Wikipedista:FroxyCz/Pískoviště

Bazén skladování vyhořelého paliva v jaderné elektrárně Caorso

Bazén skladování vyhořelého paliva - BSVP (anglicky Spent Fuel Pool - SFP) je nádrž určena k manipulování a krátkodobému uložení vyhořelých palivových souborů či kazet. V literatuře se lze setkat i s alternativním názvoslovím (namísto "vyhořelé palivo" se používá i "použité palivo", které lépe vystihuje jeho fyzikální potenciál k případnému opětovnému využití). Hlavní účel bazénu je odvod tepla a stínění personálu před zářením, které se uvolňuje z uloženého paliva. Bazény umožňují bezpečnou a celkem jednoduchou manipulaci s radioaktivním materiálem, protože voda plní funkci chladiva, stínění vůči radiačnímu záření uskladněného paliva, snadno se čistí a je dostatečně transparentní pro usnadnění manipulace s palivem a vizuální inspekci.

Historie používání bazénů pro skladování paliva je stejně stará jako jaderné reaktory samotné. Již druhý reaktor na světě, X-10 v Oakridge National Laboratory z roku 1943, používal bazén s vodou pro skladování použitého paliva.

Mokré vs. Suché skladování

Bazén skladování, který je situován přímo u reaktoru, zajišťuje bezpečné vyvezení vyhořelého paliva přímo z reaktoru. Vyhořelé palivo je přitom vysoce radioaktivní a navíc uvolňuje velké množství zbytkového tepla. Po určité době se radioaktivita a uvolňované teplo paliva sníží natolik, aby mohlo být přeneseno do meziskladu vyhořelého paliva. Existují dva základní typy - mokré mezisklady a suché mezisklady. V obou typech je vyhořelé palivo bezpečně uložené ve speciálních skladovacích kontejnerech, kde čeká na uložení do hlubinného úložiště nebo na přepracování. Bazén v mokrém meziskladu je podobný bazénu u reaktoru, ale je přizpůsoben na dlouhodobější uskladnění paliva. V suchém meziskladu je palivo uloženo do skladovacích kontejnerů uložených na vzduchu, což je z hlediska chlazení v dané době již také dostatečné. Suché mezisklady představují novější, jednodušší a spolehlivější technologii meziskladování vyhořelého jaderného paliva za cenu nižší skladovací hustoty a obtížnější kontroly paliva uzavřeného v kontejnerech.

Konstrukce

Všechny bazény jsou velké robustní monolitické struktury. Stěny bazénu jsou obecně vyrobeny z více než 1 metr tlustého, nerezovou ocelí obloženého betonu. Na začátku se experimentovalo s různými výstelkami od pouhé barvy až po sklolaminát. Vyhořelé palivo zabírá v bazénu přibližně spodních 4,5 metru. Potřebná výška hladiny nad palivem pro radiační ochranu jsou 3 - 4 metry. Výška hladiny je proměnlivá v závislosti na situaci. Za nominálního stavu je hladina tak vysoko, aby pokryla uskladněné palivo a poskytovala radiologické stínění. Před a během výměny paliva a během havarijního vyvezení je hladina vyšší, aby bylo možné palivové soubory přemísťovat. Bazén samotný se dělí na více částí. Kromě vyhořelého paliva je v bazénu i místo pro ponoření kontejneru pro přepravu jaderného paliva. V bazénu se také skladuje zaktivované vybavení a komponenty. U reaktorových bazénů je navíc neustále udržováno volné místo pro vyvezení celé aktivní zóny z reaktoru pro případ nouzové odstávky.

Velikost, rozložení bazénu a doba uskladnění paliva se navrhuje podle typu reaktoru/paliva a podle použitého palivového cyklu. Například v JE Temelín je nominální hladina bazénu ve výšce 8,1 metru a v režimu odstávky a výměny paliva je hladina 15,5 metru vysoko. Bazén skladování vyhořelého paliva v reaktorové hale má objem 1440 m³ a umožňuje uskladnit až 678 palivových souborů, 25 palivových souborů v hermetických pouzdrech a 2 pouzdra klastrů. Palivo je v bazénu skladováno většinou po dobu 5 až 12 let dle zbytkového tepla jednotlivých palivových souborů. Poté se převáží do meziskladu vyhořelého paliva. Zároveň při běžném provozu je v bazénu vyhrazeno 163 míst pro případ nouzového vyvezení aktivní zóny reaktoru.

Palivové soubory se v bazénu skladují v roštu, který zajišťuje, že je palivo obtékáno dostatečným množstvím vody a zároveň je podkritické. Rošty samotné jsou z nerezové oceli a jsou umístěny na tlumičích pro případ zemětřesení, aby se zabránilo nárazu do stěny bazénu a případného porušení těsnosti. Postupem času se konstrukce palivového roštu začala vyvíjet směrem k rozšiřování kapacity pro dlouhodobější skladování vyhořelého paliva. Prvními kroky bylo zmenšit rozestup mezi vyhořelými palivovými soubory. Později se kapacita začala navyšovat výrobou roštů z nerezové oceli s příměsí bóru či přidáváním kyseliny borité do vody. V JE Temelín jsou rošty vyrobeny z nerezové oceli ATABOR, která obsahuje 1 % bóru.

Bazény jsou naplněny několika dalšími metry vody nad vyhořelým palivem, aby zajistily biologické stínění a prostor pro manipulaci s palivem. Rozdíly v designu bazénu neexistují jen mezi technologiemi reaktorů, ale také mezi generacemi technologií a často i mezi jednotlivými elektrárnami. Důležitými konstrukčními rozdíly jsou: umístění uvnitř nebo vně primárního kontejnmentu reaktoru, návrh cest přenosu paliva do reaktoru a použití borované nebo demineralizované vody. I přes tyto rozdíly jsou základní konstrukční parametry a bezpečnostní opatření velmi podobná.

Chladicí systémy mají vestavěnou redundanci a pro zachování své funkce jsou připojeny k nouzovému záložnímu napájení. Prostupy bazénu jsou omezeny na minimum a nutné prostupy jsou umístěny tak, aby se zabránilo nechtěnému vypouštění bazénu. Velký objem vody poskytuje významnou tepelnou akumulaci, která zpomaluje postup nehod a poskytuje čas pro zásah obsluhy. Po havárii ve Fukušimě Daiči byla přijata následná opatření k dalšímu zlepšení bezpečnosti bazénů. Tato opatření se značně liší kvůli velké variabilitě konstrukcí, ale nejčastěji šlo o další záložní dodávky elektřiny nebo vody a vylepšení přístrojové techniky.

Provoz

Bazén skladování vyhořelého paliva v reaktorové hale v režimu odstávky.

Podle provozovaného palivového cyklu se při plánované kampaňové odstávce reaktoru část paliva (nejčastěji pětina nebo čtvrtina z celkového množství) z aktivní zóny reaktoru vyměňuje za palivo čerstvé. Cesta pro přenos palivových souborů mezi reaktorem a bazénem se zaplaví (zvýší se hladina vody), aby bylo palivo během cesty stíněno a chlazeno. Palivo se přepravuje z reaktoru pomocí zavážecího stroje. V bazénu se skladuje také čerstvé palivo, a to před zahájením kampaňové odstávky. Bazén skladování vyhořelého paliva v reaktorové hale také slouží jako úložiště různého vybavení a náhradních nebo poškozených komponent z reaktoru.

Aby se předešlo degradaci paliva z důvodu koroze, čistota vody v bazénech je neustále monitorována. Hlídá se také množství kyseliny borité ve vodě. Protože dochází k vypařování a k radiolýze vody, musí být do bazénu zaveden přívod vody a prostor, kde se bazén nachází, musí mít zajištěnou cirkulaci vzduchu, aby se zabránilo hromadění vodíku.

Se zvyšujícím se množstvím paliva v bazénu je nutné neustále monitorovat stav jednotlivých palivových souborů a popřípadě provést přeskládání, aby bylo zajištěno dostatečné chlazení veškerého paliva a zároveň i jeho podkritičnost. Aby se předešlo korozi opláštění paliva, teplota vody v bazénu se drží okolo 50 °C.

Bezpečnostní rizika

Ve světě je 80 % vyhořelého jaderného paliva skladováno v bazénech. Tento systém nicméně není stavěn pro dlouhodobé uskladnění. S plynoucím časem se pravděpodobnost havárie zapřičiňující výpadek chlazení pouze zvyšuje. Dojde-li k dlouhodobému přerušení chlazení v důsledku nouzových situací, může se voda v bazénech vyhořelého paliva vyvařit, což může vést k poškození paliva a následnému úniku radioaktivních prvků do atmosféry. K takovému typu nehody jsou více náchylné bazény mimo reaktorovou halu, kde není palivo chráněno v takové míře jako přímo v kontejnmentu, který je navržen pro zabránění úniku radioaktivních látek. Ze stejného důvodu jsou mokré mezisklady více zranitelné vůči některým teroristickým útokům, než reaktor samotný.

Vyšší skladovací hustota oproti suchým meziskladům může být výhoda, zejména pokud lokace meziskladu neumožňuje využít další prostory. Zároveň to ale znamená, že případná havárie (která je u mokrých meziskladů pravděpodobnější kvůli jejich komplexnosti) postihne mnohem větší množství paliva.

V případě krádeže či sabotáže za účelem uvolnění radiace jsou jednotlivé kontejnery v suchém meziskladu opět mnohem bezpečnější. Kontejnery jsou v porovnání s mokrým úložištěm těžko přepravitelné a obsahují v poměru k mokrému skladování jen malé množství jaderného paliva.

Jeden ze způsobů, jak zvýšit bezpečnost bazénů, je snížení závislosti jejich chladicího systému na zdroji energie. U některých nově postavených skladovacích bazénů celý chladicí systém může fungovat na zcela pasivním principu, kde odvod tepla je zajištěn s pomocí přirozené cirkulace vzduchu přes výměníky tepla. Tyto bazény mají méně aktivních komponent, které vyžadují údržbu, čímž by měly mít delší provozní životnost a menší pravděpodobnost selhání. Tento pasivní chladicí systém byl využit například při stavbě přídavných skladovacích bazénů v jaderné elektrárně Gösgen ve Švýcarsku, které byly uvedeny do provozu v roce 2008.