiegu pierwotnego, jak pompy, wytwornice pary i stabilizatory ciśnienia.



• Rozerwanie obiegu pierwotnego:– jest to MAP– woda o temperaturze 3000 K uległa gwałtownemu

odparowaniu i w ciągu kilku sekund reaktor jest opróżniony,

– utrata chłodziwa prowadzi do przegrzania paliwa i stopienia pastylek paliwowych i koszulki - do zniszczenia jednocześnie trzech barier



• Szczelność obiegu pierwotnego jest podstawowym elementem bezpieczeństwa reaktora jądrowego.

• W analizach bezpieczeństwa przyjmuje się, że rurociągi obiegu pierwotnego mogą ulec rozerwaniu– prawdopodobieństwo awarii wynosi 10-4 – 10-3 w

ciągu 30 lat pracy reaktora. – doświadczenia eksploatacyjne wykazały, że

wycieki z obiegu pierwotnego są realną groźbę. • nigdy nie doszło do rozerwania rurociągu

– zdarzyło się wiele przypadków nieszczelności• w łożyskach pomp lub zaworach

– z kilku przypadkach doprowadziły one do poważnych awarii reaktora.


IV bariera bezpieczeństwaIV bariera bezpieczeństwa

• Czwarta bariera - obudowa bezpieczeństwa– chroni przed wydostaniem substancji

radioaktywnych które mogły przedostać się poza obręb obiegu pierwotnego.

• Obudowa wykonana jest ze stali i betonu– odporny na ciśnienie,

• jakie może wystąpić po rozerwaniu obiegu pierwotnego,

– wyposażony w specjalne systemy pomocnicze:• zraszania, • chłodzenia, • wentylacji,• recyrkulacyjnej wewnętrznej.



• Dopuszczalne przecieki z obudowy bezpieczeństwa na zewnątrz do atmosfery wynoszą (0,1 - 1) % objętości obudowy na dobę.

• Aby zabezpieczyć się przed ewentualnym rozszczelnieniem układu, którego część jest wewnątrz, a cześć na zewnątrz obudowy, na rurociągu przechodzącym przez ściany obudowy bezpieczeństwa są po obu stronach zawory odcinające, zamykane automatycznie w przypadku awarii.

• Główne zagrożenie dla człowieka - izotopy jodu



• Obudowa bezpieczeństwa musi być odporna na działanie zjawisk zewnętrznych:– wstrząsy sejsmiczne o maksymalnym natężeniu,

jakie może wystąpić w okolicy,– działanie huraganów łącznie z uderzeniami

przedmiotów unoszących się przez wiatr o prędkości dochodzącej do 350 km/h,

– wybuchy substancji, przewożone w sąsiedztwie elektrowni,

– uderzenie samolotu– …



• Obudowa bezpieczeństwa musi być odporna na działanie zjawisk wewnętrznych:– działanie tnące strugi parowo-wodnej– skutki awarii w sąsiednich budynkach,– uderzenie łopatek turbiny po rozerwaniu jej

kadłuba w maszynowni– …



• W obudowie bezpieczeństwa z podwójnymi ścianami znajdują się:– zbiornik zawierający rdzeń reaktora– obieg pierwotny z wytwornicami pary i pompami

cyrkulacyjnymi.• Ściana wewnętrzna - szczelna powłoka stalowa.• Ściana zewnętrzna - powłoka żelazobetonowa.• Obie ściany zapewniają wymaganą wytrzymałość i

osłonę przed ewentualnym promieniowaniem w razie awarii.

• Pomiędzy obu powłokami jest podciśnienie,– gazy z tej przestrzeni odprowadzane są do filtra,

skąd po oczyszczeniu przepływają do komina wentylacyjnego.





• Układy zraszania zaczynają wtryskiwać wodę do wnętrza obudowy po upływie 20 – 30 s od chwili rozerwania rurociągu.

• Woda zraszająca jest doprowadzona pod niewielkim ciśnieniem do dysz i sit zraszających.

• Do wody zraszającej dodane są środki chemiczne reagujące z jodem, (hydrazyna, tiosiarczan sodu).

• Jod z elementów paliwowych występuje w trzech postaciach: – pary jodu w postaci molekularnej, – jodu osadzonego na cząsteczkach lotnych,– jodu w związkach organicznych, głównie jodku

metylu.• Związki organiczne jodu najtrudniej jest zatrzymać w

układach bezpieczeństwa.

ENERGETYKA JĄDROWA

Documents