Přirozená bezpečnost jaderných elektráren

Jestliže vám už spadl na zem chleba namazaný máslem, určitě si pamatujete, že spadl namazanou stranou dolů. Zákon schválnosti, že ano? Přesto se na tento „fakt“ nemůžete spolehnout. Určitě se však můžete spolehnout na gravitační zákon – chleba padá k zemi. Na podobných spolehlivých principech je založena inherentní (vrozená) bezpečnost.

Přes snahu o zvýšení podílu obnovitelných zdrojů na trhu s energií stále nejsou a nebudou schopny pokrýt spotřebu celého lidstva. I nadále bude část elektrické energie dodávána – z mnou preferovaného zdroje – jaderných elektráren. Aktuální snahou je vyvinout reaktorový systém pro produkci nejen elektrické energie. Navrhované systémy musí být ekonomicky konkurence schopné, bezpečné, spolehlivé a musí co nejvíce vylučovat možnost zneužití. Využitím inherentní bezpečnosti se zvyšuje bezpečnost celého systému, protože funguje na přírodních zákonech, a snižuje cena energie z elektrárny, protože nevyžaduje aktivní prvky ochrany.

VYUŽITÍ GRAVITACE
Nejznámějším využitím pasivní bezpečnosti je pád bezpečnostních tyčí v případě potřeby rychlého odstavení reaktoru. Regulační a bezpečnostní tyče obsahují materiál (např. sloučeniny boru nebo kadmia) silně absorbující neutrony. Zasunuté absorpční tyče pohlcují neutrony a štěpná reakce se tlumí. Tyče v horní poloze drží elektromagnety. Jestliže řídicí systém vyhodnotí potřebu rychlého zasunutí tyčí do aktivní zóny, odpojí napájení elektromagnetů, absorpční tyče jsou gravitací přitahovány k zemskému povrchu a tím se zasouvají do aktivní zóny.

ZPĚTNOVAZEBNÍ KOEFICIENTY
Při projektování jaderného reaktoru se fyzici snaží maximálně využít samoregulační schopnosti paliva a moderátoru a to v celém rozsahu provozních stavů reaktoru. V případě nárůstu výkonu reaktoru vzroste teplota aktivní zóny a zvýší se absorpce neutronů v palivu, moderátoru a konstrukčních částech reaktoru. Neutrony se mohou absorbovat štěpně, kdy se rozvíjí štěpná reakce za produkce energie a neutronů, nebo neštěpně, kdy je neutron atomovým jádrem pohlcen, vznikne jiný izotop a štěpná reakce se utlumuje. Snahou je vytvořit konfiguraci zóny, která má tendenci při nárůstu výkonu reaktoru štěpnou reakci utlumovat a vracet se zpět k původnímu výkonu.

Podobná záporná zpětná vazba je projektována i pro případ úniku moderátoru nebo varu chladiva. Reaktory s pomalým (tepelným) spektrem neutronů potřebují mít v aktivní zóně moderátor. Moderátor je materiál (např. voda), který zpomaluje rychlé neutrony vzniklé při štěpení na rychlost vhodnou pro další štěpení uranu 235. Vedlejším efektem moderátoru je jeho schopnost absorbovat neutrony. V závislosti na poměru množství moderátoru k množství paliva mění aktivní zóna své vlastnosti. Jestliže by reaktor za běžného provozního stavu obsahoval více moderátoru, než je optimální, absorboval by moderátor více neutronů bez zlepšení moderačních vlastností. Kdyby při havárii z aktivní zóny moderátor unikl, množství pohlcovaných neutronů by se snížilo. Větší množství neutronů v reaktoru má za následek nárůst výkonu a to je v takovémto případě nežádoucí stav. Z tohoto důvodu je v aktivní zóně méně moderátoru a reaktor nazýváme podmoderovaný.

ROZDÍL TLAKŮ
Dalším inherentním bezpečnostním systémem vodou chlazených elektráren je systém chlazení aktivní zóny pomocí zásobníků vody s kyselinou boritou (absorbuje neutrony) – hydroakumulárorů. V primárním okruhu je vyšší tlak než v těchto zásobnících, voda je v hydroakumulárotech udržována zátkou, kterou v zavřené poloze udržuje rozdíl tlaků nad a pod zátkou. V případě poklesu tlaku v primárním okruhu se tlakové poměry změní, zátka se automaticky tlakem otevře a voda ze zásobníku doplňuje vodu do primárního okruhu.

PŘIROZENÉ PROUDĚNÍ CHLADIVA
Vhodnou kombinací rozměrů reaktorové nádoby, tepelným výkonem reaktoru a termohydraulickými vlastnostmi aktivní zóny lze reaktor vyprojektovat tak, aby v případě výpadku cirkulačních čerpadel vzniklo v aktivní zóně přirozené proudění vyvolané rozdílností teplot a aktivní zónou protékalo malou rychlostí chladivo a ochlazovalo jej. Malý modulární olovem chlazený rychlý reaktor uvažovaný pro čtvrtou generaci reaktorů již cirkulační čerpadla nepoužívá a průtok paliva bude zajišťován pouze přirozenou konvekcí.

VYSOKÁ TEPLOTA TAVENÍ PALIVA
Riziko tavení aktivní zóny při jejím nedostatečném chlazení lze snížit použitím konstrukčních materiálů a formy paliva, které snáší vysoké tepelné namáhání. Aktivní zóna do sebe akumuluje část zbytkového tepla, které vzniká i po odstavení reaktoru, a tím se snižuje potřeba rychlého odvodu tepla z reaktoru a zvyšuje bezpečnost elektrárny.

Palivo reaktoru PBMR (grafitové palivo ve formě kuliček o průměru 6 cm, které jsou volně nasypány v aktivní zóně tzv. Pebble Bed, chlazené heliem nebo CO2) snáší teploty až 2600 °C, přičemž provozní teplota reaktoru je 1200 °C. Maximální teplota paliva při ztrátě chlazení je pouze 1600 °C, a proto k tavení paliva a uvolnění radioaktivních látek nemůže dojít. První projekty s Pebble Bed vznikaly v 70. letech v Německu. S výstavbou reaktoru s kulovým palivem a novou konstrukcí se počítá v Jihoafrické republice v roce 2007.

S vysokou maximální teplotou paliva lze zvýšit i výstupní teplotu chladiva a tím zvýšit účinnost přeměny energie tepelné na elektrickou, případně využít vysoké výstupní teploty i v chemickém či jiném průmyslu.

SNÍŽENÍ MOŽNOSTÍ ÚNIKU CHLADIVA
Havárie se ztrátou chladiva – LOCA (Loss of Coolant Accident) – patří v jaderných vodou chlazených elektrárnách k závažným, avšak řešitelným poruchám a obě naše jaderné elektrárny se s ní umí za použití pasivních i aktivních prostředků vypořádat. Jinou možností je použít takové chladivo, které v provozních podmínkách reaktoru nepotřebuje vysoký tlak v primárním okruhu. Lze použít například olovo či sodík v kapalném skupenství a roztavené soli. Zmiňované kovy mají vysoký bod varu a nehrozí jejich vypaření při porušení pevnosti primárního okruhu. Bohužel použití kovů s sebou přináší jiné technické problémy.

Při návrhu jaderných reaktorů se uplatňuje několik bezpečnostních principů např. ochrana do hloubky, kultura bezpečnosti, snížení vlivu lidského selhání, zálohování a různorodost systémů. Inherentní bezpečnost je pouze jednou z důležitých součástí, která zároveň snižuje cenu a zvyšuje spolehlivost elektrárny.

TIP PRO VÁS
Na webu www.3pol.cz najdete schemata některých nových typů jaderných elektráren s inherentní bezpečností.