ení Beton v extrémn ČVUT v Praze, Fakulta stavební katedra betonových a zděných konstrukcí

Transkript

1 Beton v extrémn mních podmínk nkách Účinky radiačního zářenz ení hazard-poison-radioactive.jpg ČVUT v Praze, Fakulta stavební katedra betonových a zděných konstrukcí

2 Úvod Fyzikáln lní podstata zářenz ení Vliv zářenz ení na vlastnosti betonu a výztuže Konstrukce vystavené účinkům m zářenz ení Návrhové přístupy pro účinky radiačního zářenz ení těžké betony Navrhování kontejnmentů Ukázky souvisejících ch staveb Černobylská havárie 2

3 Fyzikáln lní podstata zářenz ení Druhy zářenz ení: α jádra helia 4 He; z rozpadu těžt ěžkých prvků β elektrony a antineutrina (β+), resp. pozitrony a neutrina (β-)( γ fotony resp. elektromagnetické vlnění o vysoké frekvenci; doprovází α a β Neutronové záření z rozpadu některých n prvků; ; iniciují štěpnou reakci Ostatní (protonové,,...) 3

4 Fyzikáln lní podstata zářenz ení Záření je důsledkem d rozpadu jader atomů,, které tak zvyšuj ují svou energetickou stabilitu. Pronikavost a stínění [1]: Druh záření Charakteristika Pronikavost Stínění α záření Jádra He4 (tzv. α částice) Malá proletí několik cm vzduchem Pohltí se na tenké vrstvě např. kůže, látka, papír, βzáření Elektrony nebo pozitrony (tzv. β částice) Střední proletí několik m vzduchem Pohltí je např. Al plech, sklo, γzáření Elektromagnetické vlnění o vysoké energii Velká Pohltí se na těžkých prvcích např. Pb deska, Neutrony Ze štěpení rychlé, po moderaci pomalé (tepelné) Velká Vyžadují tlustostěnné vrstvy z těžkého betonu 4

5 Vliv zářenz ení na vlastnosti betonu Kamenivo zvyšuje svůj j objem vlivem mikrostrukturáln lních změn vznik mikrotrhlin Cementový kámen k ovlivněn n jen minimáln lně, objemové změny vlivem zvýšen ení teploty (pohlcení γ - záření) 5 Neutronová fluence = celkový počet neutronů na jeden centimetr čtvereční Prahová hodnota fluence = n/cm 2 [2] pro pozorovatelné zhoršen ení mechanických vlastností Snížen ení pevnosti betonu v tlaku i v tahu, snížen ení modulu pružnosti

6 Vliv zářenz ení na vlastnosti betonu Závislost tlakové pevnosti na neutronové fluenci [2] 6

7 Vliv zářenz ení na vlastnosti betonu Závislost tahové pevnosti na neutronové fluenci [2] 7

8 Vliv zářenz ení na vlastnosti betonu Závislost modulu pružnosti na neutronové fluenci [2] 8

9 Vliv zářenz ení na vlastnosti výztuže Zvýšen ení pevnosti a meze kluzu výztuže Snížen ení tažnosti (duktility) vlivem mikrostrukturáln lních změn n (vyrážen ení atomů z krystalické mřížky) Prahová hodnota fluence = n/cm 2 [2] pro pozorovatelné zhoršen ení mechanických vlastností Úroveň fluence v jaderných elektrárn rnách = i více v než n/cm 2 pro konstrukce v těsnt sné blízkosti reaktoru (biologické štíty) ty) 9

10 K. vystavené účinkům m zářenz ení Konstrukce v jaderných elektrárn rnách: Primární a sekundárn rní biologické stínění Nosné konstrukce reaktoru viz obr. [3] 10

11 K. vystavené účinkům m zářenz ení Uložen ení jaderného odpadu : Kontejnery Castor 11 Zdroj: /Castor_na_reaktor_sale.jpg

12 K. vystavené účinkům m zářenz ení Radiologická pracoviště a výzkumná zařízen zení Zdroj: /wikipedia/commons/2/2a/ Metacarpal_fractures.jpg 12 Zdroj: a.org/wikipedia/comm ons/a/a4/lat_lebka.jpg

13 Související konstrukce Sklad vyhořel elého paliva, Temelín Zdroj: gs/jaderna-bezpecnost/p jpg 13

14 Návrhové přístupy γ-záření je účinně stíněno no těžt ěžkými atomovými jádry (účinnost( roste s objemovou hmotností konstrukce) Neutronové záření je účinně stíněno no lehkými atomovými jádry j (vodík, zejména jako H 2 O) Primárn rní stínící konstrukce z: Těžkých betonů (ρ>2600 kg/m 3 ) Velmi těžt ěžkých betonů (ρ>4000 kg/m 3 ) Sekundárn rní stínící konstrukce i z obyčejn ejného betonu 14

15 Druhy těžt ěžkých betonů [4] Těžké betony dle druhu kameniva: Barytový (BaSO 4, aža 3500 kg/m 3 ) Magnetitový (Fe 3 O 4, aža 4000 kg/m 3 ) Hematitový (Fe 2 O 3, aža 3500 kg/m 3 ) Limonitový (Fe 2 O 3 +nh 2 O, beton aža 3000 kg/m 3 ) Ilmenitový (FeO.TiO 2, beton aža 3500 kg/m 3 ) Ferofosforový (směs FeP,, Fe 2 P, aža 4800 kg/m 3 ) Železo-portlandský (Fe( Fe,, aža 6000 kg/m 3 ) Uranový (ochuzený 238 U, aža 6400 kg/m 3 ) 15 Speciáln lní stínící betony: Serpentinitový (3MgO.2SiO 2.2H 2 O, 2100 kg/m 3 ) Boritový (izotop 10 B)

16 Specifika těžt ěžkých betonů Riziko segregace směsi si při p i ukládání,, opatřen ení [5]: Zkrácení doby míchm chání Co nejkratší doba dopravy Co největší množstv ství cementu Co nejnižší vodní součinitel Přidání stabilizátor torů Maximální tloušťka uložen ené vrstvy 400 mm Nesmí dojít t k rozvibrování směsi si Obrovský nárůst n ceny s objemovou hmotností 16

17 Navrhování kontejnmentů Kontejnment by měl m l být navržen tak, aby [6]: Udržení radioaktivních látek l při p i normáln lním m provozu i při p i nehodě: Základní funkční požadavek pro kontejnment jako celek je odvozen z jeho hlavní funkce: vytváří ochrannou obálku, a tudíž izoluje od okolního prostředí ty konstrukce, systémy a součásti, u kterých by selhání vedlo k nepřijatelnému úniku radionuklidů. Ochrana reaktoru proti vnější ším m událostem způsobených přírodou p nebo lidmi: Základní funkční požadavek pro kontejnment jako celek je odvozen z jeho hlavní funkce: vytváří ochrannou obálku, a tudíž izoluje od okolního prostředí ty konstrukce, systémy a součásti, u kterých by selhání vedlo k nepřijatelnému úniku radionuklidů. Radiační stínění při i normáln lním m provozu i při p i nehodě: Při normální provozu i při nehodě, konstrukce kontejnmentu přispívá k ochraně personálu elektrárny a veřejnosti před nepřiměřenými účinky radiace z radioaktivních látek, které se vyskytují uvnitř kontejnmentu a jeho systémů. Limity dávek ozáření stejně tak jako uplatnění principu tak nízko jak je rozumně dosažitelné (ALARA - as low as reasonably achievable ) by měly být zahrnuty v návrhu konstrukce. 17

18 Navrhování kontejnmentů Kritéria ria přijatelnosti p [6]: Integrita konstrukce: Úroveň 1 elastický rozsah. Bez trvalých deformací nebo poškození. Integrita zajištěna s velkou rezervou. Úroveň 2 malé trvalé deformace. Lokální trvalé deformace jsou možné. Integrita zajištěna s menší rezervou než v úrovni 1. Úroveň 3 velké trvalé deformace. Významné trvalé deformace jsou možné a také se očekává lokální poškození. Většinou se tato úroveň neuvažuje ani u projektových nehod. Nepropustnost konstrukce: Úroveň 1 nepropustná konstrukce. Prosakování z konstrukce je pod návrhovými hodnotami a závisí na vnitřním tlaku. Úroveň 2 možný omezeně zvýšený průsak. Průsak může překročit návrhové hodnoty, ale celková nepropustnost může být přiměřeně zhodnocena v návrhu. Úroveň 3 velké nebo velmi velké zvýšení průsaku. Nepropustnost nemůže být zaručena vzhledem k velkým deformacím konstrukce kontejnmentu. Integrita konstrukce může být stále zajištěna. 18

19 Navrhování kontejnmentů Kombinace zatížen ení a kritéria ria přijatelnosti p [6]: Popis zatížení Návrhový stav Testovací stav Normální provoz Normální provoz + extrémní rychlost větru SL-2 3) Vnějšítlak SL-2 + DBA DBA Náraz letadla Vnější exploze Stálé Nahodilé Předpětí Testovací tlak Testovací teplota Návrhový tlak Návrhová teplota Provozní zatížení Provozní teplota Reakce potrubí Extrémní vítr Vnější tlak Zemětřesení SL-2 DBA tlak DBA teplota DBA rekce potrubí Náraz letadla Vnější exploze Kritéria přijatelnosti pro integritu konstrukce Návrhová dovolená napětí Limitní testovací napětí I I II II II I II II Kritéria přijatelnosti pro nepropustnost konstrukce 19 Návrhová dovolená propustnost I I I II II N/A I N/A N/A

20 Navrhování kontejnmentů Průběh h tlaků a teplot při p i projektové nehodě: Zdroj: Energoprojekt Praha 20

21 Ukázky souvisejících ch staveb Model jaderné elektrárny rny Temelín Zdroj: /commons/c/cc/temelin_model.jpg 21

22 Ukázky souvisejících ch staveb Kopule kontejnmentu a polárn rní jeřáb, Temelín 22 Foto: Pavel Šimák

23 Ukázky souvisejících ch staveb Reaktorová šachta, Temelín 23 Foto: Pavel Šimák

24 Černobylská havárie [7] Časně ráno v sobotu 26. dubna roku 1986 na Ukrajině (SSSR) poblíž běloruské hranice, došlo k silnému výbuchu čtvrtého reaktoru černobylské jaderné elektrárny. K havárii došlo během testu elektrického kontrolního systému, který má umožnit dodávku elektřiny při výpadku elektrického proudu. Příčinou nestabilního stavu reaktoru před nehodou byla za prvé nízká inherentní bezpečnost reaktoru (velký pozitivní teplotní koeficient reaktivity) a za druhé chybné kroky operátorů reaktoru (vypnutí havarijního bezpečnostního systému, atd.). Toto vyústilo ve významné výchylky teploty chladiva i paliva a nakonec i v explozi páry. Následovala další exploze způsobená prudkým vypařováním paliva, která rozmetala aktivní zónu a poničila významnou část budovy reaktoru. Materiály aktivní zóny a konstrukční části byly vyvrženy až na střechu budovy a do blízkého okolí. Důsledkem toho uniklo velké množství radioaktivních částic do okolí. Odlétávající kusy taveniny způsobily desítky lokálních požárů na střeše reaktorové haly. Zasahující požární jednotky většinu těchto ohňů rychle uhasily. Asi 20 hodin po první explozi se materiál aktivní zóny zahřál natolik, že vznikající plyny začaly hořet velkým plamenem, který šlehal až 50 m nad střechu. Požár se nedařilo uhasit po několik dní. Aplikovaná opatření se skládala z házení neutronových absorbérů do vzniklého kráteru. Celkem bylo použito cca 5000 tun materiálu (40 t bórových sloučenin, 2400 t olova, 1800 t písku a jílu, 600 t vápence a dalších materiálů) během následující 6 dní. Z obav o možné zřícení konstrukce kvůli přetížení se poté přestalo. Únik radioaktivních produktů se tímto však nepodařilo zastavit. To se povedlo až po chlazení celé zóny tekutým dusíkem více než 10 dní po havárii, kdy tavenina aktivní zóny ztratila schopnost interakce s okolním materiálem. Na akutní nemoc z ozáření v nejbližších dnech zemřelo 28 zasahujících hasičů a záchranářů. Likvidace havárie trvala několik dalších let a neustálé práce zde probíhají dodnes. 24

25 Černobylská havárie Řez černobylskou elektrárnou rnou po nehodě 25 Zdroj: [8]

26 Černobylská havárie Stav elektrárny rny 9/2012 Foto: Tomáš Kuřík 26

27 Černobylská havárie Vizualizace nového ochranné obálky 27 Zdroj: [9]

28 Černobylská havárie Stavba nového ochranné obálky 9/ Foto: Tomáš Kuřík

29 Seznam použitých zdrojů : Literatura: [1] Hilsdorf, H. K.; Kropp, J.; Koch, H. J.: The Effects of Nuclear Radiation on the Mechanical Properties of Concrete. ACI [2] Klik, F.; Daliba, J.: Jaderná energetika. Vydavatelství ČVUT [3] Mirhosseini S. S.: The Effects of Nuclear Radiation on Ageing Reinforced Concrete Structures in Nuclear Power Plants. Diploma Thesis. Waterloo, Ontario, Canada, [4] Hobst, L; Jašek, J.; Vítek, L.: Těžké betony a speciální stínící betony. Betonové konstrukce 21. století betony s přidanou hodnotou. Samostatná příloha časopisu Beton TKS 6/2012, str [5] Jašek J.: Speciální betony Ochrana proti ionizujícímu záření. Beton TKS 6/2009, str [6] International Atomic Energy Agency (IAEA): Radiation Protection Aspects of Design for Nuclear Power Plants. IAEA Safety Standard Series, Safety Guide No. NS-G STI/PUB/1233. Vienna, [7] Report of the United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation to the General Assembly (UNSCEAR): Annex J: Exposures and Effects of the Chernobyl Accident. Pages New York, [8] Piluso P.: The CEA Severe Accident Program for Corium Behavior Gen 2 and 3 Reactors. Franco-Czech Seminar on Nuclear Safety. Praha, květen [9] Hogg, Ch.; Wrona, M.; Convert, P.; Nemchinov, Y.; Belicard, P.; Kulishenko, V.; Schmieman, E.; Durst, M.: Conceptual Design of the Chernobyl New Safe Confinement An Overview. Pacific Basin Nuclear Conference,

30 Beton v extrémn mních podmínk nkách Masivní konstrukce ČVUT v Praze, Fakulta stavební katedra betonových a zděných konstrukcí st/read/014r.jpg

31 Úvod Specifika masivních konstrukcí Navrhování masivních konstrukcí Vývin hydratačního ho tepla Problematika betonáže e masivních konstrukcí Ukázky souvisejících ch staveb 31

32 Specifika masivních konstrukcí Definice [1]: Masivní konstrukci můžm ůžeme definovat jako objem betonu s takovými rozměry, ry, že e je nutné navrhnout vhodná opatřen ení pro omezení vlivu nadměrn rného vývinu hydratačního ho tepla a s tím m spojenými objemovými změnami tak, aby byl minimalizován rozvoj trhlin Dva základnz kladní problémy: Vznik teplotních trhlin Ovlivnění procesu hydratace zvýšenou teplotou. 32

33 Vznik teplotních trhlin Stejně jako nárůst n pevnosti je i vývin hydratačního ho tepla nejvyšší v prvních dnech po betonáži. Obecně čím m většív je poměr r plochy a obvodu průř ůřezu, tím tm menší část generovaného tepla může e být předp edána okolnímu prostřed edí a proto dochází k zahřívání betonu. 33 Maximáln lní teploty je dosaženo uprostřed průř ůřezu pro symetrické podmínky v určit itém čase. Po určit ité době dojde k postupnému ochlazování,, protože e exotermická hydratační reakce indukuje pouze omezené množstv ství tepla.

34 Vznik teplotních trhlin Problémem je nerovnoměrn rné rozložen ení teploty po průř ůřezu, méněm ohřáté části jsou taženy více v ohřátými částmi a více v ohřáté části jsou tlačeny méně ohřátými částmi. Povrchy konstrukce jsou namáhány ny tahem, a když je překrop ekročena ena okamžit itá pevnost betonu v tahu, dochází ke vzniku teplotních trhlin. 34

35 Vznik teplotních trhlin Příklad vývoje napjatosti v betonové stěně numerický výpočet; (vlevo: časový vývoj, vpravo: profily napjatosti) Zdroj: [2] 35

36 Vznik teplotních trhlin Nutnost znát časový vývoj tahové pevnosti a modulu pružnosti. Nepříznivý je rychlejší nárůst modulu pružnosti, neboť velikosti napětí jsou mu přímo p úměrné Zdroj: [3] 36

37 Vývin hydratačního ho tepla Celkové množstv ství uvolněného tepla na jednotku objemu betonu závisz visí na: druhu a množstv ství cementu, jemnosti mletí cementu, aktivaci cementu, množství jemných příměsí. p 37

38 Vývin hydratačního ho tepla Vývoj teplot při p i hydrataci, model dle [4] Zdroj: vlastní MKP řešič 38

39 Vývin hydratačního ho tepla Výrazný vliv rozměrů konstrukce ve směru možného úniku tepla. Porovnání vývoje teplot pro různr zné velikosti prismatických průř ůřezů: Zdroj: [3] 39

40 Ovlivnění hydratačních reakcí Druhý závaz važný problém m je změna hydratačních reakcí při zvýšen ené teplotě betonu. Při P i teplotách nad 71 C C můžm ůže v některých betonech docházet ke vzniku nestabilních hydratačních produktů,, jde o tzv. zpožděné formování ettringitu (DEF Delayed Ettringit Formation) ) [1] Po měsících m ch či i rocích ch se nestabilní produkty přemp eměňují za expanzi objemu a tudíž mohou způsobit významný vznik trhlin. Toto se netýká betonů s určitou chemickou odolností (např.. betony s vyšší šším m obsahem popílku a strusky) a betonů,, které nejsou ve styku s vodou. 40

41 Navrhování masivních konstrukcí Při i návrhu n masivní konstrukce je nutné stanovit maximáln lní teplotu a maximáln lní diferenci teploty. Splnit takové požadavky vyžaduje kontrolovaný teplotní návrh konstrukce, toto zahrnuje tyto aspekty: optimální návrh betonové směsi, si, izolace, chlazení betonové směsi si před p uložen ením, chlazení betonové směsi si po uložen ení, použití menší ších záběrů. z 41

42 Navrhování masivních konstrukcí Vývoj teplot od hydratace v betonovém m průř ůřezu 42 Zdroj: [1]

43 Technologie betonáže e masivních k. k Optimáln lní návrh betonové směsi si je nejjednodušší šším způsobem teplotní kontroly. Obecné zásady jsou tyto: použití cementů s nízkým vývinem hydratačního ho tepla, použití cementů s vyšší šším m obsahem popílk lků a strusky (mají pomalejší vývin hydratačního ho tepla, a tudíž pomalejší nárůst pevností,, zato dosahují vyšší šších dlouhodobých pevností), co nejnižší vodní součinitel, co nejmenší množstv ství cementových částic (tak, aby bylo dosaženo požadovan adované pevnosti při p i daném m stáří), větší zrna kameniva a co nejvhodnější křivka zrnitosti (pro snížen ení nutného množstv ství cementu), žulové,, vápencovv pencové nebo čedičové kamenivo (pro omezení rozvoje teplotních trhlin). 43

44 Technologie betonáže e masivních k. k Byť se můžm ůže e použit ití tepelné izolace zdát kontraproduktivní,, někdy n je vhodné toto opatřen ení použít pro snížen ení teplotní diference. Nejčast astěji se používaj vají izolační přikrývky. Tyto je možné dočasn asně odstranit pro pokračov ování prací,, tak aby nebyl překrop ekročen en maximáln lní teplotní diference. Předchlazení betonové směsi si před p uložen ením m je možné dosáhnout několika n způsoby, které je možné kombinovat. Ochlazením m záměsovz sové vody můžm ůžeme ochladit směs s aža o 3 C. 3 Nahrazením m aža 75% záměsovz sové vody nadrceným ledem je možné ochladit směs s aža o 11 C. Pokud je požadov adováno extrémn mní předchlazení,, je možné použít t tekutý dusík, který dokáže e snížit teplotu směsi si aža o 20 C C [1]. 44

45 Technologie betonáže e masivních k. k Chlazení betonu po uložen ení vyžaduje použit ití speciáln lních opatřen ení,, např.. zabetonování trubkových kanálů do betonu, kudy bude proudit chladící voda. Toto opatřen ení je velmi drahé a užíváu se pouze u velmi masivních konstrukcí,, jako jsou např.. přehrady. p Nevhodným opatřen ením m je ošeto etřování povrchu betonu chladnou vodou, neboť se ochlazuje pouze povrch konstrukce. Betonováním m masivní konstrukce po menší ších vrstvách může e být dosaženo snížen ení teplotních extrémů na přijatelné hodnoty. Nevýhodou tohoto postupu je značné prodloužen ení doby betonáže. e. 45

46 Ukázky souvisej zky souvisejících ch staveb Hooverova přehrada ( ) 1935) Zdroj: dia/commons/thumb/3/34/hoover_ dam.jpg/1280px-hoover_dam.jpg 46

47 Ukázky souvisejících ch staveb EPR jaderná elektrárna, rna, řez Zdroj: [5] 47

48 Ukázky souvisejících ch staveb EPR jaderná elektrárna, rna, půdorysp 48 Zdroj: [5]

49 Ukázky souvisejících ch staveb Základová deska ITER, Cadarache,, Francie 49 Zdroj:

50 Ukázky souvisejících ch staveb Pobřežní dělové opevnění,, Normandie, Francie 50 Zdroj:

51 51

52 Seznam použitých zdrojů : Literatura: [1] Gajda, J.; Alsamsam, E.: Engineering Mass Concrete Structures. Portland Cement Association. November, [2] Bažant, Z. P.; Kim, J.; Jeon, S.: Cohesive Fracturing and Stresses Caused by Hydration Heat in Massive Concrete Wall. Journal of Engineering Mechanics, [3] RILEM Technical Committee TC 181-EAS: Early-Age Cracking in Cementious Systems. Final Report, [4] Schindler, A. K.; Folliard, K. J.: Heat of Hydration Model for Cementious Materials. ACI Materials Journal, [5] AREVA: Brochure EPR US. Framatome ANP,

53 Připomínky a návrhy n k prezentaci zasílejte prosím m na radek.stefan@fsv.cvut.cz Materiál l slouží pouze pro studijní a výukové účely v rámcir předmětů vyučovaných na Fakultě stavební ČVUT v Praze! Materiál l vznikl za podpory z Fondu rozvoje vysokých škol v rámci r projektu 1283/2013/B1/b Tvorba předmp edmětu Betonové konstrukce v extrémn mních návrhových n situacích. Marek Vinkler