POŽÁRNÍ OCHRANA ELEKTRÁREN A ENERGETICKÝCH ZAŘÍZENÍ

Transkript

1 POŽÁRNÍ OCHRANA ELEKTRÁREN A ENERGETICKÝCH ZAŘÍZENÍ Doc.Ing.Václav Kupilík, CSc. Osnova: 1) Jaderné elektrárny a) Princip termojaderné fúze b) Základní principy jaderného reaktoru c) Zvyšování bezpečnosti u elektráren d) Vysokoaktivní odpady e) Transmutační technologie f) Dělení jaderných technologií do generací g) Dělení reaktorů h) Bezpečnost jaderných elektráren 2) Paroplynové elektrárny 3) Vodní elektrárny Princip termojaderné fúze (sloučení): V přírodě se jádra za běžných okolností neslučují, poněvadž jim v tom brání odpudivé síly shodně nabitých nábojů protonů.neutrony, které jsou též přítomny v jádře, nemají náboj žádný. Chceme-li, aby se jádra spojila, musíme je k tomu donutit a přiblížit je na vzdálenost m. Elektrostatickou odpudivou sílu lze překonat tím, že jádra srážíme dostatečnou rychlostí, nebo zahřátím na tzv. zápalnou teplotu. V přírodě tato reakce probíhá pouze v nitru hvězd při teplotě asi C. Chceme-li mít z termojaderné fúze užitek, nestačí jádra zahřát na obrovskou slučovací teplotu, ale je třeba plazma (hmotu o teplotě stovky milionů stupňů) dané hustoty zachovat po určitou dobu. Přesněji řečeno: součin hustoty plazmatu a doby udržení jeho energie musí být větší než daná konstanta. Stejně velkého součinu dosáhneme s malou hustotou a velkou dobou udržení energie. To naznačuje 2 způsoby, jak dosáhnout komerčního využití termojaderné reakce. Výsledkem je očekávaná 33% účinnost návratu energie vznikající v termojaderném reaktoru, ať již ve formě záření či rychle se pohybujících jader. Dosud výzkum trvající více než 50 let pokračoval 2 cestami: 1) V současné době úspěšnější experimentální zařízení TOKAMAK (TOroidálnaja Kamera i MAgnitnyje Katušky toriodální komora a magnetické cívky), 2) Laserová fúze Princip termojaderné fúze (sloučení): Tokamak je možno si představit jako dutou prstencovou komoru (nafouknutou pneumatiku) naplněnou vodíkovým plynem, která je obklopena magnetickými cívkami a transformátorovým jádrem. K ohřevu plazmatu uvnitř komory se využívá elektromagnetické indukce a mikrovlnného záření. Plazma (tj. vysoce ionizovaný plyn vznikající vysokou teplotou, zářením apod.) zahřívá indukovaný proud přibližně na C. Magnetické pole udržuje plazma o vysoké teplotě ve středu tunelu, takže se nedotýká stěny. Pohled do nitra tokamaku 1

2 Princip termojaderné fúze (sloučení) Pokud chceme přírodu napodobit a fúzi nejen vyvolat, ale i řídit, narazíme právě na problém vysoké teploty. Nejde ani tak o její vytvoření, jako o to, aby s v důsledku jejího působení reaktor nevypařil. Řešením je hledání vhodného materiálu pro plášť reaktoru. Opravy uvnitř komory tokamaku Řez perspektivním termonukleárním reaktorem Princip termojaderné fúze Podle perspektivního projektu ITER vznikne nepředstavitelný rozdíl teplot mezi vakuovou komorou a dutinou za stěnou reaktoru - za stěnou reaktoru bude teplota blízká absolutní nule, zatímco ve vakuové komoře bude zuřit plazmová bouře o teplotě stovek milionů C. Jen při teplotě tekutého helia (-269 C) nabývají totiž slitiny na bázi niobu, tvořící magnetické cívky, supravodivých vlastností. Základní principy jaderného reaktoru: Energie se v reaktoru produkuje pomocí štěpné řetězové reakce iniciované neutronem. Ta je možná díky tomu, že při každém štěpení se produkuje i několik neutronů, které mohou způsobovat další štěpení. Pravděpodobnost, že neutron způsobí štěpení, je dána jeho energií. Největší je v případě, že mají neutrony energii nízkou, danou čistě jejich tepelným pohybem. Takovým neutronům říkáme tepelné (případně pomalé). Při štěpení vznikají neutrony s daleko vyšší energií označované jako rychlé. Rychlý reaktor, pracující s rychlými neutrony, musí mít pro udržení řetězové štěpné reakce daleko větší hustotu neutronů a tedy daleko větší počet štěpení. Klasickému reaktoru, pracujícímu se zpomalenými (moderovanými) neutrony, stačí menší počet štěpení. Musí však obsahovat materiál, který dokáže neutrony zpomalit moderátor. U klasických reaktorů pracujících s moderovanými tepelnými neutrony bude reaktor charakterizovat v jakém složení a v jakém chemickém i fyzikálním stavu je v daném typu reaktoru palivo a jaká látka se používá jako moderátor. Dalším důležitým údajem je typ media, které se používá k chlazení reaktoru a k přenosu tepla z pracovní zóny reaktoru do systému produkujícího elektrickou energii. Tím je totiž dána i teplota dosažitelná v provozní zóně. Čím vyšší je tato teplota, tím efektivnější je i přeměna tepelné energie na elektrickou. Popsanými fyzikálními a chemickými parametry je do značné míry definován i typ reaktoru. 2

3 Základní principy jaderného reaktoru: U paliva s kovovým uranem je jeho výhodou například snazší odvod tepla, nevýhodou pak nižší teplota tavení. Další možností je využití oxidu uranu ve formě keramické hmoty s vyšší teplotou tavení a horším vedením tepla. Ke štěpení pomalými neutrony dochází jen u izotopu 235 uranu, takže je důležitý jeho podíl v použitém palivu. Tomu má být přizpůsobena konstrukce, uspořádání reaktoru i použitý moderátor. V klasických reaktorech se používá nízké obohacení v řádu několika procent. Jako moderátor se v zásadě používají 3 typy materiálů. Jedním z nich je normální (lehká) voda používaná u lehkovodních reaktorů LWR (Light Water Reactor). Druhou možností je těžká voda, ve které je místo vodíku deuterium. Těžkovodními jsou i kanadské reaktory CANDU. Třetí možností je použití uhlíku v podobě grafitu. Tak tomu je u britských reaktorů Magnox nebo ruských RBMK. V případě využití vody za různého tlaku a teploty lze zároveň používat tuto tekutinu jako chladivo. Z hlediska účinnosti chlazení i výroby elektřiny je výhodné používat co nejvyšší teploty. Aby se voda vařila až při teplotě nad 100 C, musí být pod vysokým tlakem. U těchto tlakových reaktorů PWR (Pressurized Water Reactor) se pak pára pro pohon turbíny vyvíjí mimo reaktor. K nim patří i reaktory VVER elektráren v Temelínu a Dukovanech Druhým typem lehkovodních reaktorů jsou varné reaktory BWR (Boiling Water Reactor). V nich je chladivo ve varu a produkuje se pára pohánějící turbínu. Velkou bezpečnostní výhodou spojení funkce moderátoru a chladiva je, že v případě úniku chladiva (tedy i moderátoru) se řetězová reakce zastaví. Základní principy jaderného reaktoru: V případě využití grafitu jako moderátoru se může používat jako chladiva opět voda. Tak tomu je v případě ruských reaktorů RBMK. Velkým nebezpečím je v tomto případě při prudkém zvýšení teploty exploze vařícího chladiva, rozklad vody na vodík a kyslík a následný požár grafitového moderátoru. Tak se tomu stalo při havárii na čtvrtém reaktoru Černobylské jaderné elektrárny. Druhou možností, eliminující toto riziko, je využití plynu. Může jim být například oxid uhličitý, jako je tomu například u zmíněného britského systému Magnox a u jejich pokračovatelů reaktorů AGR. Aby reaktor správně fungoval, musíme mít možnost řídit průběh štěpné reakce. Často je to řešeno systémem kontrolních tyčí, které jsou z materiálu pohlcujícího neutrony a mohou se zasunovat či vysunovat z reaktoru. Musí být také zajištěno, aby se v případě nestandardní situace řetězová reakce rychle zastavila. K tomu často slouží havarijní tyče také z materiálu silně pohlcujícího neutrony, které v případě nestandardní situace se automaticky, například pádem pod vlivem gravitační sily, zasunou do reaktoru. Kompenzačními tyčemi rovněž z materiálu pohlcujícího neutrony se často řeší postupný úbytek paliva a větší pohlcování neutronů vznikajícími štěpnými produkty v průběhu mezi výměnou paliva v reaktoru. Při doplnění čerstvého paliva kompenzační tyče jsou úplně zasunuty. Během činnosti reaktoru se postupně vysouvají a po jejich vysunutí je třeba palivo vyměnit. Jak kontrola, tak řešení rychlého odstavení reaktoru i změny vlastností paliva v průběhu jeho spalování může být řešeno i jinými způsoby. Současné typy jaderných reaktorů: 1) Tlakovodní reaktor (VVER Vodo-Vodjanoj Energetičeskij Reaktor): je nejrozšířenějším typem (asi 57%). Původně byl vyvinut v USA, později koncepci převzalo Rusko. Palivem je obohacený uran ve formě tabletek UO 2 uspořádaných do palivových tyčí. Moderátorem i chladivem je obyčejná voda, jejíž výměna probíhá při odstaveném reaktoru zpravidla jednou za 1 až 1 a půl roku (nahradí se 1/3 nebo 1/4 použitého paliva). 3

4 2) Varný reaktor (BWR Boiling Water Reactor): Je druhým nejrozšířenějším typem. Palivem je mírně obohacený uran ve formě válečků UO 2 uspořádaných do palivových tyčí. Voda se ohřívá až do varu přímo v tlakové nádobě a v horní části reaktoru se hromadí pára. Když se zbaví vlhkosti, žene se přímo k turbině. Reaktory BWR (Boiling Water Reactor) jsou jednookruhové 3) Reaktor chlazený těžkou vodou (CANDU) Palivem je přírodní uran ve formě UO 2, chladivem a moderátorem je těžká voda D 2 O (oxid deuteria je voda, jejíž molekuly obsahují místo obou atomů vodíku jeho izotop deuterium - tedy vodík s jádrem tvořeným 1 protonem a 1 neutronem. Proti běžné vodě má D 2 O mírně odlišné fyzikální vlastnosti). Aktivní zóna je v nádobě ve tvaru ležícího válce, který má v sobě průduchy pro tlakové trubky. Těžkovodní moderátor v nádobě musí být chlazen, neboť moderační schopnost se snižuje se zvyšující se teplotou. Těžká voda z 1. chladícího okruhu předává své teplo obyčejné vodě v parogenerátoru, odkud se vede pára na turbinu. 4) Reaktor chlazený plynem (AGR Advanced Gas Cooled Graphite Moderated Reactor) Plynem chlazený reaktor se zatím používá výhradně v Anglii. Palivem je uran obohacený izotopem 235 U ve formě UO 2, chladivem je CO 2. Elektrárna je dvouokruhová. 4

5 5) Reaktor vysokoteplotní (HTGR High Temperature Gas Cooled Reactor): Tento typ reaktoru poskytuje na výstupu velmi vysokou teplotu, a proto má i velmi vysokou účinnost výroby elektrické energie (až 40%). Teplo se může využívat nejen pro výrobu elektřiny, ale i v různých průmyslových provozech. Zatím jsou vyvinuty v Německu, USA a Velké Británii. Palivem je vysoce obohacený uran ve formě malých kuliček UO 2. Kuličky povlékané 3 vrstvami karbidu křemíku a uhlíku jsou rozptýleny v koulích grafitu, velikosti tenisového míčku.grafit slouží jako pevná, tepelně odolná schránka uranu i vznikajících radioaktivních zbytků. Palivové koule se volně sypou do aktivní zóny, na dně jsou postupně odebírány. Chladivem je helium proháněné aktivní zónou. 5) Rychlý množivý reaktor (FBR- Fast Breeder Reactor): V dlouhodobé perspektivě je těmto reaktorům přisuzován velký význam. Palivem je plutonium ve směsi oxidu plutoničitého a uraničitého. Během provozu vyprodukuje více nového plutoniového paliva než kolik ho sám spálí. Reaktor nemá moderátor. Řízená štěpná reakce v něm probíhá působením nezpomalených, rychlých neutronů. Aktivní zóna tvořená svazky palivových tyčí je obklopena pláštěm z uranu. V každém litru objemu tohoto reaktoru se uvolňuje až 10x více tepla než u klasických pomalých reaktorů. Chladivem je sodík, který ze sekundárního okruhu proudí do parogenerátoru, kde ve třetím okruhu ohřívá vodní páru. Zvyšování bezpečnosti u elektráren Vzhledem k tomu, že u jaderných elektráren stále dochází ke zvyšování efektivnosti s lepším využíváním jaderného paliva, je nutno se zaměřit i na jejich bezpečnost.z hlediska zajištění bezpečnosti se uvažují 2 typy bezpečnostních principů: 1) Inherentní (tj. v něčem obsažený) bezpečnost předpokládá využití základních fyzikálních principů, které samy vyloučí možnost havárie. Je netečná vůči lidským chybám, úmyslným zásahům nebo vnějším vlivům. Typickým příkladem je tzv.záporný koeficient reaktivity u vodou chlazených reaktorů. Dojde-li totiž ke zvýšení teploty v reaktoru, voda se změní v páru, čímž dojde v důsledku horšího zpomalování neutronů k poklesu četnosti štěpení a tím k poklesu množství uvolňované energie. 2) Pasivní bezpečnost zmírní následky event. havárií a spolu s bariérami zabrání úniku nebezpečných látek i v případě, že by selhala veškerá aktivní bezpečnostní havarijní technika. Klasickým prvkem pasivní bezpečnosti je samovolný pád absorpčních tyčí do aktivní zóny působením gravitace (v případě přerušení dodávky elektrického proudu). U moderních jaderných elektráren slouží jako vnější bariéra proti úniku radioaktivních látek pevná železobetonová kopule nad reaktorem tzv. kontejnment. 5

6 Zvyšování bezpečnosti u elektráren V reaktorech se zvýšenou jadernou bezpečností uzavírá štěpné produkty 6 bariér: a) vnitřní blok s nerozpustnými tabletami UO 2 b) hermetický povlak palivových článků c) ocelová tlaková nádoba d) hermetický betonový plášť primárního okruhu e) ocelová obálka f) vnější betonový plášť obálky Vysokoaktivní odpady: Jaderným palivem je oxid uraničitý UO 2 s uranem mírně obohaceným o štěpitelný izotop 235 (obohacení na 2-4 % celkového množství uranu; v přírodním uranu je jen asi 0,7 / izotopu 235). Použité palivo lze po přepracování znovu použít, není proto považováno za typický odpad. Kazety s použitým jaderným palivem vypadají na první pohled stejně jako kazety s palivem čerstvým jsou nepoškozené a čisté. Palivové články pro tlakovodní reaktory jsou pokryty obalem ze slitiny zirkonia, která je mnohem odolnější než např. nerezavějící ocel. V reaktoru palivové články musely vydržet teploty okolo 300 C a tlak přes 12 MPa. Proto snadno odolají i mnohem mírnějším podmínkám při skladování a další manipulaci. Oproti palivovým článkům s čerstvým palivem se však výrazně liší v radioaktivitě látek, které obsahují. Na konci každého palivového cyklu, tj. období určeného pro výměnu použitého paliva, se palivové články z aktivní zóny vyjmou a převezou pod vodou do bazénu použitého paliva, který je umístěn vedle reaktoru. Zde zůstávají 5 10 let. Za tu dobu klesne jejich radioaktivita a teplota asi na polovinu a je možné předat je k dočasnému uložení ve skladech vysokoaktivních odpadů, k recyklaci nebo k trvalému uložení. Voda v bazénu slouží kromě chlazení i jako stínění chránící personál. Sklady použitého paliva jsou obvykle umístěny v lokalitě elektrárny a palivo je v nich pod přísným dohledem skladováno ve speciálních kontejnerech po dobu cca 50 let. Vysokoaktivní odpady: V českých jaderných elektrárnách používají speciální dvouúčelové kontejnery, které umožňují, aby v případě potřeby transportu paliva nebylo třeba použité palivo ze skladovacích kontejnerů překládat do kontejnerů transportních, ale aby bylo možné převést ho bez zbytečných časově i provozně náročných manipulacích. Jsou vyrobeny z tlustostěnné uhlíkaté nebo nerezavějící oceli, z mědi nebo z jejich kombinace. Použité palivo obsahuje asi 95 % nespotřebovaného uranu. Skladování použitého paliva v kontejnerech umožňuje nejen uložit radioaktivní materiál nevratně na trvalém úložišti,, ale také ho dále využít pomocí nově vyvinutých technologií. 6

7 Transmutační technologie: Cílem je jaderná přeměna dlouhožijících transuranových prvků a izotopů štěpných produktů s dlouhými poločasy rozpadu na izotopy s krátkým poločasem rozpadu nebo dokonce až na izotopy stabilní. Jaderná přeměna jader těchto prvků probíhá tříštivou reakcí pomocí neutronů, tedy jiným mechanismem než je štěpení uranových jader v jaderném reaktoru. Reaktor pro transmutaci radioaktivního odpadu Dělení jaderných reaktorových technologií do těchto generací: 1) Generace I: jde o kusové prototypově stavěné reaktory z 50. a 60.let 2) Generace II: sem patří reaktory z 70. a 80.let. Většina z nich dodávajících elektřinu v současnosti jsou reaktory generace II. Navazovaly na zkušenosti s úspěšnými modely generace I. Elektrárny se už stavěly v sériích, i když každá byla jednotlivě projektována a konstruována. Využívaly však stejné principy a projekty na sebe navazovaly. Největší počet z nich jsou lehkovodní tlakové reaktory, které tvoří více než polovinu pracujících komerčních reaktorů. Paří mezi ně i zmíněné reaktory VVER-440 a VVER-1000, které jsou využívány v jaderných elektrárnách Dukovany a Temelín. Jen reaktorů VVER bylo ve světě postaveno více než 70. Druhými nejčastěji využívanými reaktory jsou lehkovodní varné reaktory. Kanada pak svoji jadernou energetiku postavila na těžkovodních reaktorech typu CANDU. Velká Británie vyvinula grafitové reaktory AGR chlazené opět oxidem uhličitým. V Rusku se kromě lehkovodních reaktorů typu VVER stavěly i grafitové reaktory s vodním chlazením typu RBMK. Tohoto typu byly i reaktor v jaderné elektrárně Černobylu, který díky svým vlastnostem a hlavně velkému lidskému selhání, způsobil největší havárii v historii jaderné energetiky. 3) Generace III: Ve většině případů reaktory fungují spolehlivě a jsou ekonomicky výhodným zdrojem elektřiny. Tyto reaktory většinou vycházejí z úspěšných modelů reaktorů generace II, ale mají daleko lepší bezpečnostní i užitkové vlastnosti a delší životnost běžně by měla být 60 let. Jedná se o standardizované typy, což zjednodušuje povolovací řízení při výstavbě elektrárny a celkově snižuje náklady a čas výstavby Jednodušší a robustnější konstrukce umožňuje zjednodušení provozu a větší odolnost proti lidským chybám. Má zajišťovat velmi silně redukovanou možnost nehod s roztavením jádra a min. vliv na životní prostředí. Zmenšení spotřeby uranu i objemu radioaktivního odpadu umožňuje vysoké vyhoření paliva. Kompenzovat zhoršování vlastností by měly izotopy absorbující neutrony v palivu, které se během spalování odbourávají a jejich úbytek kompenzuje zhoršující se vlastnosti paliva. To umožňují prodloužení intervalu mezi výměnami paliva. Z bezpečnostního hlediska je nejdůležitější důraz na pasivní bezpečnostní prvky. Řešení nestandardních či krizových situací probíhá automaticky na základě přírodních zákonitostí a nepotřebuje elektrický či mechanický zásah operátora či kontrolního systému. Je založeno na gravitaci, přirozeném proudění, odolnosti proti tlaku či teplotám. Kontejnment a celková konstrukce budov zajišťuje odolnost proti pádu letadla a dalším vnějším vlivům, jako jsou třeba zemětřesení nebo hurikány. 7

8 4) Generace III + S: Generace III je úzce propojená s generací III + S a je možné tyto generace spojit. K čisté generaci III lze zařadit 3 typy reaktorů, které jsou v nabídce firem zabývajících se stavbou jaderných elektráren, ale zatím nebyly postaveny (uvedení do provozu do roku 2020). a) V Kanadě se pokračovalo ve vylepšování reaktoru využívajícího těžkou vodu modelem CANDU-6. Deset těchto reaktorů spolehlivě funguje v 5 zemích, kromě Kanady například v Jižní Koreji, Číně nebo Rumunsku. Vylepšená verze tohoto modelu, jejíž vývoj se v posledních letech dokončil, má výkon 750 MWe, zlepšené bezpečnostní vlastnosti, jednodušší ovládání a spolehlivější provoz. b) U tlakových lehkovodních reaktorů firmy ABB-CE se může jako palivo využívat i plutonium, což umožňuje spalování zbraňového plutonia. Tento typ upravila pro své potřeby Jižní Korea. c) Firma Westinghouse místo lehkovodního tlakového reaktoru střední velikosti s elektrickým výkonem 600 MWe se soustředila na větší reaktor generace III + S. Ke generaci III + S patří reaktory, které mají vylepšené prvky pasivní bezpečnosti tak, že se v případě nestandardní situace reaktor dostane do bezpečného stavu automaticky bez pomoci aktivních částí. Dalšími bezpečnostními prvky jsou i velice pevný kontajnment a systém jeho chlazení. Zároveň dochází k dalším vylepšením jejich vlastností. 5) Generace IV: Tato generace je ve fázi výzkumu a vývoje plánuje se do roku Místo tradiční vody k chlazení bude využívat látky zajišťující provoz s mnohem vyšší teplotou a reaktory budou schopny oddělit z vody levnou cestou vodík a připravit tak palivo pro budoucí vodíkovou energetiku. Mezinárodní fórum IV. generace (GIF), které sdružuje vědce a provozovatele z 10 zemí světa, navrhlo zahrnout do kategorie reaktor IV. generace 6 různých typů reaktorů TOP. Všechny musí splňovat přísná kritéria bezpečnosti, spolehlivosti a ekonomičnosti. Pro bezpečnost byly určující faktory mizivá pravděpodobnost poškození aktivní zóny reaktoru či tolerance reaktoru k chybám lidské obsluhy. Do TOP 6 se dostal rychlý reaktor chlazený plynem, rychlý reaktor chlazený tekutým sodíkem, rychlý reaktor chlazený tekutým olovem, reaktor chlazený tekutou solí, vysokoteplotní reaktor chlazený vodou a vysokoteplotní reaktor chlazený heliem. Všechny typy operují s mnohem vyššími teplotami než dnešní reaktory: zatímco v současnosti je běžná provozní teplota v lehkovodních reaktorech do 330 C, u reaktorů IV. generace se pohybuje od 510 do 1000 C. Čtyři z nominovaných typů (s plynovým, olověným, solným a heliovým chlazením) jsou navrženy přímo na výrobu vodíku. V současné době se přes 96 % vodíku získává z fosilních paliv, v budoucnu by měla mít mnohem větší slovo například elektrolýza vody. Schéma moderní termojaderné elektrárny 8

9 Dělení reaktorů: Jaderné reaktory se dělí podle: 1) uspořádání aktivní zóny a její konstrukce: a) reaktory homogenní, kde jaderné palivo cirkuluje aktivní zónou v tekuté formě, b) reaktory heterogenní, kde jaderné palivo je lokalizováno do určitých míst a jeho rozložení v průřezu aktivní zóny tvoří palivovou mřížku; základním konstrukčním prvkem aktivní zóny tohoto reaktoru je palivový článek a příslušné palivové elementy 2) hlavních použitých materiálů pro heterogenní reaktory: a) reaktory tepelné: lehkovodní, těžkovodní, grafitové, b) reaktory ostatní: množivé, sodíkem chlazený, zirkonem moderovaný Jaderná paliva používaná v energetických reaktorech mohou být: a) přírodní neobohacený uran obsahující 0,71% štěpného izotopu 235 U, b) obohacený uran s obsahem cca 1,5 až 4 % štěpného izotopu 235 U, c) obohacený uran s obsahem cca 20 až 93 % štěpného izotopu 235 U, d) plutonium ve směsi s uranem s oxidační formě, e) vysoce obohacený uran s 93% štěpného izotopu 235 U a thorium Podle charakteru provozu se stavební objekty mohou rozdělit do následujících provozů: a) výrobní průmyslové objekty: a 1 ) s jaderně energetickým zařízením a 2 ) s klasickým energetickým zařízením b) pomocné (sklady, dílny, garáže apod.) c) občanské (administrativní budova, provozní budova, šatny atd.) d) inženýrské sítě (kabelové kanály, potrubní kanály a mosty) Ve výrobních objektech jaderných elektráren je omezený sortiment hořlavých látek a materiálů. Jedná se především o: hořlavé kabelové pláště a izolace olejové náplně strojů a zařízení, které slouží k mazání, regulaci, případně chlazení (turbína, transformátory, čerpadla, napáječky) nafta jako palivo pro dieselgenerátorové stanice V zásadě se používají nehořlavé konstrukce, které musí vyhovovat kromě běžných také nestandardním namáháním, např. seismicita, pád letadla, přetlak směsi ve skupenství páry, stínění radioaktivního záření. Jedná se o železobetonové (monolitické i montované) i ocelové konstrukce. Betonové konstrukce se v některých případech opatřují speciálními úpravami (obklady z uhlíkaté, popř. nerezové oceli, speciální nástřiky). Většina prostorů (PÚ) se odvětrává vzduchotechnikou nebo má otvory s výplněmi, které se neporuší ani v průběhu rozvinutého požáru. Hlavním zdrojem požárního nebezpečí v těchto objektech jsou hořlavé kabelové pláště a izolace v uzavřených prostorech a náplně olejových systémů turbíny a napáječek. Uplatňuje se zde místní soustředěné požární zatížení. 9

10 Bezpečnost jaderných elektráren: Ochrana v provozu je zajišťována přísným a důsledným oddělením aktivních prostorů od neaktivních. Z důvodu kontroly a organizace pohybu personálu je provedeno rozdělení na 2 základní zóny: 1) kontrolovanou zónu, která začíná na hranici radiační kontroly zamoření v hygienických smyčkách na vstupu do aktivních prostor, kde pracovníci mohou obdržet dávky nebo přijmout radioaktivní látky přesahující 3 desetiny ročních nejvyšších přípustných dávek, 2) volnou zónu, která zahrnuje prostory,kde pracovníci nepřicházejí do styku se zářiči nebo zamořením. V kontrolované zóně se pak rozlišují tyto prostory: a) neobsluhované, kde jsou umístěna technologická zařízení, např. jako reaktor, b) částečně obsluhované, kdy doba pobytu pracovníků je menší než 18 hodin týdně, c) obsluhované s délkou pobytu nejvýše 36 hodin týdně. Přístup do kontrolované zóny je výlučně přes hygienickou smyčku, kde se osoby při vstupu vybavují individuálními dozimetry a po opuštění této zóny jsou kontrolovány. Radioaktivní látky ve spojení s moderátorem představují zvýšené požární zatížení. V případě požáru jednoho reaktoru se nesmí požár rozšířit na druhý reaktor. Vzniklý požár může mít za následek i poruchy ve skladech štěpného materiálu či v zařízeních na jeho úpravu a využívání. Bezpečnost jaderných elektráren - požární zatížení: Požární zatížení je převážně závislé na 2 skupinách hořlavých látek: 1) oleje pro hydrauliku, mazání, řízení a chlazení, 2) kabelové izolace s hlavním podílem PVC. Částečně je požární zatížení závislé na typu použitého reaktoru. Ze zjištěného požárního zatížení v jednotlivých prostorech se usuzuje na potenciální požární nebezpečí ve vztahu k bodu vznícení, rychlosti odhořívání materiálů apod. Zvyšování požární bezpečnosti se dosahuje snižováním stálého a nahodilého požárního zatížení, což závisí na charakteru vlastní technologie, druhu používaných hořlavých materiálů, jejich rozmístění a uspořádání v příslušných prostorech. Stálé požární zatížení se snižuje následujícími opatřeními: objekty jsou z nehořlavých materiálů podhledy, zdvojené podlahy, střechy, obklady stěn stejně tak jako izolační hmoty pro stropy by měly být pokud možno nehořlavé, větrací, klimatizační a odvodňovací kanály se provádějí jako nehořlavé, chladící věže musí být z nehořlavých materiálů, pokud možno nehořlavé nášlapné vrstvy podlah by měly být kladené na betonový podklad, v prostorech, kde je koncentrováno značné množství zařízení, náchylných ke korozi (např. dozorny, elektrická zařízení) by měly plasty být omezeny na nejnutnější míru. Bezpečnost jaderných elektráren - požární zatížení: Nahodilé požární zatížení je možno snížit používáním: těžce zápalných hydraulických kapalin ve všech regulačních systémech, nehořlavých médií ve všech elektrických vypínačích, těžce zápalných nebo nehořlavých chladicích olejů, zejména u vnitřních transformátorů, nehořlavých izolačních materiálů pero všechna potrubí, zejména v prostorech, kde během provozu není prováděna ani pochůzková služba, nehořlavých materiálů ve vzduchových filtrech, nehořlavých nebo těžce hořlavých kabelových izolací, Další způsob snižování nahodilého požárního zatížení spočívá v: odstraňování hořlavých kapalin unikajících netěsnostmi, odvádění uniklých plynů, umisťování provozních nádrží s turbinovými oleji a zásobníků s chladícími oleji do stavebně oddělených prostorů, umístění vodíkového hospodářství (zásoby vodíku) mimo prostor strojovny v dobře větraném a bezpečném prostoru, v provedení centrálního rozvodu vodíku pro chlazení turboalternátorů tak, že odpadají tlakové láhve s vodíkem pro každé turbosoustrojí, umístěné ve strojovně, v zajištění a kontrolování koncentrace vodíku v generátorech. 10

11 Bezpečnost jaderných elektráren - zařízení ohrožená požáry: Mezi zařízení ohrožená požárem patří: 1) systémy s kapalnými nebo plynnými hořlavými látkami - transformátorové chladicí oleje, chladicí oleje pro čerpadla, topné oleje pro pomocné kotelny, pohonné látky pro dieselové motory, mazací látky a oleje pro hydraulické, regulační a řídicí zařízení (např. turbínové oleje), vodík pro chlazení generátoru, propan-butan, 2) kabelové hospodářství kabelové prostory, kanály a šachty, 3) elektronické zařízení počítače, dozorny, 4) hořlavé materiály hořlavé kovy a slitiny (hliník, hořčík, sodík), papír, dřevo, filtrační papíry, bitumen, čistící prostředky, barvy, rozpouštědla, povrchové úpravy (např.vnitřní povrch nádoby reaktoru). U skupiny 1) převažují oleje s vyššími body vzplanutí. Olejové systémy jsou tlakové např. u turbínových olejů v nízkotlaké části je tlak 0,8 MPa, ve vysokotlaké pak 3 MPa. Při nastalých netěsnostech může dojít k výstřiku oleje do velkých vzdáleností. Jemně rozptýlený olej ve vzduchu může přijít do styku s otevřenými a horkými povrchy, jejichž teploty dosahují hodnot C a dochází tak ke vznícení olejové vzdušné suspenze. nehořlavých materiálů ve vzduchových filtrech, U skupiny 2) jsou téměř všechny hmoty používané pro kabelové izolace hořlavé. Jsouli např. kabely PVC jednou zasaženy požárem, zejména pak v kabelových kanálech, prostorech a šachtách, kde spalné teplo může účinně působit na dosud neshořelé kabely, pokračuje proces hoření samočinně. Bezpečnost jaderných elektráren - Požární riziko u životně důležitých zařízení: Toto riziko nelze vyloučit, ale je možno jej při splnění následujících opatření snížit na minimum: zařízení důležitá pro bezpečnost musí být umístěna v prostorech s min. požárním zatížením a pro jejich konstrukci pak musí být používány nehořlavé materiály, v zájmu bezpečnosti provozovaných zařízení je nutno nouzové okruhy zdvojovat, příslušná propojení musí být umístěna v různých trasách, aby v důsledku požáru nedošlo k vyřazení okruhu z činnosti, systémy ochran musí plnit svoji funkci i při výpadku elektřiny, poklesu napětí, poklesu tlaku apod. To se týká především nouzového odstavení a havarijního ochlazování nádoby reaktoru jako aktivní zóny. V případě přerušení některého ze zmíněných životně důležitých okruhů vzniklým požárem musí být automaticky zajištěna náhrada z nouzového zdroje elektřiny (např.dieselgenerátorová stanice), prostory s manipulací nebo skladováním radioaktivních látek (např. sklady palivových článků, sklady radioaktivních odpadů apod.) musí být dokonale odděleny od ostatních prostorů z důvodu ochrany před požárem vzniklým mimo tyto prostory, dozornu nutno zdvojit externím pracovištěm umístěným v jiném objektu než hlavní dozorna, ze kterého bude možno řídit a sledovat stav reaktoru v případě, že by vzniklý požár znemožnil přístup do hlavní dozorny. Bezpečnost jaderných elektráren - automatické ohlašování požárů: K včasnému ohlášení vzniku požáru jsou v jaderných elektrárnách nejvhodnější ionizační kouřové hlásiče a hlásiče plamene. Ústředny EPS se umisťují na dozorně a požární stanici se stálou službou. Automatickými hlásiči se chrání tyto prostory: kabelové prostory pod rozvodnami a dozornami, kabelové prostory vytvořené zdvojenými podlahami, kabelové kanály průchozí a průlezné uvnitř objektů, prostory pro elektronická zařízení pro zpracování dat, přístrojové prostory, rozvodny a reléové prostory, prostory pro pochůzkové služby. Automatickými hlásiči se chrání tato technologická zařízení: prostory s horkými parními a olejovými potrubími, čerpadla napájecí vody, rozváděče a reléové skříně, zařízení pro zásobování olejem (olejové hospodářství), pomocné kotle, dieselgenerátory pro výrobu nouzového proudu, měniče, filtrové komory, větrací šachty. 11

12 Bezpečnost jaderných elektráren - automatické ohlašování požárů: Ústředny EPS se umisťují na dozorně a požární stanici se stálou službou. Na ústřednu v dozorně se napojí hlásiče z výrobního bloku, tj. reaktorovny a strojovny. Signalizační panely od ústředny, a to jak základní, tak podružné musí být v tomto případě nejen v dozorně, ale i na požární stanici. Na ústřednu umístěnou v požární stanici se připojují hlásiče všech ostatních chráněných objektů včetně vnějších kabelových kanálů. Signalizace od ústředny je jen v požární stanici. Prostřednictvím EPS se ovládají následující zařízení: stabilní hasicí zařízení a čerpadla požární vody, zařízení k odvádění kouře a tepla, klimatizační a větrací zařízení, požární klapky, uzavírací klapky filtrů, zařízení pro vyhlašování poplachu s ukazatelem kontroly pro vyrozumění požárního útvaru. Tlačítkové hlásiče mají být ve zvláště ohrožených prostorech a na únikových cestách. V kabelových prostorech pod dozornami a v pomocných prostorech vzniklých zdvojením podlah musí být provedena opatření zabraňující pronikání kouře na pracoviště operátora. Bezpečnost jaderných elektráren - zabezpečování požární vodou: Hlavním hasebním prostředkem je voda používaná k vytváření plného proudu, vodní mlhy a pěny. Zvláštním požadavkem při použití vody k hašení v nukleární části, tj. v kontrolovaném prostoru, je nutnost jejího odvodu a akumulování mimo výrobní blok a zacházení s ní jako s radioaktivním odpadem. Objekt reaktoru musí být proveden tak, aby se žádná voda nedostala na volné prostranství nebo do kanalizačního systému. Sběrné nádrže musí být dimenzovány na nejvyšší možnou spotřebu při hasebním zásahu prováděném v kontrolovaném prostoru. Množství vody se stanoví z nejvyšší spotřeby, ve většině bude toto množství dáno spotřebou vody pro SHZ venkovní olejových transformátorů. V celém areálu jaderné elektrárny je proveden venkovní rozvod požární vody v nezamrzající hloubce s osazenými podzemními hydranty ve vzájemných vzdálenostech 50 m. Provozní tlak ve venkovních hydrantech musí být min.0,4 MPa, jinak je třeba provádět jeho zesílení pomocí mobilních čerpacích zařízení. Venkovní požární vodovod je okružního systému, zejména kolem výrobního bloku. Vnitřní požární vodovody jsou zakončeny nástěnnými hydranty 52 s mlhovými proudnicemi stejného profilu. Zbývající tlak na nejvýše umístěných hydrantech musí být min.0,3 MPa. Celý systém venkovního a vnitřních požárních vodovodů je udržován trvale pod tlakem pomocí vzdušníku na čerpací stanici, jejíž chod je plně automatizován. Bezpečnost jaderných elektráren - hasicí zařízení: Přehled prostorů, které se mají chránit SHZ s různými hasicími látkami: 1) Sprinklerová hasicí zařízení: prostory pod turbosoustrojím a prostory mezistropů, dozorny, zařízení důležitá pro bezpečnost - prostory čerpadel havarijního dochlazování, dieselagregáty na výrobu nouzového proudu, 2) SHZ na roztříštěnou vodu nebo na vodní mlhu: kabelové kanály, prostory, šachty a zdvojené podlahy, prostory pro úpravu turbinových olejů a prostory s olejovými zásobníky, venkovní olejové transformátory, čerpadla nouzového chladicího systému reaktoru, čerpadla a ventilátory poháněné parní turbínou, stávající potrubí pro sprchování reaktoru dimenzovat tak, aby mohlo sloužit k hašení požáru povrchové ochrany nádoby reaktoru, 3) SHZ na střední pěnu: průchozí a průlezné kabelové kanály uvnitř objektů, kabelové šachty, kabelové prostory pod dozornami a rozvodnami, pomocné kabelové prostory v dozornách a počítačích vytvořené zdvojením podlah, zásobníky s oleji umístěné v budovách 12

13 2. Paroplynové elektrárny Schéma paroplynové elektrárny v Počeradech Vývoj a současný trend: Tento typ slouží pro vykrytí špiček ve spotřebě elektřiny. Tento zdroj může být připojen k síti za několik minut po spuštění. Rychlejší už jsou jen vodní elektrárny. 2. Paroplynové elektrárny Vývoj a současný trend: Nejnákladnější částí paroplynových zařízení je spalovací turbína. Nejčastějším palivem je zemní plyn, méně často olej. Parní turbosoustrojí s příslušenstvím 2. Paroplynové elektrárny Vývoj a současný trend: Nejnákladnější částí paroplynových zařízení je spalovací turbína. Nejčastějším palivem je zemní plyn, méně často olej a ve stále menší míře uhlí. Jednotlivé části budovy jsou rozděleny na požární zóny, které v případě požáru zabrání přenosu požáru. Rizikovým faktorem je únik plynů. Povrchy stěn a podlah musí být pokud možno nehořlavé. Funkční schéma elektrárny Počerady 13

14 Požární rizika: 2. Paroplynové elektrárny Jelikož se nejčastěji jako paliva používá zemní plyn, je třeba si uvědomit, že se jedná o hořlavý, lehce vznětlivý, dusivý, nepáchnoucí, stlačitelný a zkapalnitelný plyn, lehčí než vzduch, se kterým tvoří výbušné směsi, ve vodě nerozpustný. Je tvořen z cca 90% metanu, který nad vodní hladinou zplyňuje a tvoří výbušné směsi. K ochranným prostředkům před výbuchem patří: plynová detekce v místech instalace, havarijní monitoring v místě instalace, řídící systém výrobního nebo technologického zařízení, prvky měření a regulace. K významnému požárnímu nebezpečí dochází v kabelovém hospodářství, především v kabelových izolacích zejména u kabelů, které napájejí funkčně důležitá zařízení. Jde o silnoproudé a informační kabely, jejichž poškození může způsobit trvalý výpadek části nebo celé elektrárny. Kabelové kanály a prostory se rozdělují protipožárními přepážkami. Samozřejmě, že v objektech je předpokládána elektrická požární signalizace s napojením na sprinklerová hasicí zařízení na CO 2, vodní mlhu a pěnu. 3. Vodní elektrárny Druhy vodních elektráren: Vodní elektrárny neboli hydrocentrály se využívají jen při soustavné elektrizaci, kdy pracují do společné sítě s tepelnými či jadernými elektrárnami. Podle velikosti spádu mluvíme o elektrárnách: a) nízkotlakých se spádem do 10 m, b) středotlakých od 10 do100 m, c) vysokotlakých nad 100 m. Podle stupně zadržování vody rozeznáváme elektrárny : a) průtočné při jezu, kde zadržování vody není prakticky možné b) při nádrži, které podle rozlehlosti mohou vyrovnávat odtok denně, týdně, měsíčně Podle způsobu použití v elektrizaci mluvíme o elektrárnách: a) špičkových elektrárny při nádržích, b) základních elektrárny průtočné, pokud mají dostatečné množství vody, c) samostatných, které pracují samy do elektrické sítě. Podle způsobu obsluhy rozeznáváme elektrárny: a) s ruční obsluhou, b) s dálkovou obsluhou, c) se samočinnou obsluhou. 3. Vodní elektrárny Požární nebezpečí: Ve srovnání s tepelnými konvenčními elektrárnami je požární riziko podstatně menší tím, že zde odpadá celé palivové hospodářství. Elektrárna vestavěná do údolní přehrady Hlavní požární nebezpečí spočívá v kabelových rozvodech. Zvláštní pozornost je třeba věnovat šikmému kabelovému kanálu, který vede od turbosoustrojí do venkovní rozvodny (délka 100 až 200 m). Další nebezpečí je ve vnitřních a vnějších rozvodnách, zvláště při použití olejových přístrojů. Dále jsou to venkovní a vnitřní olejové transformátory vnější jsou chráněny SHZ na vodní mlhu, vnitřní SHZ na CO 2. Podstatně menší požární riziko je i při použití turbínových olejů proto, že se zde nevyskytují horká parní potrubí, která jsou zdrojem vznícení vystříklých olejů turbosoustrojí. V celém areálu je proveden rozvod požární vody, a to jak venkovní, tak vnitřní. 14

15 Děkuji za pozornost 15