Beton v extrémních podmínkách http://jorgensoncompanies.com/blog/wpcontent/uploads/2013/12/ hazard-poison-radioactive.jpg
Účinky radiačního záření
ČVUT v Praze, Fakulta stavební katedra betonových a zděných konstrukcí
Úvod • Fyzikální podstata záření • Vliv záření na vlastnosti betonu a výztuže • Konstrukce vystavené účinkům záření • Návrhové přístupy pro účinky radiačního záření – těžké betony • Navrhování kontejnmentů • Ukázky souvisejících staveb • Černobylská havárie 2
Fyzikální podstata záření Druhy záření: α – jádra helia 4He; z rozpadu těžkých 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 prvků; iniciují štěpnou reakci Ostatní (protonové, ...)
3
Fyzikální podstata záření Záření je důsledkem rozpadu jader atomů, které tak zvyšují svou energetickou stabilitu. Pronikavost a stínění [1]: Druh záření
4
Charakteristika
Pronikavost
Stínění
α záření
Jádra He4 (tzv. α částice)
Malá – proletí několik cm vzduchem
Pohltí se na tenké vrstvě např. kůže, látka, papír,…
β záření
Elektrony nebo pozitrony (tzv. β částice)
Střední – proletí několik m vzduchem
Pohltí je např. Al plech, sklo,…
γ záření
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
Vliv záření na vlastnosti betonu Kamenivo zvyšuje svůj objem vlivem mikrostrukturálních změn – vznik mikrotrhlin Cementový kámen ovlivněn jen minimálně, objemové změny vlivem zvýšení teploty (pohlcení γ - záření) Neutronová fluence = celkový počet neutronů na jeden centimetr čtvereční Prahová hodnota fluence = 1019 n/cm2 [2] pro pozorovatelné zhoršení mechanických vlastností Snížení pevnosti betonu v tlaku i v tahu, snížení modulu pružnosti 5
Vliv záření na vlastnosti betonu Závislost tlakové pevnosti na neutronové fluenci [2]
6
Vliv záření na vlastnosti betonu Závislost tahové pevnosti na neutronové fluenci [2]
7
Vliv záření na vlastnosti betonu Závislost modulu pružnosti na neutronové fluenci [2]
8
Vliv záření na vlastnosti výztuže Zvýšení pevnosti a meze kluzu výztuže Snížení tažnosti (duktility) vlivem mikrostrukturálních změn (vyrážení atomů z krystalické mřížky) Prahová hodnota fluence = 1018 n/cm2 [2] pro pozorovatelné zhoršení mechanických vlastností Úroveň fluence v jaderných elektrárnách = i více než 5.1019 n/cm2 pro konstrukce v těsné blízkosti reaktoru (biologické štíty)
9
K. vystavené účinkům záření Konstrukce v jaderných elektrárnách: Primární a sekundární biologické stínění Nosné konstrukce reaktoru viz obr. [3]
10
K. vystavené účinkům záření Uložení jaderného „odpadu“: Kontejnery Castor
11
Zdroj: http://3pol.cz/img/pic/0/2011/06 /Castor_na_reaktor_sale.jpg
K. vystavené účinkům záření Radiologická pracoviště a výzkumná zařízení
Zdroj: http://upload.wikimedia.org /wikipedia/commons/2/2a/ Metacarpal_fractures.jpg
12
Zdroj: http://upload.wikimedi a.org/wikipedia/comm ons/a/a4/Lat_lebka.jpg
Související konstrukce Sklad vyhořelého paliva, Temelín
13
Zdroj: http://www.sujb.cz/fileadmin/sujb/im gs/jaderna-bezpecnost/P1010419.jpg
Návrhové přístupy γ-záření je účinně stíněno těžkými atomovými jádry (účinnost roste s objemovou hmotností konstrukce) Neutronové záření je účinně stíněno lehkými atomovými jádry (vodík, zejména jako H2O) Primární stínící konstrukce z: Těžkých betonů (ρ>2600 kg/m3) Velmi těžkých betonů (ρ>4000 kg/m3) Sekundární stínící konstrukce i z obyčejného betonu
14
Druhy těžkých betonů [4] Těžké betony dle druhu kameniva: Barytový (BaSO4, až 3500 kg/m3) Magnetitový (Fe3O4, až 4000 kg/m3) Hematitový (Fe2O3, až 3500 kg/m3) Limonitový (Fe2O3+nH2O, beton až 3000 kg/m3) Ilmenitový (FeO.TiO2, beton až 3500 kg/m3) Ferofosforový (směs FeP, Fe2P, až 4800 kg/m3) Železo-portlandský (Fe, až 6000 kg/m3) Uranový (ochuzený 238U, až 6400 kg/m3) Speciální stínící betony: Serpentinitový (3MgO.2SiO2.2H2O, 2100 kg/m3) Boritový (izotop 10B) 15
Specifika těžkých betonů Riziko segregace směsi při ukládání, opatření [5]: Zkrácení doby míchání Co nejkratší doba dopravy Co největší množství cementu Co nejnižší vodní součinitel Přidání stabilizátorů Maximální tloušťka uložené vrstvy 400 mm Nesmí dojít k rozvibrování směsi Obrovský nárůst ceny s objemovou hmotností
16
Navrhování kontejnmentů Kontejnment by měl být navržen tak, aby [6]: Udržení radioaktivních látek při normálním provozu i při 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 vnějším událostem způsobených přírodou 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 normálním provozu i při 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
Navrhování kontejnmentů Kritéria přijatelnosti [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
Navrhování kontejnmentů Kombinace zatížení a kritéria přijatelnosti [6]: Popis zatížení
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
Kritéria přijatelnosti pro nepropustnost konstrukce
19
Návrhový stav
Testovací stav
Normální provoz
Normální provoz + extrémní rychlost větru
× × ×
× × × × ×
× × ×
× × ×
× × ×
× × ×
× × ×
× × × ×
× × ×
× × ×
SL-23)
Vnější tlak
SL-2 + DBA
DBA
Náraz letadla
Vnější exploze
× × ×
× × ×
× × ×
× × ×
× × ×
× × ×
× ×
× ×
×
× × ×
× ×
×
× × ×
Návrhová dovolená napětí
Limitní testovací napětí
I
I
II
II
II
I
II
II
Návrhová dovolená propustnost
I
I
I
II
II
N/A
I
N/A
N/A
Navrhování kontejnmentů Průběh tlaků a teplot při projektové nehodě:
Zdroj: Energoprojekt Praha
20
Ukázky souvisejících staveb Model jaderné elektrárny Temelín
21
Zdroj: http://upload.wikimedia.org/wikipedia /commons/c/cc/Temelin_model.jpg
Ukázky souvisejících staveb Kopule kontejnmentu a polární jeřáb, Temelín
22
Foto: Pavel Šimák
Ukázky souvisejících staveb Reaktorová šachta, Temelín
23
Foto: Pavel Šimák
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
Černobylská havárie Řez černobylskou elektrárnou po nehodě
25
Zdroj: [8]
Černobylská havárie Stav elektrárny 9/2012
26
Foto: Tomáš Kuřík
Černobylská havárie Vizualizace nového ochranné obálky
27
Zdroj: [9]
Černobylská havárie Stavba nového ochranné obálky 9/2012
28
Foto: Tomáš Kuřík
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. 1978. [2] Klik, F.; Daliba, J.: Jaderná energetika. Vydavatelství ČVUT. 2002. [3] Mirhosseini S. S.: The Effects of Nuclear Radiation on Ageing Reinforced Concrete Structures in Nuclear Power Plants. Diploma Thesis. Waterloo, Ontario, Canada, 2010. [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. 134-140. [5] Jašek J.: Speciální betony – Ochrana proti ionizujícímu záření. Beton TKS 6/2009, str. 4447. [6] International Atomic Energy Agency (IAEA): Radiation Protection Aspects of Design for Nuclear Power Plants. IAEA Safety Standard Series, Safety Guide No. NS-G-1.13. STI/PUB/1233. Vienna, 2005. [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 451-566. New York, 2000. [8] Piluso P.: The CEA Severe Accident Program for Corium Behavior – Gen 2 and 3 Reactors. Franco-Czech Seminar on Nuclear Safety. Praha, květen 2012. [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, 2004.
29
Beton v extrémních podmínkách
http://www.ecommcode.com/hoover/hooveronline/hoover_dam/con st/read/014r.jpg
Masivní konstrukce
ČVUT v Praze, Fakulta stavební katedra betonových a zděných konstrukcí
Úvod Specifika masivních konstrukcí Navrhování masivních konstrukcí Vývin hydratačního tepla Problematika betonáže masivních konstrukcí • Ukázky souvisejících staveb • • • •
31
Specifika masivních konstrukcí Definice [1]: Masivní konstrukci můžeme definovat jako objem betonu s takovými rozměry, že je nutné navrhnout vhodná opatření pro omezení vlivu nadměrného vývinu hydratačního tepla a s tím spojenými objemovými změnami tak, aby byl minimalizován rozvoj trhlin Dva základní problémy: Vznik teplotních trhlin Ovlivnění procesu hydratace zvýšenou teplotou.
32
Vznik teplotních trhlin Stejně jako nárůst pevnosti je i vývin hydratačního tepla nejvyšší v prvních dnech po betonáži. Obecně čím větší je poměr plochy a obvodu průřezu, tím menší část generovaného tepla může být předána okolnímu prostředí a proto dochází k zahřívání betonu.
33
Maximální teploty je dosaženo uprostřed průřezu pro symetrické podmínky v určitém čase. Po určité době dojde k postupnému ochlazování, protože exotermická hydratační reakce indukuje pouze omezené množství tepla.
Vznik teplotních trhlin Problémem je nerovnoměrné rozložení teploty po průřezu, méně ohřáté části jsou taženy více ohřátými částmi a více ohřáté části jsou tlačeny méně ohřátými částmi. Povrchy konstrukce jsou namáhány tahem, a když je překročena okamžitá pevnost betonu v tahu, dochází ke vzniku teplotních trhlin.
34
Vznik teplotních trhlin Příklad vývoje napjatosti v betonové stěně – numerický výpočet; (vlevo: časový vývoj, vpravo: profily napjatosti) Zdroj: [2]
35
Vznik teplotních trhlin Nutnost znát časový vývoj tahové pevnosti a modulu pružnosti. Nepříznivý je rychlejší nárůst modulu pružnosti, neboť velikosti napětí jsou mu přímo úměrné Zdroj: [3]
36
Vývin hydratačního tepla Celkové množství uvolněného tepla na jednotku objemu betonu závisí na: druhu a množství cementu, jemnosti mletí cementu, aktivaci cementu, množství jemných příměsí.
37
Vývin hydratačního tepla Vývoj teplot při hydrataci, model dle [4] Zdroj: vlastní MKP řešič
38
Vývin hydratačního tepla Výrazný vliv rozměrů konstrukce ve směru možného úniku tepla. Porovnání vývoje teplot pro různé velikosti prismatických průřezů: Zdroj: [3]
39
Ovlivnění hydratačních reakcí Druhý závažný problém je změna hydratačních reakcí při zvýšené teplotě betonu. Při teplotách nad 71°C může v některých betonech docházet ke vzniku nestabilních hydratačních produktů, jde o tzv. zpožděné formování ettringitu (DEF – Delayed Ettringit Formation) [1] Po měsících či rocích se nestabilní produkty přeměňují za expanzi objemu a tudíž mohou způsobit významný vznik trhlin. Toto se netýká betonů s určitou chemickou odolností (např. betony s vyšším obsahem popílku a strusky) a betonů, které nejsou ve styku s vodou.
40
Navrhování masivních konstrukcí Při návrhu masivní konstrukce je nutné stanovit maximální teplotu a maximální diferenci teploty. Splnit takové požadavky vyžaduje kontrolovaný teplotní návrh konstrukce, toto zahrnuje tyto aspekty: optimální návrh betonové směsi, izolace, chlazení betonové směsi před uložením, chlazení betonové směsi po uložení, použití menších záběrů.
41
Navrhování masivních konstrukcí Vývoj teplot od hydratace v betonovém průřezu
Zdroj: [1] 42
Technologie betonáže masivních k. Optimální návrh betonové směsi je nejjednodušším způsobem teplotní kontroly. Obecné zásady jsou tyto: použití cementů s nízkým vývinem hydratačního tepla, použití cementů s vyšším obsahem popílků a strusky (mají pomalejší vývin hydratačního tepla, a tudíž pomalejší nárůst pevností, zato dosahují vyšších dlouhodobých pevností), co nejnižší vodní součinitel, co nejmenší množství cementových částic (tak, aby bylo dosaženo požadované pevnosti při daném stáří), větší zrna kameniva a co nejvhodnější křivka zrnitosti (pro snížení nutného množství cementu), žulové, vápencové nebo čedičové kamenivo (pro omezení rozvoje teplotních trhlin).
43
Technologie betonáže masivních k. Byť se může použití tepelné izolace zdát kontraproduktivní, někdy je vhodné toto opatření použít pro snížení teplotní diference. Nejčastěji se používají izolační přikrývky. Tyto je možné dočasně odstranit pro pokračování prací, tak aby nebyl překročen maximální teplotní diference. Předchlazení betonové směsi před uložením je možné dosáhnout několika způsoby, které je možné kombinovat. Ochlazením záměsové vody můžeme ochladit směs až o 3°C. Nahrazením až 75% záměsové vody nadrceným ledem je možné ochladit směs až o 11°C. Pokud je požadováno extrémní předchlazení, je možné použít tekutý dusík, který dokáže snížit teplotu směsi až o 20°C [1]. 44
Technologie betonáže masivních k. Chlazení betonu po uložení vyžaduje použití speciálních opatření, např. zabetonování trubkových kanálů do betonu, kudy bude proudit chladící voda. Toto opatření je velmi drahé a užívá se pouze u velmi masivních konstrukcí, jako jsou např. přehrady. Nevhodným opatřením je ošetřování povrchu betonu chladnou vodou, neboť se ochlazuje pouze povrch konstrukce. Betonováním masivní konstrukce po menších vrstvách může být dosaženo snížení teplotních extrémů na přijatelné hodnoty. Nevýhodou tohoto postupu je značné prodloužení doby betonáže.
45
Ukázky souvisejících staveb Hooverova přehrada (1933-1935)
46
Zdroj: http://upload.wikimedia.org/wikipe dia/commons/thumb/3/34/Hoover_ dam.jpg/1280px-Hoover_dam.jpg
Ukázky souvisejících staveb EPR jaderná elektrárna, řez
47
Zdroj: [5]
Ukázky souvisejících staveb EPR jaderná elektrárna, půdorys
48
Zdroj: [5]
Ukázky souvisejících staveb Základová deska ITER, Cadarache, Francie
49
Zdroj: http://media.wbur.org/wordpress/11/files/2013/08/0822_nuclear-fusion.jpg
Ukázky souvisejících staveb Pobřežní dělové opevnění, Normandie, Francie
50
Zdroj: http://farm6.staticflickr.com/5074/5904078253_eefa23c840_o.jpg
51
Seznam použitých zdrojů : Literatura: [1] Gajda, J.; Alsamsam, E.: Engineering Mass Concrete Structures. Portland Cement Association. November, 2006. [2] Bažant, Z. P.; Kim, J.; Jeon, S.: Cohesive Fracturing and Stresses Caused by Hydration Heat in Massive Concrete Wall. Journal of Engineering Mechanics, 2003. [3] RILEM Technical Committee TC 181-EAS: Early-Age Cracking in Cementious Systems. Final Report, 2002. [4] Schindler, A. K.; Folliard, K. J.: Heat of Hydration Model for Cementious Materials. ACI Materials Journal, 2005. [5] AREVA: Brochure EPR US. Framatome ANP, 2005. http://www.arevanp.com/common/liblocal/docs/Brochure/EPR_US_%20May%202005.pdf
52
Připomínky a návrhy k prezentaci zasílejte prosím na
[email protected] Materiál slouží pouze pro studijní a výukové účely v rámci předmětů vyučovaných na Fakultě stavební ČVUT v Praze!
Materiál vznikl za podpory z Fondu rozvoje vysokých škol v rámci projektu 1283/2013/B1/b Tvorba předmětu Betonové konstrukce v extrémních návrhových situacích.
© Marek Vinkler 2013 53
