Co vydrží kontejnment jaderné elektrárny

Po havárii v jaderné elektrárně Fukušima se hodně začalo mluvit o testování jaderných elektráren. Řada jaderných elektráren byla dočasně uzavřena, podrobena přísným testům, a teprve poté byly některé z nich opětovně uvedeny do provozu. Není to ovšem tak, že by se nikdy před tím bezpečnost jaderných elektráren netestovala, právě naopak – zkoušky, jakou zátěž elektrárna a ochranná obálka kolem reaktoru vydrží, jsou staré jako historie jaderné energetiky. Pojďme se podívat na historii kontejnmentů, obálek chránících atomový reaktor.

Jaderný pravěk

Prvním jaderným reaktorem světa byl Fermiho milíř pod Chicagským stadionem spuštěný roku 1942. Kontejnment neměl, ale i u něj se počítalo s určitými bezpečnostními prvky, byť by pogumovaný balon a několik kbelíků s roztokem kadmiových solí asi moderním nárokům na jadernou bezpečnost nedostačovalo.

První kontejnment (ale ještě se mu tak neříkalo) se klenul nad jadernou elektrárnou Submarine Intermediate Reactor Mark A. Jednalo se o ocelovou kouli, která měla být schopná přestát výbuch aktivní zóny. Reaktor byl „pozemní prototyp“ sodíkem chlazeného reaktoru do ponorky, jeho dvojče Mark B posléze pohánělo ponorku Seawolf. Stál v Knolls Atomic Power Laboratory, pouhých 19 mil od Schenectady, NY.

Drtivá většina dalších elektráren již kontejnmentem vybavena byla. Například Shippingport Atomic Power Station, první americká civilní jaderná elektrárna (běžela od roku 1957 do roku 1982), stojící 40 km od Pittsburghu. Obálka kolem reaktoru nesloužila jen k ochraně veřejnosti, ale i k ochraně jejího mínění – jaderné elektrárny se přibližovaly obydleným centrům a občané žádali jistotu, že se jim nic nemůže stát.

První požadavky

Jednotná a ucelená kritéria, která by měl kontejnment splňovat, vyšla poprvé roku 1962. Požadovala, aby každý kontejnment zůstal těsný i v případě projektové havárie se ztrátou chlazení (LOCA, Loss Of Coolant Accident). Na nadprojektovou havárii, například krajně nepravděpodobnou rupturu tlakové nádoby, už designovaný být nemusel. Pozornost konstruktérů elektráren se soustřeďovala spíš na prevenci, čili jak zajistit kontinuální chlazení a havárii předejít, než na to, co se stane v případě tavení aktivní zóny.

Je celkem logické, že se veřejnost dožadovala dalších informací o nadprojektových haváriích (prasknutí tlakové nádoby, velké zemětřesení nebo souběh mnohočetných selhání) a vyčíslení, jaká je pravděpodobnost, že k něčemu takovému dojde. Odpověď dodala Rasmussenova zpráva z roku 1972. V této teoretické studii bylo k popsání rizik a jejich následků použito metody probabilistic risk assessment (pravděpodobnostní hodnocení rizika) a pravděpodobnost, že dojde k roztavení aktivní zóny, byla určena jako 5 x 10^‑5 za rok života reaktoru. (To je menší pravděpodobnost, než že vás zasáhne meteorit.)

Čínský syndrom

Aby tvůrci katastrofického filmu Čínský syndrom poděsili své diváky, vymysleli havárii jaderné elektrárny, při které by se jaderný reaktor nejen roztavil, ale navíc protavil napříč celou zeměkoulí. Diváci byli příjemně poděšeni… Ovšem daleko víc byli poděšeni, když pouhých 12 dní po premiéře došlo roku 1979 k vážné havárii na elektrárně Three Mile Island. Chybou obsluhy došlo k roztavení části aktivní zóny a úniku malého množství radioaktivních látek do ovzduší. Reaktor se ovšem nikam neprotavil – zůstal na místě. Pro vědce byla tato nehoda i velkým přínosem. Do té doby nevěděli zcela přesně, co by se při roztavení aktivní zóny vlastně stalo, a teprve událost na Three Mile Island jim ukázala, že následky by vlastně byly daleko menší, než předpokládali. Zahrnuli tedy informace o chování aktivní zóny při ztrátě chlazení do návrhů nových, ještě bezpečnějších elektráren.

Protože každá elektrárna je jiná, nemůže ani existovat jeden univerzální soubor kritérií pro její bezpečnost. Proto od roku 1988 americký regulační úřad (NRC) po svých jaderných elektrárnách požaduje, aby pravidelně prováděly Individual Plant Examination, čili individuální prověrku a hlídaly si tak, že je elektrárna v rámci svých konstrukčních parametrů co nejbezpečnější.

Různé druhy kontejnmentů

Každá jaderná elektrárna je jedinečná a tak je vlastně unikátem i každý kontejnment, který obaluje její reaktor, chrání jej před poškozením zvenčí a současně hlídá, aby do okolí neproniklo v případě havárie nic ošklivého. Pojďme se podívat na USA, zemi provozující 104 jaderných reaktorů:

Kontejnmenty se dají rozdělit na 6 základních typů podle toho, z čeho jsou zkonstruované a jak se vypořádávají s případnou havárií ve svém nitru. Kontejnmenty jsou buď ocelové nebo betonové, nebo betonové s ocelovou výstelkou. Kdyby uvnitř došlo vlivem nehody k prudkému nárůstu teploty a tlaku, existují dva způsoby, jak se s tím vyrovnat. První je pasivní – kontejnment má dost velký vnitřní objem na to, aby trvalo dlouho, než uvnitř vzroste tlak a teplota na nebezpečné hodnoty. Druhý spočívá v aktivním chlazení – horká vnitřní atmosféra se žene přes chladicí médium, které ji ochlazuje a tak snižuje tlak, který by jinak mohl kontejnment poškodit, nebo existuje uvnitř kontejmentu sprchový systém, který v případě havárie zaplavuje vše co je uvnitř borovou vodou.

Large Dry PWR – velký betonový nebo ocelový kontejnment, který pojme velké množství páry či energie. Své vnitřní prostory může ochlazovat sprchováním a jeho pevné základy nejsou jen odolné vůči zemětřesení, ale mohou sloužit i jako „core catcher“ – zachytávač případné roztavené aktivní zóny.

Subatmospheric PWR – kontejnment podobný výše uvedenému, jen se uvnitř udržuje stálý podtlak (cca 35 kPa). Díky tomu při netěsnosti kontejnmentu proudí vzduch dovnitř a naopak se nic z kontejnmentu jen tak snadno nedostane ven. Udržování podtlaku je sice náročnější, ale zato tento stav umožňuje velmi rychlé zjištění i drobné netěsnosti.

Ice Condenser PWR – betonový nebo ocelový kontejnment založený na pasivním snižování tlaku. Obsahuje horní a dolní část oddělenou bloky ledu, přes které se v případě havárie žene horká pára a tak se účinně ochlazuje a kondenzuje.

BWR Mark I – betonový nebo ocelový kontejnment založený na pasivním snižování tlaku. Skládá se ze suché části zvané drywell, která obsahuje tlakovou nádobu, a z mokré části jménem wetwell ve tvaru prstence naplněného vodou, který v dolní části obklopuje drywell. V případě potřeby je přes wetwell proháněna horká pára, která zde kondenzuje.

BWR Mark II – zjednodušená a zefektivněná verze Mark I.

BWR Mark III – středně velký ocelový nebo betonový kontejnment. Má větší wetwell než předchozí typy a navíc má kolem drywell ještě jeden kontejnment, což poskytuje reaktoru dvojitou ochranu.

Testy kontejnmentů

Je třeba ověřit, jestli kontejnment vydrží to, co má, a jak si povede v extrémní zátěži. Takovéto testy se provádějí například v Sandia National Laboratories v Americe už bezmála 30 let.

Protože z ekonomického hlediska by nebylo vhodné postavit funkční model elektrárny ve velikosti 1:1 a pak jej v rámci testů ničit, testovaly se zmenšeniny kontejnmentů, případně jejich části (převážně průchody potrubí). Hlavním bodem bylo ověřování, jaký vnitřní tlak kontejnment snese. Cíle testování byly dva – jednak zjistit, jak se struktura bude chovat, jednak vysvětlit pomocí teoretických modelů, proč se tak chovala. Zpřesněné teoretické modely totiž budou moci nadále přesně popisovat chování elektrárny, aniž by se tato v rámci velkých testů musela ničit, a umožní předpovědět chování její konstrukce i v situacích, na které se testy neprováděly.

Způsob testování byl jednoduchý – model kontejnmentu se natlakoval vodou, plynem nebo jejich kombinací a pak se pozorně měřilo, jak se struktura chová, zatímco tlak roste. Ocelové struktury vydržely bez problémů 4‑6krát vyšší tlak, než na který byly designovány, betonové struktury pak 2,5‑3,5krát vyšší tlak, přičemž designovaný tlak je cca čtyřnásobek tlaku atmosférického, hodnota se samozřejmě kontejnment od kontejnmentu liší.

Tlakové testy provedené v 80. letech ukázaly, že některé teoretické modely je třeba ještě vylepšit. Ocelové kontejnmenty se chovaly trochu jinak (a nelineárně) než modely předpovídaly, zatímco do chování betonových kontejnmentů se celkem strefily. V okamžiku selhání se v kontejnmentu objevily drobné praskliny. Modely sice dobře předpověděly, že se tak stane v okolí prostupů (průchod potrubí, kabelů, vstupu pro obsluhu atp.), ale v identifikaci konkrétního místa se většinou mýlily. Díky datům nashromážděným během testů mohly být modely a následně i skutečné projekty patřičně vylepšeny.

Součástí zkoušek byla i naprostá destrukce. Ocelový model kontejnmentu 1:8 se po natlakování dusíkem na 1,41 MPa (14násobek atmosférického tlaku) rozletěl na kousky, které se pak našly až půl kilometru daleko. Kontejnment byl designovaný na 0,3MPa.

Ani betonový model kontejnmentu v poměru 1:4, představující kontejnment PWR bloku japonské elektrárny Ohi‑3, nedopadl dobře. Nejprve v rámci běžných zátěžových testů trochu popukal. Aby ho experimentátoři mohli pořádně natlakovat, vyložili ho zevnitř gumovou fólií, naplnili z větší části vodou a doplnili dusíkem, jehož tlak zvyšovali a zvyšovali… až to při tlaku 1,42 MPa kontejnment (designovaný na 0,39MPa) nevydržel a betonová, ocelí vyztužená struktura, dramaticky odshora dolů pukla.

Tato devastace drahých modelů není jen svévolné ničení pro potěchu vědců, ale přinesla i obrovské množství dat, která umožní předvídat chování kontejnmentů i v naprosto extrémních situacích, a díky tomu ještě lépe zabezpečit okolí elektrárny.

Zemětřesení, stíhačky, teroristé a Godzilla

Vnitřní přetlak není to jediné, co může jadernou elektrárnu ohrožovat. Kontejnmenty se testovaly na odolnost proti celé řadě jevů. Například vliv zemětřesení se testoval v roce 1980 v Japonsku v Tadotsu Engineering Laboratory. Model kontejnmentu 1:10 se postavil na speciální „třesací stůl“ a pak už se na něj valila jedna simulovaná zemětřesná vlna za druhou. Kontejnment zemětřesením, na která byl vyprojektován, odolal, ale ukázalo se, že se poškození akumuluje a v případě řady velkých zemětřesení za sebou by přece jen mohlo dojít k poškození, přestože každé zemětřesení by samo o sobě kontejnment neohrozilo. Tento poznatek poskytl mnoho podkladů.

Až do 11. září 2001 se pád dopravního letadla na kontejnment jako možné riziko vlastně neuvažoval. Nikoho nenapadlo, že by se mohlo jednat o úmyslný čin, a šance, že by se letadlo trefilo do kontejnmentu při nějaké nehodě omylem byla nesmírně malá. I tak v roce 1993 proběhly texty ověřující, s jakou energií by vlastně takové letadlo do stěny kontejnmentu narazilo. Stíhačka F4 Phantom byla na speciální pozemní trati urychlena na 210 m/s a čelně se střetla s betonovým blokem o tloušťce kontejnmentu. Zeď odolala, stíhačka doslova „zmizela“ a experiment přinesl konkrétní data o energii útočícího letadla. Testy, co by se s kontejnmentem stalo, kdyby uvnitř něj něco vybouchlo nebo se uvolnila lopatka z běžící turbíny či čerpadla, se konaly již o deset let dřív.

Teroristický útok přidal do seznamu hrozeb pro jadernou elektrárnu unesené, úmyslně navedené dopravní letadlo. Následné testy (převážně teoretické) ukázaly, co by se v případě takovéhoto útoku s kontejnmentem stalo. Jako typický „útočník“ byl vybrán Boeing 767‑400, nejčastější velké letadlo nad Amerikou. Má délku 61 metrů, rozpětí křídel 52 metrů a vzletovou váhu 204 tun. Dvojice motorů, každý o váze 4 300 kilogramů, je od sebe vzdálená 15 metrů a je to také současně jediná věc, která by mohla napáchat vážnější škody. V případě útoku na kontejnment je třeba tímto strojem zasáhnout objekt o průměru kolem 40 metrů, to vše v rychlosti přes 500 km/h a jen pár metrů nad zemí. Pokud by se pilot opravdu trefil jedním z motorů přímo na střed kontejnmentu, jednalo by se buď o ukázku mistrovské pilotáže, nebo o neuvěřitelné štěstí. Ale simulace ukázaly, že i v případě takovéhoto zásahu by se kontejnment sice prohnul a popukal, ale dovnitř by nepronikly ani části letadla, ani letecké palivo a chlazení reaktoru by zůstalo zachováno. Totéž platí i pro bazén nebo sud s vyhořelým jaderným palivem – ani jim by přímý náraz Boeingu neublížil.

Navzdory filmové evidenci, dokládající časté útoky obřích zmutovaných ještěrů na japonské pobřeží, útok Godzilly na kontejnment jaderné elektrárny ještě simulován nebyl.

---

Jak je to u nás?

Dukovany mají tzv. vakuo‑barbotážní kontejnment (pressure suppression kontejnment). Zvenčí není viditelný jako kopule. Jde o budovu „přilepenou“ vedle reaktorové haly. Jeho úloha a funkce je stejná – jak plyne z anglického názvu slouží k potlačení tlaku. Stejný systém používají standardní bloky jaderných elektráreny s reaktory VVER‑440‑440 v bývalém SSSR, na Slovensku a Maďarsku. Systém se skládá z hermetických prostor (boxů), ve kterých je umístěné zařízení reaktoru a potrubí primárního okruhu, a z lokalizačního plynojemu, spojeného s hermetickými prostory koridorem. Plynojem (barbotážní věž) je budova, ve které jsou pasivní kondenzační zařízení – korýtka s vodou – a lapače vzduchu se zpětnými klapkami. Při případné havárii s únikem chladiva by se zde shromáždila a zkondenzovala parní směs – tím by se snížil tlak a minimalizovalo nebezpeční úniku radioaktivity mimo hermetické prostory.

Temelín má plnotlaký betonový kontejnment ve tvaru válce s vrchlíkem. Mohutná železobetonová stavba z předpjatého betonu je vysoká 56 metrů. Vnitřní průměr kontejnmentu je 45 metrů. Stěny válce jsou silné 1,2 metru, konstrukce kopule je pouze o deset centimetrů slabší. Vnitřní povrch kontejnmentu je pokryt 8 mm silnou vrstvou nerezové oceli. Uvnitř se trvale udržuje podtlak. I u nás se testuje – např. od prosince 1998 do ledna 1999 probíhaly na 1. hlavním výrobním bloku Jaderné elektrárny Temelín pevnostní a těsnostní zkoušky kontejnmentu. Nejprve podtlakové zkoušky pro vyhledání případných netěsností uvnitř kontejnmentu, pak naopak postupné zvyšování tlaku v kontejnmentu v pěti stupních až na přetlak 460 kPa s měřením velikosti úniku za 24 hodin. Naměřené veličiny při pevnostní zkoušce i zjištěná velikost úniku při těsnostní zkoušce byly nižší než hodnoty, které SÚJB předepisuje před uvedením jaderně energetického zařízení do provozu.

Proběhlo i modelování nárazu letadla do kontejnmentu. Výsledek si můžete prohlédnout na filmu viz:.http://www.youtube.com/watch?v=bNYWudrOS7o

Zdroje:

http://www.nrc.gov/reading‑rm/doc‑collections/nuregs/contract/cr6906/cr6906.pdf

http://www.nei.org/resourcesandstats/documentlibrary/safetyandsecurity/reports/epriplantstructuralstudy