Dodatek. Všeobecný popis reaktoru RBMK

Transkript

1 Dodatek Havárie v jaderné elektrárn ernobyl (pevzato z internetu) Havárie v jaderné elektrárn ernobyl se stala smutným mezníkem jaderné energetiky. Jelikož jsme asto svdky toho, jak je tato nešastná skutenost pekrucovaná a dle poteby zneužívána, domnívám se, že neuškodí zamyslet se optovn nad touto nehodou a strun popsat její prbh a píiny i na tchto stránkách. Již za pár dní ubhne totiž dvacet let od doby, kdy se jméno ernobyl stalo celosvtov známým a jisté organizace neopomenou využít tohoto výroí k draznému odmítnutí jaderné energetiky. Všeobecný popis reaktoru RBMK Abychom mohli popsat nehodu na sovtské elektrárn v ernobylu, je nutné se alespo minimáln seznámit s reaktory RBMK používanými v této elektrárn. RBMK (Reaktor bolšoj mošnosti kanálnyj - reaktor velkých výkon - kanálový) vyvinuli sovtští vdci ve výzkumném ústavu akademika V. I. Kuratova v 60. letech 20. století na základ zkušeností s provozem první atomové elektrárny na svt v Obninsku. Zárove je nutné pipomenout, že tento typ reaktoru nikdy nebyl postaven mimo území Sovtského svazu!!! Palivem reaktoru je uran obohacený izotopem 235 na úrove 1,8% (po havárii v ernobylu na 2,4%). Každý palivový lánek je umístn v palivovém chladícím kanálku (tlakové trubce), které kolmo procházejí velkými cylindrickými grafitovými bloky (v 1000 MW bloku 1. generace je celkem 1693 takovýchto kanálk). Do kanálk se zespoda erpá studená voda, která se cestou kanálkem nahoru ohívá až vaí a tím odvádí z reaktoru teplo. Nahoe odchází sms páry do separaního bubnu. Odtud putuje pára do turbíny a voda se vrací zpt do reaktoru (pichází sem i sms vody a páry z turbín). Elektrárna je tedy jednookruhová a kvli únikm radiace bylo nutné odstínit i turbínu. Každý palivový kanálek pitom musí být izolován od okolního prostedí. To s sebou pináší množství svar a vtší riziko havárie v primárním okruhu. Roztee mezi kanálky jsou vyplnny moderátorem, kterým je v tomto pípad zmínný grafit. Celý grafitový blok je uzaven v tlakovém obalu z oceli ve kterém cirkuluje helium a plynný dusík. K horkému grafitu se totiž nesmí dostat vzduch. Tato konstrukce reaktoru si vyžádala znané rozmry. Blok o výkonu 1000 MWe ml aktivní zónu o prmru 11,8 metr a výšce 7 metr. Na druhou stranu ovšem kanálovým ešením odpadla technologicky nároná konstrukce tlakové nádoby reaktoru. K regulování chodu reaktoru se využívá celkem 211 regulaních tyí, z nichž 30 (po havárii v ernobylu se toto íslo zvýšilo) je havarijních a 147 lze ovládat run. Tento reaktor zárove dovoluje konstruovat bloky neobyejn velkých výkon. V Kuratov ústavu se pipravoval reaktor o výkonu až 2400 MW. Dodnes je nejvtším provozovaným reaktorem typu RBMK - reaktor RBMK-1500 v jaderné elektrárn Ignalina. Již konstruktéi reaktoru si uvdomovali, že reaktor má jeden zásadní nedostatek, kterým je kladný teplotní koeficient reaktivity. Pracovníci Kuratovova ústavu tuto situaci popsali v popisu reaktoru následovn: V reaktoru RBMK se pi zvýšení množství páry v reaktoru snižuje 1

2 množství vodou pohlcovaných neutron a poet pomalých neutron schopných štpit dále uran se tím pádem zvyšuje, protože hlavním moderátorem je grafit, jehož množství v aktivní zón je fixní. Tak vzniká situace nazývaná kladný parní (dutinový) efekt. Zde je patrný markantní rozdíl od reaktor VVER, kde takováto vlastnost není! Charakteristika reaktoru RBMK ped rokem 1986 Záporné vlastnosti: Kladný teplotní koeficient, který ovšem dle pedstav musel být eliminován ídící technikou (tlakovodní reaktory mají záporný teplotní koeficient). Velké množství nezávislých kanálk, které musely být dokonale utsnny. Pípadný únik chladiva na grafit mohl zapíinit vážnou nehodu. Mezi pednosti reaktoru se pipisovalo možnost snížení výkonu reaktoru - reaktor mohl standardn dlouhou dobu dodávat výkon do elektrické sít na úrovni napíklad 70% nominálního výkonu. Navíc regulace výkonu byla pomrn rychlá (tato situace souvisela s pímou výrobou páry a s možností odstavit napíklad jen ½ reaktoru) menší obohacení uranu, které bylo velmi technologicky a finann nároné (dáno grafitovým moderátorem, který minimáln pohlcuje neutrony). možnost výmny paliva za provozu - bez kompletní odstávky bloku (dáno rozdlením palivových lánk do nezávislých kanálk). vojenská výhoda - snadnjší zisk vojenského plutonia-239 (vyplývá z výše zmínné výhody výmny paliva za provozu) Historie jaderné elektrárny ernobyl Plán na výstavbu jaderné elektrárny v ernobylu byl v Sovtském svazu schválen poátkem 70. let 20. století. V roce 1972 bylo rozhodnuto, že elektrárna bude vybavena reaktory RBMK. První dva bloky byly typu RBMK-1000 (1. generace) a byly oteveny v letech 1978, respektive Po dokonení prvních dvou blok zaala stavba dalších dvou blok RBMK-1000 (2. generace). Rozdíl mezi reaktory RBMK první a druhé generace spoíval pedevším ve zmn uspoádání aktivní zóny, do které bylo na základ pedchozích provozních zkušeností pidáno nkolik regulaních tyí (bloky první generace mly 179 regulaních tyí oproti 211 regulaním tyím blok druhé generace). Dále se snížil poet palivových kanálk ze 1693 na Celkov se rovnž zmnil design budov elektrárny. Tetí blok elektrárny byl dokonen a spuštn v roce 1982 a tvrtý blok v beznu Po jejich spuštní se zaalo se stavbou 5. a 6. bloku (rovnž RBMK generace). Stavba tchto blok byla zastavena po havárii v roce 1986 a již nebyla obnovena. Celá stavba a provoz elektrárny byl pomrn dosti uspchaný - napíklad 4. blok byl spuštn bez provedení ady požadovaných fyzikálních a technických test. Po havárii 26. dubna 1986 byl znien 4. blok. První blok byl vážn poškozen havárií v roce 1991 a kvli pedpokládané cen jeho opravy nebyl již opravován. Druhý blok Ukrajina odstavila v rámci dohody s Evropskou unií v roce 1996 a poslední 3. blok byl rovnž v rámci dohod odstaven 21. prosince Xenonová otrava - další dležitý initel ernobylské nehody Ješt než se pustím do popisu samotné nehody, je nutné piblížit pojem xenonové otravy (anglicky xenon poisoning), protože tento fyzikální jev sehrál pi ernobylské havárii rovnž dležitou úlohu. Co to tedy vlastn je? Xenonová otrava je redukce reaktivity reaktoru v dsledku velmi vysokého pohlcování neutron v štpném produktu Xe-135. Jedním z vedlejších produkt vznikajících ze štpení jader uranu U-235 nebo Plutonia-239 je tvorba jodu I-135. Reaktorová fyzika vychází z toho, že jód-135 je bžný štpný produkt, který iní zhruba 6% z v reaktoru vzniklých štpných produkt. Jelikož je malá šance, že by jód absorboval neutron, není jeho výskyt z hlediska ízení štpné reakce významný. Ovšem Jód-135 2

3 má poloas rozpadu 6,7 hodin a pemuje se postupn v xenon Xe-135 s poloasem rozpadu 9,2 hodin. Tento izotop má neobvykle velký prez pro absorbci neutron. Jeho hodnota iní barn; oproti tomu Bor má pouhých 750 barn a Uran barn (1 barn = cm2). Xenon-135 se tak stává tém dokonalým absorbátorem neutron (dokonce se tvrdí, že je to látka s nejvyššími absorbními schopnostmi) a je velmi dležitým initelem ovlivujícím reaktivnost v aktivní zón! Pi normálním provozu reaktoru je pítomnost xenonu-135 a jódu-135 v rovnováze. Tato situace je daná tím, že probíhající štpná reakce neustále produkuje nový jód-135, který se mní v xenon-135 a ten se bu pirozen rozkládá na stabilní cesium-135, a nebo (astji) pohlcuje neutrony a pemuje se na stabilní xenon-136. Zde platí, že ani cesium-135 ani xenon-136 již neutrony neabsorbují a šíení štpné reakce tedy neovlivují. Pakliže ovšem drasticky snížíme výkon reaktoru a nebo reaktor odstavíme, je rovnováha narušena a v reaktoru se zaíná hromadit xenon-135, protože již vytvoený jód-135 se stále pemuje na xenon-135, ale ten vlivem výrazn menšího potu neutron v aktivní zón zstává v reaktoru a nevyhoí. Vrchol koncentrace xenonu-135 nastává zhruba po 12 hodinách od odstavení reaktoru. To je dáno pedevším poloasem rozpadu xenonu-135 (9,2 hodin). Z tohoto dvodu není ani možné spustit krátce po odstavení opt reaktor - xenon tomu prost zabrání. Havárie 4. bloku RBMK-1000 v ernobylu 25. dubna 1986 krátce po plnoci zaala smna operátor 4. bloku ernobylské jaderné elektrárny provádt pokus, jehož cílem bylo ovení dodávek elektiny pro erpadla primárního okruhu reaktoru po odstavení turbín bloku. Podle teorie inženýr a vdc se potebná energie pro erpadla (cca 6 MW) mla získat ze setrvaného dobhu turbíny. Podle výpot to mlo být dostatené množství k udržení chodu erpadel po dobu 50 sekund. Reaktor je sice také vybaven dieselovými agregáty, ty však potebují sekund k rozbhu na plný výkon. Proto ml být výkon získaný ze setrvanosti dostatený na peklenutí mezery mezi vypnutím proudu a nábhem agregát. Pedchozí testy ukázaly, že akoliv byla turbína schopná potebnou energii dodat, napájecí naptí erpadel kolísalo a jejich chod tak nebyl uspokojivý. Inženýi proto provedli zmny v magnetickém poli regulátoru naptí. K otestování zmn ml posloužit práv pipravovaný experiment. Plánovaný prbh experimentu ml vypadat následovn: Nejprve se ml snížit výkon reaktoru na 1/2 a mlo dojít k odpojení první ze dvou turbín bloku. Poté mlo následovat další snižování výkonu až na 1/3, což byla takka minimální bezpená hranice provozu reaktoru RBMK. Dále mlo následovat uzavení druhé turbíny. Tento krok ml být zárove signálem pro systém havarijní ochrany, který ml souasn automaticky odstavit reaktor. Poté mly být vyhodnoceny výsledky testu. Obsluha tedy podle plánu zapoala s plynulým snižováním výkonu reaktoru z 3200 MWt až na výkon 1600 MWt a následným odpojením první ze dvou turbín. Pak byl ale test na žádost energetického dispeinku na 9 hodin perušen a dále v nm proto pokraovala jiná smna. Jak vyplynulo z vyšetování ernobylské havárie, nová obsluha bloku v ernobylu nedostaten chápala fyzikální principy innosti sveného reaktoru a napíklad o principu xenonové otravy (která se i vlivem odkladu testu stala aktuální) nemla dostatené znalosti. Tento nový tým tedy pokraoval v pokusu, pi kterém bylo nutno snížit tepelný výkon reaktoru zhruba na hranici 1000 MWt. Pitom obsluha postupovala chybn a výkon klesl až pod hranici oblasti bezpeného provozu (tato hranice se pohybovala kolem 700 MWt - po jejím dosažení zaala bezpenostní automatika okamžit odstavovat reaktor; operátoi ji ale odpojili, pešli na runí ovládání a pokusili se reaktor oživit a dokonit pokus). Ani po pechodu na manuální ovládání reaktoru se nedailo operátorm udržet reaktor pi život a výkon dále klesal až na 30 MWt (pod 1% nominálního výkonu), což znamenalo v podstat úplné zastavení štpné reakce. Obsluha se pokoušela bhem této obrovské ztráty reaktivity zvýšit výkon tím, že postupn vytahovala z aktivní zóny reaktoru regulaní tye (aby to bylo možné, bylo nutno vypnout další automatické ochrany reaktoru). Chod reaktoru v oblasti malého výkonu trval však již píliš dlouho, a tak se v aktivní zón zaalo hromadit velké množství xenonu-135 a samaria-149, a proto na úbytek tyí v aktivní zón reaktor nereagoval. Pracovníci velína si tuto situaci nedokázali vysvtlit (nikdo z nich neznal pesné chování tchto vzácných plyn a zkušení pracovníci na bloku chybli). Obsluha proto riskantn vytáhla z aktivní zóny postupn takka všechny regulaní a havarijní tye až nad pípustné limity (to bylo písn zakázané a aby to bylo možné, musela obsluha vypnout havarijní ochranu reaktoru. Po tomto zásahu zstalo v aktivní zón ásten pouze 8 z 211 regulaních a havarijních tyí). Takka úplná absence 200 tyí znamenala pece jenom znaný úbytek absorbních látek v aktivní zón a reakce se zaala pozvolna opt rozbíhat. 3

4 Operátorm se postupn podailo zvýšit výkon reaktoru až na 500 MWt a dokonce považovali jeho chod za stabilní! Zaali proto s pokraováním experimentu. Uzaveli druhou turbínu a odpojili 4 z 8 cirkulaních erpadel primárního okruhu (reaktor ovšem pracoval dál, protože havarijní ochrana, která ho mla odstavit byla odpojena). Potom, když byl uzaven pívod k turbínám, zaal výbh rotoru. Kvli zmenšení prtoku páry ze separaního bubnu rostl tlak páry v aktivní zón rychlostí 0,5 atm/s a celkový prtok chladiva skrz reaktor se zaal snižovat kvli tomu, že pohony cirkulaních erpadel byly napájeny z brzdícího generátoru. Ve spojení s výrazným omezením cirkulace chladící kapaliny došlo k optovnému nárstu teploty v reaktoru. Pomrn rychle stouplo hromadní a tvorba páry v reaktoru. Situace se podstatn zhoršila tím, že se pára dostala až do erpadel, jejichž úinnost se tím pádem výrazn snížila. To znamenalo další zhoršení obhu chladící kapaliny v reaktoru a vedlo k nadmrné tvorb a hromadní páry v aktivní zón. Nyní se projevil kladný teplotní koeficient reaktoru RBMK. Nárst páry tak vedl k znanému zvýšení reaktivnosti. S tím jak se zaala rozšiovat štpná reakce zvyšoval se i poet moderovaných neutron, které mohly štpit xenon-135. Vlivem zvyšování reaktivnosti tak xenon-135 ubýval a bhem nkolika málo vtein došlo k jeho vyhoení, ímž reaktor pišel o prakticky jediný absorbátor neutron, který se v aktivní zón nalézal. To zapíinilo gigantické rozšíení etzové reakce a s tím spojený prudký nárst teploty aktivní zóny zhruba na desetinásobek konstrukní projektované hodnoty (postupný nárst až na MWt). V této fázi si vedoucí smny uvdomil svoji chybu, stiskl tlaítko nejvyššího poplachu (5. stupe) a vydal pokyn k havarijnímu zasunutí regulaních tyí a nouzovému odstavení reaktoru. Bylo však již píliš pozd. Vysoká teplota v jáde reaktoru vedla ke ztrát chladícího média, když se veškerá voda pemnila kompletn v páru. Nyní se ješt více projevoval kladný teplotní koeficient, který etzovou reakci dále mohutn posiloval. Navíc poté, co obsluha vydala povel k havarijnímu odstavení reaktoru okamžitým zasunutím havarijních tyí do aktivní zóny vyvstaly další dva problémy. Jednak vlivem obrovské teploty se již nkteré kanálky reaktoru zdeformovaly natolik, že do nich nešlo zasunout havarijní tye a potom ídící tye byly vysunuty nad maximální povolenou mez a jelikož tyto tye byly vybaveny na svých koncích grafitovým dílem, svým zasouváním do aktivní zóny minimáln v první ásti reakci rovnž netlumily, ale podpoily (Grafitová ást regulaních tyí sloužila pro lepší ovládání reaktoru za normálního stavu, kdy se absorbní bórová ást tye nahrazovala moderaní grafitovou a pak teprve vodou. To umožovalo pi bžném provozu zvýšení úinku zasunutí/vysunutí tye. Se stavem do kterého operátoi reaktor dostali se nepoítalo). Výkon reaktoru tak dále stoupal a bhem chvíle se dostal až na MWt (zhruba stonásobek konstrukní projektované hodnoty). Ohromné množství páry (tlak stoupal rychlostí 15 atm./s.) vytvoilo na reaktor obrovský tlak, kterému jeho konstrukce nedokázala odolat a ten explodoval. Do reaktoru vnikl vzduch, pára se dostala na rozpálený grafit a reakcí se zirkoniovým povrchem palivových lánk vznikla výbušná sms vodíku a kyslíku jejíž následná exploze rozervala budovu reaktorovny a ásten i strojovny blok. Výbuch zabil 2 pracovníky elektrárny, kteí se nacházeli v blízkosti reaktoru a dalších 26 zamstnanc a hasi zahynulo bhem likvidace havárie v prbhu 26. dubna (vtšinou na následky radianího ozáení). Další ti podlehli zranní o nkolik dní pozdji - jednalo se o pracovníky, kteí se vydali zasouvat regulaní tye do reaktoru run. Prokázaný poet obtí iní tedy 31 osob. Celkem na 750 tisíc lidí se úastnilo záchranných operací. Úmrtnost mezi nimi je menší, než je ukrajinský prmr v dané vkové kategorii. Situace bezprostedn po havárii Okamžit po havárii 4. bloku nastala v elektrárn zajímavá situace, kdy odpovdní zamstnanci odmítali uvit tomu, že reaktor je znien a mnozí pokraovali v práci jakoby se nic nedlo. Tak došlo napíklad k další trestuhodné nedbalosti, kdy sousední 3. blok, který byl ve stejném komplexu a byl výbuchem lehce poškozen byl odstaven až po pti hodinách od neštstí. V té dob již nkolik hodin bojovali hasii s požárem na steše a ve strojovn 3. bloku, nádrže havarijního chlazení tohoto bloku byly pitom poškozeny. Zbývající bloky, které mly se 4. blokem rovnž spolenou strojovnu a mohly být poškozeny byly odstaveny a zabezpeeny až po 24 hodinách od neštstí. S ohledem na pokraující únik radioaktivních látek do ovzduší byl reaktor zasypán z vrtulník olovem, bórem, jílem a pískem a pode dnem reaktoru byl narychlo vybudován tunel, zalitý dodatenou vrstvou betonu, aby se rozžhavené palivo nepropadlo do zem. Jelikož v blízkém atomovém msteku Pripjati stoupla radioaktivita proti 4

5 pirozenému pozadí o ti ády, bylo v nedli bhem tí hodin pomocí autobus evakuováno 45 tisíc obyvatel Pripjati do bezpeí. Evakuace probhla bez paniky a byla posléze rozšíena na všechny obyvatele do vzdálenosti 30 km od místa neštstí. Krom obyvatel se evakuoval i dobytek. Zmny provedené v konstrukci reaktor RBMK po ernobylské havárii Zvýšení množství havarijních tyí ze 30 na 45 na úkor palivových lánk v aktivní zón (samozejm 45 je poet u tohoto typu RBMK-1000) S tím související zmna uspoádání aktivní zóny a drobné snížení výkonu blok Zmna obohacení paliva uranem-235 z 1,8 na 2,4% (jako kompenzace za zmnu geometrie aktivní zóny) Znemožnní svévolného odpojení automatických ochranných systém reaktoru a znemožnní pekroení konstrukních omezení Modernizace poíta ídících reaktory RBMK, pedevším systém ovládajících regulaní a havarijní tye Úprava grafitového nábhu regulaních tyí (s tím související i jejich schopnost havarijního odstavení reaktoru nejpozdji do 12 vtein po vyvolání signálu namísto dosavadních sekund). Pidání dalších 80 pomocných absorbátor neutron Celkov všechny zmny pisply ke snížení kladného teplotního koeficientu reaktoru RBMK z pvodních +4,5 beta na souasných +0,7 beta. 5