Jaderné systémy I (JS1) & Jaderné reaktory a parogenerátory (JR) Pavel Zácha G3-126
Bezpečnostní systémy Pochopení problematiky K čemu slouží? •
snižují následky havárie – brání úniku radioaktivního materiálu
Jaké jsou primární příčiny vzniku havárie? • • •
havárie s poruchou reaktivity (Černobyl) havárie s poruchou chlazení (TMI-2) havárie spojená s náhlým uvolněním tzv. Wignerovy energie (Windscale)
Objektivní příčina chlazení AZ po odstavení reaktoru •
zbytkový výkon reaktoru – nutno chladit reaktor i po odstavení
Na velikosti záleží •
abychom pochopili, jak a kdy bezpečnostní systémy fungují, je nutno znát celou filozofii zajištění jaderné bezpečnosti – Hloubková ochrana
Bezpečnostní systémy Hloubková ochrana -
má několik stupňů...
I. stupeň - prevence havárií zahrnuje rychlé automatické preventivní zastavení štěpné řetězové reakce v důsledku nepřípustného odklonu provozních parametrů (výkon, rychlost růstu výkonu, tlaky...)
II. stupeň - ochrana AZ •
ochrana před celým spektrem předpokládaných havárií až do tzv. maximální projektové havárie
III. stupeň - ochrana životního prostředí • •
v případě, že dojde k poškození AZ zajišťuje se uložením I.O. do hermetických prostor, jejichž úkolem je zabránit úniku uvolněných radioaktivních produktů do životního prostředí
IV. (V.) stupeň – snížení následků havárií • • •
havárie spojené s tavením AZ dlouhodobé zajišťování ochrany kontejnmentu (ventilace, likvidace vodíku, apod.) řízení činnosti při havárii
Bezpečnostní systémy I. stupeň ochrany - prevence havárií 1. Hluboká znalost probíhajících procesů a vypracování projektu, který je s nimi v souladu • • • • • • •
teoretický a experimentální výzkum matematické modelování přechodových procesů zajištění dostatečných provozních rezerv (konzervativnost projektu) využití objektivních procesů pro zajištění inherentní bezpečnosti pravděpodobnostní hodnocení bezpečnosti (PSA) postupný vývoj od prototypu ke komerční jednotce přenos zkušeností (feedback) z provozovaných zařízení, atd.
2. Soustavná informovanost o probíhajících procesech •
•
tj. kontrola měření za provozu -> automatické řízení provozu – nedílnou součástí je havarijní/preventivní odstavení reaktoru (HO) při nepřípustných odklonech parametrů od nastavených hodnot vyšší stupeň – diagnostika provozu a expertní systémy (řešení není automatické, uzavírá se přes mozek operátora), využívá se především šumová analýza
Bezpečnostní systémy I. stupeň ochrany - prevence havárií 3. Vysoká kvalita a spolehlivost systémů a komponent • • • • • •
odpovídá požadavkům projektu během celého provozního života rozsáhlé kontroly kvality během výroby a montáže periodické kontroly kvality během provozního života zmapování a sledování rozvoje vad určování zbytkové životnosti vyšší stupeň – nepřetržitá kontrola kvality materiálu (akustická emise)
4. Násobnost důležitých systémů a komponent • • •
jedná se zejména o elektronické systémy požadavky nezávislosti a fyzické separace násobných systémů vyloučení vad se společnou příčinou (různá koncepce, různí dodavatelé,...)
5. Lidský činitel • • • •
vysoké nároky na odborné a psychické předpoklady státní opakované zkoušky/licence operátorů, vedoucích bloku (VRB) a směnových inženýrů (SI) optimální interakce člověk-stroj při řešení blokové dozorny vytvoření klimatu pro jadernou bezpečnost (safety culture)
6. Nezávislý státní dozor nad jadernou bezpečností •
SÚJB (zákon)
Bezpečnostní systémy I. stupeň ochrany - prevence havárií Havarijní ochrana (HO) – VVER 440 Příklady nejdůležitějších havarijních signálů vedoucích k havarijnímu/preventivnímu odstavení č.
havarijní signál
jednotka
hodnota
1.
stoupnutí štěpného výkonu nad nastavenou hodnotu – N
MW
2.
pokles periody reaktoru pod nastavenou hodnotu – T
s
3.
změna tlaku chladiva v I.O. mimo povolené hodnoty
MPa
4.
stoupnutí teploty chladiva v horké smyčce
°C
> 310
5.
pokles hladiny vody v KO
m
< 3,26
6.
stoupnutí tlaku v hermetických boxech
MPa
> 0,108
7.
stav provozuschopnosti HCČ
>110% (HO-1)
>105% (HO-2)
<10s (HO-1)
<20s (HO-2)
< 10,5
> 13,5
min. 4 v provozu
Rychlost havarijního odstavení se řídí závažností a velikostí příslušného hav. signálu: HO-1 až HO-4 HO-1
všechny kazety najednou rychlostí 20-30cm/s
HO-2
jednotlivé skupiny kazet (6) postupně rychlostí 20-30cm/s
HO-3
jednotlivé skupiny kazet (6) postupně rychlostí 2cm/s
HO-4
zablokován pohyb kazet směrem nahoru
Bezpečnostní systémy I. stupeň ochrany - prevence havárií Havarijní ochrana (HO) – VVER 440 Příklady nejdůležitějších havarijních signálů vedoucích k havarijnímu/preventivnímu odstavení č.
havarijní signál
jednotka
8.
stoupnutí tlakového spádu na AZ
MPa
0,368
9.
pokles hladiny vody v PG pod nominální úroveň
mm
> 400
MPa/s
> 0,05
10. rychlost poklesu tlaku v hlavním parovodu
hodnota
11. uzavření rychlouzávěru poslední pracující turbíny 12. ztráta kontroly polohy řídících kazet 13. úplná ztráta vlastní elektrické spotřeby 14. stisknutí tlačítka na pultě v blokové dozorně
signály 1 a 2 ... od neutronových příčin (úroveň a rychlost rozvoje štěpné řetězové reakce) signály 3 až 13 ... od technologických příčin
Bezpečnostní systémy II. stupeň ochrany – ochrana aktivní zóny - zajišťuje odvod zbytkového tepla z AZ a z I.O. (po zásahu HO) při různých havarijních stavech, kterými jsou: 1. vypadnutí HCČ - doběh a následná přirozená cirkulace v I.O. 2. při netěsnostech I.O. - zajišťuje se systémem havarijního chlazení aktivní zóny (HCHAZ) – aktivní ochrana - pro velké LOCA má HCHAZ aktivní (čerpadla) i pasivní část (hydroakumulátory) 3. při vypadnutí napáječek PG - zajišťuje se systémem havarijního napájení PG (HNPG) – aktivní ochrana 4. při netěsnostech na II.O. - zajišťuje se systémem superhavarijního napájení PG (SHNPG) – aktivní ochrana 5. při úplné ztrátě vlastní spotřeby jaderné elektrárny - zajišťuje se systémem havarijního elektrického napájení (HEN) – aktivní ochrana - dieselgenerátorová stanice, startuje automaticky po úplném vypadnutí vlastní spotřeby - slouží pro HCHAZ, HNPG, SHNPG a další důležité systémy JE
Bezpečnostní systémy II. stupeň ochrany – ochrana aktivní zóny využití objektivních procesů pro zajištění inherentní bezpečnosti - vztlak při přirozené cirkulaci ∆
p
h
=
vz
=
h .(ρ
H + + h h 2 1
2
1
−
ρ )g 2
Bezpečnostní systémy Vlastní spotřeba JE -
vlastní spotřeba jaderné elektrárny je zajišťována:
1. z vlastních zdrojů •
transformátor, (dříve též možný generátor vlastní spotřeby) – zajišťuje vlastní spotřebu během provozu
2. z vnějších zdrojů •
zpravidla ze dvou nezávislých elektrických sítí – zajišťuje vlastní spotřebu odstavené elektrárny (nutný odvod zbytkového tepla z I.O., tj. dochlazování reaktoru)
3. z havarijního elektrického napájení •
dieselgenerátorová stanice, která automaticky a rychle během cca desítek sekund startuje při úplné ztrátě vlastní spotřeby ze zdrojů 1 a 2
4. z akumulátorové baterie •
působí okamžitě (bez přerušení napájení) při vypadnutí vlastní spotřeby ze zdrojů 1 a 2
kategorie napájení: • • •
zajištěné napájení 1. kategorie - spotřebiče napojené na 1 a 2 (HCČ, napaječky, apod.) zajištěné napájení 2. kategorie - spotřebiče napojené na 1, 2 a 3 (systémy aktivních ochran AZ, systémy III. stupně ochrany, některé další z hlediska bezpečnosti důležité systémy JE) zajištěné napájení 3. kategorie - spotřebiče napojené na 1, 2, 3 a 4 (důležité obvody automatického systému kontroly a řízení, PC apod.)
Bezpečnostní systémy III. stupeň ochrany – ochrana okolí -
zabezpečuje ochranu okolí při jednorázovém havarijním úniku radioaktivních látek z technologických systémů do prostorů bloku JE z tohoto důvodu se technologické systémy obsahující radioaktivní látky ukládají do hermetického prostoru (tzv. hermetická obálka). Zároveň jsou zařízení bloku chráněna před vnějšími vlivy (pády letadel, výbuchy, extrémní počasí apod.)
Druhy hermetických prostor:
1. podle rozsahu: a) částečný – hermetický prostor je vytvořen soustavou hermetických kobek , ve kterých jsou uloženy I.O. a ostatní pomocné okruhy a systémy obsahující radioaktivní látky (např. VVER440) b) úplný – celý hlavní výrobní blok (HVB) je hermetický – tzv. kontejnment (např. VVER-1000)
2. podle tlaku (dimenzování hermetických prostor podle max. tlaku páry vznikající po havárii) a) plnotlaký • dimenzováno na plný tlak, který se v herm. prostoru nastaví po havárii (cca 0,5 MPa) • pouze v případě kontejnmentu • jedná se o pasívní ochranu b) s potlačením tlaku • tlak po havárii se uměle snižuje především kondenzací uvolněné páry, k čemuž mohou sloužit sprchy; barbotážní kondenzace; ledový kondenzátor apod. (0,15-0,25 MPa) • vždy v případě hermetických kobek, někdy v případě kontejnmentu
Bezpečnostní systémy III. stupeň ochrany – ochrana okolí 3. podle konstrukčního provedení a) jednoduchý - jedna stěna zpravidla z předpjatého betonu, uvnitř ocelová vystýlka - hermetické kobky i kontejnment b) dvojitý - vnitřní stěna nesoucí přetlak je zpravidla ocelová, vnější stěna je betonová a meziprostor je odsáván přes filtry - pouze v případě kontejnmentu - menší únik radioaktivních látek z kontejnmentu - vyšší stupeň ochrany před vnějšími vlivy
Bezpečnostní systémy Hermetické prostory Řízené vypouštění nízkoaktivního chladiva •
koncepce vychází ze skutečnosti, že prvotní tlaková vlna v důsledku poruchy I.O. není provázena uvolněním velké radioaktivity ze štěpných produktů
•
vychází ze sovětského řešení reaktorové budovy s oddělenými tlakovými betonovými kobkami, starší VVER-440 princip systému: • • • • •
•
při úplném roztržení primárního potrubí vyteče většina chladiva za cca 10s tlak v kobkách rychle stoupá při mezním tlaku se otevřou vypouštěcí ventily ve vypouštěcí kobce – porušení hermetičnosti to je již aktivita páry malá a vypouští se do atmosféry současně se otevírají ventily na vodním potrubí ke kondenzačnímu chladiči a voda z hav. zásobníku vstupuje do chladiče – veškerá vstupující pára kondenzuje – rychle klesá tlak – zavřou se vypouštěcí ventily – obnovení hermetičnosti atmosférický tlak dosažen až cca po 5h (umožňuje únik netěsnostmi) – již řádově nižší radioaktivita, nutné zajistit zejména I131
Bezpečnostní systémy Hermetické prostory Barbotážní věž •
vypouštění nízkoaktivního chladiva přes pojistné ventily do okolí nahrazeno barbotážním systémem
•
směs vody, páry a vzduchu uvolňované v boxu při roztržení potrubí je vedena přes vodní kondenzátor, kde pára zkondenzuje •
vzduch a nezkondenzovaná pára jsou vytlačovány přes zpětné (pojistné) ventily do uzavřených prostor
•
po kondenzaci se vytvoří podtlak (cca za 20 min po LOCA)
Bezpečnostní systémy Hermetické prostory Ledový kondenzátor JE Loviisa-1 •
velmi výkonný systém nouzového chlazení reaktoru
•
zahrnuje aktivní podsystémy vysokotlakého a nízkotlakého vstřikování a pasívní hydroakumulátory
•
dvojitá ochranná obálka s ledovým kondenzátorem (přetlak max. 0,16 MPa)
•
ledový kondenzátor: -
recirkulace vody vyteklé z I.O. + vzniklé táním ledu pomocí nízkotlakých čerpadel přes výměníky tepla
Bezpečnostní systémy Hermetické prostory Kontejnment •
jednoduchý x dvojitý
•
předpjatý beton, tenká ocelová vystýlka, (meziprostor s odsáváním)
•
ochrana před vnějšími vlivy
Bezpečnostní systémy Základní projektové havárie -
součástí koncepce každého jaderného bloku je tzv. základní projektová havárie, na kterou jsou bezpečnostní systémy dimenzovány
Bezpečnostní systémy Koncepce zajištění jaderné bezpečnosti 1. Vyprojektovat blok tak, aby měl vrozenou / inherentní bezpečnost i při poruchách záporný výkonový koeficient reaktivity
•
-
mají všechny reaktory s výjimkou RBMK při určitých režimech
objektivní odstavení reaktoru při ztrátě chladiva
•
-
mají všechny reaktory kromě RBMK při určitých režimech
odvod zbytkového výkonu z AZ přirozenou cirkulací chladiva odvod zbytkového výkonu z AZ vysáláním
• •
-
funguje i při ztrátě chladiva u provozovaných bloků zatím neuplatněno (vývoj, např. HTMR, PRISM-Power Reactor Inherent Modul)
2. Vybavit blok speciálními ochrannými systémy, které zasahují v případě poruch a zajišťují integritu AZ i při poruchách (SAOR – systém automatické ochrany reaktoru) a) pasivní systémy – nevyžadují pro svou funkci pohon (tj. el. energii) -
pád řídících tyčí pro rychlé odstavení reaktoru vlastní vahou (na základě gravitace) výtok vody z nádrže pro zaplavení AZ vodou na základě gravitace prasknutí membrány vlivem rozdílu tlaků, atd.
b) aktivní systémy – vyžadují pro svou funkci pohon (zpravidla el. energii) -
např. čerpadla pro zaplavování AZ vodou (při ztrátě chladiva)
Systém kontroly a řízení Dělení podle ovládání zařízení a) Řídící systémy - slouží ke sběru a zpracování dat z technologie a k zajištění požadavků na zásahy ze strany obsluhy • • • •
PCS (Plant Control System) – řídící systém elektrárny TCS (Turbine Control System) – řídící systém turbíny INCORE – systém vnitroreaktorové instrumentace RCLS (Reactor Control and Limitation System) – systém řízení reaktoru
b) Bezpečnostní systémy - zajišťují na bloku efektivní a bezpečné zvládnutí havarijních stavů, nepřekročení limitních podmínek • • • •
PRPS (Primary Reactor Protection System) – ochranný systém reaktoru DPS (Diverse Protection System) – diverzní ochranný systém PAMS (Post Accident Monitoring System) – systém pohavarijního monitorování RCLS (Reactor Control and Limitation System) – limitační systém
c) Informační systémy - „Komunikace“ mezi technologií a obsluhou, kvalita řízení procesu je závislá na vzájemném předávání informací • • •
UIS (Unit Information System) – vlastní informační sytém bloku včetně pracovních stanic NUIS (Non-Unit Information System) – neblokový informační systém FAS – systém pevného alarmu
Systém kontroly a řízení Dělení podle vztahu k jaderné bezpečnosti 1E – systémy související s jadernou bezpečností nebo vyžadující vysoký stupeň spolehlivosti -
slouží pro: • • • •
-
odstavení reaktoru chlazení AZ pro chlazení kontejnmentu (po havárii) pro zabránění významného úniku radioaktivity uvolněné při havárii
systémy: • • •
PRPS – systém ochrany reaktoru PAMS – systém pohavarijního monitorování DPS – diverzní ochranný systém (slouží k odstavení rektoru v případě principiálního selhání PRPS)
N–1E – systémy nesouvisející s jadernou bezpečností • • • • • • •
PCS – systém řízení elektrárny TCS – systém řízení turbíny INCORE – systém vnitroreaktorového měření RCLS – systém řízení reaktoru a limitační systém FAS – systém pevného alarmu UIS – informační systém bloku NUIS – neblokový informační systém
Systém kontroly a řízení a) Řídící systémy PCS - Sytém řízení elektrárny • •
sběr a zpracování dat nesouvisející s bezpečností a zajišťuje řídící funkce, rovnováhu řízení, najíždění a odstavování udržování rovnovážného stavu technologie (odvod tepla z I.O.)
TCS - Sytém řízení turbíny • •
sběr a zpracování dat nesouvisejících s bezpečností regulace páry na vstupu do turbíny
INCORE - Systém vnitroreaktorové instrumentace • •
měření neutronového toku pomocí DPZ (dálkový průzkum země) – zpracovává BEACON (pokročilý program sledující chování AZ + predikce vývoje) měření rozložení teplot – termočlánky
RCLS - Systém řízení reaktoru • •
udržuje základní provozní parametry reaktoru okolo nominálních hodnot u tohoto systému jsou použity technické prostředky s vysokou spolehlivostí
Systém kontroly a řízení b) Bezpečnostní systémy PRPS - Primární systém ochrany reaktoru • • •
automaticky odstavuje reaktor při překročení limitů aktivuje řízení bezpečnostních zásahů systém odstavení reaktoru monitoruje: -
tlak a hladinu v KO průtok a teplotu chladiva v I.O.
V případě poruchy systému nastupuje DPS
DPS - Diverzní ochranný systém • • • • •
odlišné odstavení reaktoru odlišné zapůsobení bezpečnostních zařízení pevně propojené ovládání odlišné monitorování poskytuje prostředky pro: -
zajištění chlazení AZ aby nedošlo k poškození zajištění chlazení AZ aby nebyl porušen I.O. informace o odstavení reaktoru informace o odstavení turbíny
Systém kontroly a řízení b) Bezpečnostní systémy PAMS - Systém pohavarijního monitorování - poskytuje informace během a po průběhu projektových havárií • • • • •
poskytnout informace pro možnost ručních zásahů stanovit zda automatické systémy splnily své funkce informace o možných únicích radioaktivity monitorování činnosti bezpečnostních systémů monitorování úniků radioaktivních materiálů
RCLS - Limitační systém - je určen pro zvládnutí poruch spojených s narušením vzájemné funkce I.O. a II.O.: • • • •
snižování výkonu postupně zákaz zvyšování výkonu pád jedné skupiny klastrů do AZ pád všech skupin klastrů do AZ
Systém kontroly a řízení b) Bezpečnostní systémy Hlavní funkce a) zvládnutí havarijních stavů • •
maximální projektová havárie – roztržení Js 850 mm (ETE) nepřekročení kritérií přijatelnosti – doporučení MAEE – schváleno SÚJB – 23 kritérií přijatelnosti » teplota pokrytí max. 1200°C » bezproblémové vyvezení AZ » podkritičnost během dlouhodobého dochlazování » ...
b) napájení z rozvodu zajištěného napájení (HEN)
Systém kontroly a řízení b) Bezpečnostní systémy Koncepce a) Redundance • •
zdvojení systémů, jeden čeká v rezervě na výpadek prvé ztrojení a každá divize vykonává stejnou funkci
b) Diverzifikace •
dva systémy vykonávají stejnou funkci jinými prostředky (PRPS a DPS)
c) Fyzická separace •
geometrická oddělenost nebo bariéry
d) Sdílení čidel • •
redukuje činnost při provozu a údržbě snímačů údržba v kvalitě 1E
Systém kontroly a řízení b) Informační systémy UIS - Blokový informační systém •
slouží k ovládání technologie pro řízení bloku - sdělování bezpečnostních parametrů - provádění výpočtů - archivace dat
NUIS - Neblokový informační systém •
základna pro přenos, předzpracování a třídění dat z technologických procesů - datová základna pro analýzu provozu technologie
