Układy bezpieczeństwa

Aby zapobiec awariom i/lub ograniczyć ich skutki, elektrownie jądrowe wyposaża się w układy bezpieczeństwa zapewniające wykonanie fundamentalnych funkcji bezpieczeństwa, tj.: wyłączenie reaktora i utrzymanie go w stanie podkrytycznym, odprowadzenie ciepła powyłączeniowego, oraz utrzymanie substancji promieniotwórczych w obrębie EJ.

4.4.1 Układy awaryjnego chłodzenia rdzenia (UACR)

Układ awaryjnego chłodzenia rdzenia (UACR) przeznaczony jest do uzupełniania chłodziwa reaktora, na wypadek powstania rozszczelnienia obiegu chłodzenia reaktora skutkującego ucieczką chłodziwa. UACR projektuje się na rozszczelnienia obiegu chłodzenia reaktora o różnej wielkości: od rozerwania rurki impulsowej o średnicy kilkunastu mm, aż po nagłe rozerwanie rurociągu o maksymalnej średnicy z obustronnym wypływem chłodziwa¹²⁴ włącznie.

W razie rozerwania dużego rurociągu obiegu chłodzenia chłodziwo reaktora szybko wypływa, ciśnienie w obiegu gwałtownie spada i rdzeń reaktora odkrywa się. Gdyby pręty paliwowe pozostały bez chłodzenia, temperatura paliwa wzrosłaby i paliwo uległoby stopieniu. Dlatego, po wyłączeniu reaktora, zadaniem UACR jest wtryśnięcie do reaktora wody chłodzącej tak by rdzeń pozostał pod powierzchnią wody. Woda w zbiornikach UACR zawiera kwas borowy (H₃BO₃)¹²⁵, aby zapewnić utrzymanie podkrytyczności reaktora i uniknąć ewentualnego samorzutnego zainicjowania reakcji rozszczepienia. Po zalaniu rdzenia i ustabilizowania parametrów UACR musi następnie zapewnić długookresowe odprowadzanie ciepła powyłączeniowego (pracując w trybie recyrkulacji – tj. podając, po schłodzeniu w wymienniku ciepła, ponownie do obiegu chłodzenia reaktora wodę gromadzącą się w studzienkach ściekowych obudowy bezpieczeństwa).

W obecnie pracujących reaktorach (oraz w tzw. „ewolucyjnych” rozwiązaniach reaktorów III.

generacji) typowo znajdują się czynne (CUACR) i bierne układy awaryjnego chłodzenia rdzenia (BUACR). Układy czynne zawierają trzy lub cztery równoległe podukłady ze zbiornikami chłodziwa, pompami, i zaworami, zaprojektowane tak by tylko jeden z kilku równolegle pracujących podukładów wystarczał do zalania rdzenia wodą i skutecznego chłodzenia. Obok nich są układy bierne, a więc takie, które mogą pracować bez doprowadzenia energii z zewnątrz. W innowacyjnych rozwiązaniach reaktorów generacji III+

– jak np. reaktor wodno-ciśnieniowy AP 1000 (firmy Westinghouse) – stosuje się całkowicie bierne UACR.

Na Rys. 4.15 pokazane są schematy układów awaryjnego chłodzenia rdzenia reaktora wodno-ciśnieniowego (WWER): biernego - BUACR i czynnego - CUACR.

 Bierny UACR (Rys. 4.15.A.) składa się z 2 grup – przy czym do zalania rdzenia wystarczające jest poprawne działania jednej grupy (redundancja: „x 2”); każda grupa BUACR składa się z 2 hydro-akumulatorów („7”) z poduszką gazową (sprężony azot) połączonych z reaktorem rurociągami z klapami zwrotnymi („8”), działają one w początkowej fazie zalewania rdzenia (podając wodę pod i nad rdzeń reaktora).

124 W połączeniu z jednoczesną utratą zasilania elektrycznego prądem przemiennym z sieci zewnętrznej.

125 Bor, a konkretnie izotop B¹⁰, silnie pochłania neutrony.

 Czynny UACR (Rys. 4.15.B.) składa się z 3 lub 4 podukładów – przy czym do zalania rdzenia i chłodzenia reaktora po awarii wystarczy poprawna praca tylko jednego podukładu (redundancja: „x 3” lub „x 4”); każdy z podukładów CUACR zawiera:

– część wysokociśnieniową, która działa przy małych rozszczelnieniach obiegu chłodzenia reaktora (zbiornik – „6”, pompa – „7”);

– cześć niskociśnieniową (zbiornik – „1”, pompa – „2”, zawór zwrotny – „3”, wymiennik ciepła – „5”).

Przy tym każdy podukład CUACR zasilany jest z oddzielnego awaryjnego generatora diesla.

: 1) odpowiedzialność za bezpieczeństwo, 2) rola rządu, 3) kierownictwo i zarządzanie dla zapewnienia bezpieczeństwa, 4) uzasadnienie dla obiektów i działalności związanej z narażeniem na promieniowanie, 5) optymalizacja ochrony, 6) ograniczenie narażenia osób, 7) ochrona obecnego i przyszłych pokoleń, 8) zapobieganie awariom, 9) przygotowanie i działania przeciwawaryjne, 10) działania ochronne dla zmniejszenia zagrożeń radiologicznych.

A.

B.

Na Rys. 4.16 pokazano natomiast konfigurację UACR reaktora wodno-ciśnieniowego (PWR) typu Konvoi (niemieckiej firmy Siemens). Obieg chłodzenia tego reaktora składa się z 4 pętli.

Podobnie jak w przypadku reaktora WWER, BUACR reaktora Konvoi składa się z dwóch grup, z których każda zawiera 2 hydro-akumulatory („2”).

Natomiast CUACR tego reaktora składa się z 4-ch podukładów, podłączonych do poszczególnych pętli, przy czym do zalania rdzenia i chłodzenia reaktora po awarii wystarczy poprawna praca tylko jednego podukładu (redundancja: „x 4”). W skład każdego z podukładów CUACR wchodzą: zbiornik – „1”, pompa wysokiego ciśnienia – „5”, pompa niskiego ciśnienia – „3”, i wymiennik ciepła – „4”.

Na schemacie pokazano ponadto 4 różne tryby pracy UACR: wtrysk wysokociśnieniowy („High Pressure Injection”), wtrysk z hydro-akumulatorów („Accumulator Injection”), wtrysk niskociśnieniowy („Low Pressure Injection”), oraz recyrkulacja („Recirculation Mode”).

Rys. 4.16. Schemat układu awaryjnego chłodzenia rdzenia (Konvoi, Siemens) [3].

4.4.2 Awaryjny układ wody zasilającej

Awaryjny układ wody zasilającej przeznaczony jest do zasilania w wodę wytwornic pary (reaktorów wodno-ciśnieniowych) w razie awarii podstawowego układu wody zasilającej lub utraty zasilania elektrycznego potrzeb własnych bloku ze źródeł zewnętrznych.

Układ ten umożliwia w szczególności:

– odprowadzanie ciepła (powyłączeniowego i zakumulowanego) z obiegu chłodzenia reaktora (poprzez wytwornice pary) po wyłączeniu reaktora, przy wysokim ciśnieniu oraz niedyspozycyjności normalnego układu wody zasilającej;

– schłodzenie reaktora do stanu umożliwiającego przełączenie na normalny układ odprowadzania ciepła powyłączeniowego.

Awaryjne układy wody zasilającej składają się z takiej samej liczby podukładów jak CUACR, tj. 3 (WWER) lub 4 (PWR). Dla zwiększenia niezawodności układu dywersyfikuje się napędy pomp stosując oprócz silników elektrycznych turbiny parowe albo bezpośredni napęd silnikiem diesla.

Silniki elektryczne napędzające awaryjne pompy wody zasilającej posiadają niezawodne zasilanie elektryczne z awaryjnych generatorów dieslowskich.

Na Rys. 4.17 przedstawiony jest schemat awaryjnego układu wody zasilającej ulepszonego reaktora wodno-ciśnieniowego (APWR) firmy Mitsubishi Heavy Industries.

Układ ten składa się z 4-ch podukładów, z których każdy zasila jedną wytwornicę pary – z tym, że połączenia pomiędzy nimi umożliwiają zasilanie dowolnych wytwornic z dowolnych pomp. Napędy pomp zostały zdywersyfikowane: dwie zasilane są silnikami elektrycznymi, a dwie turbinami parowymi.

Rys. 4.17. Schemat awaryjnego układu wody zasilającej APWR [MHI] [4].

4.4.3 Obudowa bezpieczeństwa reaktora

Obudowa bezpieczeństwa stanowi czwartą – ostatnią – barierę ochronną zapobiegającą dużym niekontrolowanym uwolnieniom substancji promieniotwórczych do środowiska, w razie awarii. Utrzymanie jej funkcji ma więc kluczowe znaczenie dla zapewnienia bezpieczeństwa.

Obudowa bezpieczeństwa mieści w swym wnętrzu reaktor wraz z obiegiem chłodzenia (rurociągi, pompy cyrkulacyjne, wytwornice pary) oraz niektóre układy pomocnicze reaktora.

Układ obudowy bezpieczeństwa obejmuje konstrukcję obudowy, wraz z urządzeniami jak:

rurociągi, przepusty, szybkodziałająca armatura odcinająca, śluzy, drzwi i przejścia przez ściany obudowy, oraz układy pomocnicze jak: układ zraszania i układy wentylacji.

Obudowa bezpieczeństwa, wraz z układami pomocniczymi, spełnia następujące funkcje:

 zatrzymywanie i izolacja od otoczenia substancji promieniotwórczych znajdujących się wewnątrz obudowy;

 redukcja / usuwanie radionuklidów i gazów palnych z atmosfery obudowy oraz długookresowe odprowadzanie ciepła;

 ochrona przed skutkami zdarzeń zewnętrznych jak: uderzenie samolotu, eksplozja chemiczna, trzęsienie ziemi.

Konstrukcja obudowy:

 wytrzymuje parametry awaryjne (max ciśnienie awaryjne ~0,5 MPa), zapewniając wymaganą szczelność (max przecieki: 0,25% objętości obudowy/dobę), oraz obciążenia zewnętrzne;

 może być:

– jedno-powłokowa ze sprężonego żelbetu z wykładziną stalową, lub

– dwu-powłokowa: wewnętrzna (obudowa pierwotna) - stalowa lub ze sprężonego żelbetu z wykładziną stalową, zewnętrzna (obudowa wtórna) - ze zbrojonego betonu.

Układ zraszania obudowy bezpieczeństwa:

 zmniejsza awaryjne ciśnienie wewnątrz obudowy i przyczynia się do odprowadzenia ciepła;

 przyśpiesza wymywanie radioaktywnych aerozoli (głównie jodu) z atmosfery wewnątrz obudowy (w tym celu do wody zraszającej obudowę dodaje się: hydrazynę - N2H4 lub wodorotlenek sodu - NaOH);

 zasilany jest z awaryjnego generatora diesla.

Na Rys. 4.18 pokazano przykładowe rozwiązanie obudowy bezpieczeństwa zastosowane w jednej z amerykańskich EJ z reaktorem wodno-ciśnieniowym.

Jest to obudowa cylindryczna z kopułą, o konstrukcji dwu-powłokowej, mieszcząca wewnątrz: reaktor „2” wraz z obiegiem chłodzenia – rurociągi, pompy cyrkulacyjne „4”

i wytwornice pary „3”.

Powłoka wewnętrzna „11” jest stalowa (wytrzymuje ona nadciśnienie awaryjne i zapewnia szczelność), zaś powłoka zewnętrzna „10” jest żelbetowa (stanowi ona osłonę biologiczną i zapewnia ochronę przed zagrożeniami zewnętrznymi – jak uderzenie samolotu lub wybuch chemiczny). W przestrzeni pomiędzy powłokami utrzymywane jest podciśnienie, a gazy z tej przestrzeni są odprowadzane rurociągiem „12” do filtra „13”, skąd po oczyszczeniu (zwłaszcza zatrzymaniu radioaktywnych aerozoli) kierowane są do komina wentylacyjnego

„14”.

Rys. 4.18. Schemat obudowy bezpieczeństwa z układami pomocniczymi [2].

Aby zapewnić szybki spadek ciśnienia po awarii związanej z ucieczką chłodziwa reaktora, zastosowano układ zraszania ze zbiornikiem wody „6”, pompą „7”, wymiennikiem ciepła „8”

i dyszami zraszającymi „9” wewnątrz obudowy. Gdy po dłuższym okresie działania tego układu wyczerpie się zapas wody w zbiorniku „6”, wówczas zacznie on pobierać wodę ze studzienki ściekowej znajdującej się wewnątrz obudowy bezpieczeństwa. Do zbiornika wody zraszającej obudowę dodaje się roztwór związków chemicznych przyśpieszających wymywanie radioaktywnych izotopów jodu z atmosfery obudowy bezpieczeństwa.

Dodatkowo współczesne obudowy bezpieczeństwa wyposażane są układy zapobiegające niekontrolowanemu spalaniu lub detonacji wodoru (mieszanie atmosfery obudowy, usuwanie wodoru – pasywne rekombinatory katalityczne, lokalne zapłonniki), a także inne urządzenia zapobiegające uszkodzeniu obudowy w razie zaistnienia ciężkiej awarii związanej ze stopieniem rdzenia reaktora.

4.4.4 Inne układy bezpieczeństwa

4.4.4.1 System zabezpieczeń reaktora

System zabezpieczeń reaktora jest to system monitorujący pracę reaktora, który po wykryciu stanu nienormalnego, automatycznie uruchamia działania celem zapobieżenia powstaniu niebezpiecznej lub potencjalnie niebezpiecznej sytuacji.

Układ logiczny systemu generuje różne sygnały automatycznych zabezpieczeń inicjując automatyczne zmniejszenie mocy lub awaryjne wyłączenie reaktora - przez wprowadzanie lub zrzut do rdzenia prętów regulacyjnych i bezpieczeństwa.

4.4.4.2 Układy kontroli, mieszania i usuwania wodoru z obudowy bezpieczeństwa

Układy kontroli, mieszania i usuwania wodoru z obudowy bezpieczeństwa zapobiegają niekontrolowanemu spalaniu lub detonacji wodoru w obudowie bezpieczeństwa. Osiąga się to przez: ciągle mieszanie atmosfery obudowy – aby nie dopuścić do wytworzenia się lokalnie warunków dla detonacji wodoru, usuwanie wodoru za pomocą pasywnych rekombinatorów i/lub inicjowanie kontrolowanego spalania wodoru (za pomocą pasywnych zapłonników) w pomieszczeniach i miejscach gdzie mogłyby wytworzyć się stężenia tego gazu grożące detonacją.

4.4.4.3 Układ wody ruchowej odpowiedzialnych odbiorów

Układ wody ruchowej odpowiedzialnych odbiorów ma za zadanie odprowadzenie ciepła z układów i urządzeń EJ ważnych dla bezpieczeństwa (w tym: UACR i obudowy bezpieczeństwa) do tzw. do ostatecznego odbiornika ciepła (akwenu chłodzącego lub atmosfery). Układ ten składa się z takiej samej liczby podukładów jak UACR i awaryjny układ wody zasilającej, tj. 3 lub 4.

4.4.4.4 Układy niezawodnego zasilania elektrycznego

Układy niezawodnego zasilania elektrycznego urządzeń ważnych dla bezpieczeństwa obejmują:

– Zasilanie rezerwowe z zewnętrznej sieci elektroenergetycznej dystrybucyjnej (z sieci 110 kV i ew. dodatkowo 15 kV);

– Wewnętrzne awaryjne źródła zasilania: awaryjne agregaty dieslowskie, oraz baterie akumulatorów z falownikami (zasilanie układów sterowania i zabezpieczeń, oświetlenia awaryjnego, sprzętu łączności i in.).

4.5 Międzynarodowe wymagania i zalecenia dotyczące