vetrne elektrarny

[aze]

Omlouvám se za dlouhý příspěvek, ale k probíhající doskuzi to snad nebude na 
škodu. Článek mám z netu, dal bych jen odkaz, ale nevím už odkud. Považuji 
to za velice zajímavé. AZE

Havárie jaderné elektrárny Černobyl



Protože v následujících letech pravděpodobně dojde k renesanci jaderné 
energetiky, přinášíme článek, který popisuje, jak k této havárii došlo.

Havárie v jaderné elektrárně Černobyl se stala smutným mezníkem jaderné 
energetiky. Jelikož jsme často svědky toho, jak je tato nešťastná skutečnost 
překrucovaná a dle potřeby zneužívána, domnívám se, že neuškodí zamyslet se 
opětovně nad touto nehodou a stručně popsat její průběh a příčiny i na 
těchto stránkách. Již za pár dní uběhne totiž dvacet let od doby, kdy se 
jméno Černobyl stalo celosvětově známým a jisté organizace neopomenou využít 
tohoto výročí k důraznému odmítnutí jaderné energetiky.



Všeobecný popis reaktoru RBMK

Abychom mohli popsat nehodu na sovětské elektrárně v Černobylu, je nutné se 
alespoň minimálně seznámit s reaktory RBMK používanými v této elektrárně. 
RBMK (Reaktor bolšoj moščnosti kanálnyj - reaktor velkých výkonů - kanálový) 
vyvinuli sovětští vědci ve výzkumném ústavu akademika V. I. Kurčatova v 60. 
letech 20. století na základě zkušeností s provozem první atomové elektrárny 
na světě v Obninsku. Zároveň je nutné připomenout, že tento typ reaktoru 
nikdy nebyl postaven mimo území Sovětského svazu!!! Palivem reaktoru je uran 
obohacený izotopem 235 na úroveň 1,8% (po havárii v Černobylu na 2,4%). 
Každý palivový článek je umístěn v palivovém chladícím kanálku (tlakové 
trubce), které kolmo procházejí velkými cylindrickými grafitovými bloky (v 
1000 MW bloku 1. generace je celkem 1693 takovýchto kanálků).

Do kanálků se zespoda čerpá "studená" voda, která se cestou kanálkem nahoru 
ohřívá až vaří a tím odvádí z reaktoru teplo. Nahoře odchází směs páry do 
separačního bubnu. Odtud putuje pára do turbíny a voda se vrací zpět do 
reaktoru (přichází sem i směs vody a páry z turbín). Elektrárna je tedy 
jednookruhová a kvůli únikům radiace bylo nutné odstínit i turbínu. Každý 
palivový kanálek přitom musí být izolován od okolního prostředí. To s sebou 
přináší množství svarů a větší riziko havárie v primárním okruhu. Rozteče 
mezi kanálky jsou vyplněny moderátorem, kterým je v tomto případě zmíněný 
grafit. Celý grafitový blok je uzavřen v tlakovém obalu z oceli ve kterém 
cirkuluje helium a plynný dusík. K horkému grafitu se totiž nesmí dostat 
vzduch.

Tato konstrukce reaktoru si vyžádala značné rozměry. Blok o výkonu 1000 MWe 
měl aktivní zónu o průměru 11,8 metrů a výšce 7 metrů. Na druhou stranu 
ovšem kanálovým řešením odpadla technologicky náročná konstrukce tlakové 
nádoby reaktoru. K regulování chodu reaktoru se využívá celkem 211 
regulačních tyčí, z nichž 30 (po havárii v Černobylu se toto číslo zvýšilo) 
je havarijních a 147 lze ovládat ručně. Tento reaktor zároveň dovoluje 
konstruovat bloky neobyčejně velkých výkonů. V Kurčatově ústavu se 
připravoval reaktor o výkonu až 2400 MW. Dodnes je největším provozovaným 
reaktorem typu RBMK - reaktor RBMK-1500 v jaderné elektrárně Ignalina. Již 
konstruktéři reaktoru si uvědomovali, že reaktor má jeden zásadní 
nedostatek, kterým je kladný teplotní koeficient reaktivity. Pracovníci 
Kurčatovova ústavu tuto situaci popsali v popisu reaktoru následovně: "V 
reaktoru RBMK se při zvýšení množství páry v reaktoru snižuje množství vodou 
pohlcovaných neutronů a počet pomalých neutronů schopných štěpit dále uran 
se tím pádem zvyšuje, protože hlavním moderátorem je grafit, jehož množství 
v aktivní zóně je fixní. Tak vzniká situace nazývaná kladný parní (dutinový) 
efekt. Zde je patrný markantní rozdíl od reaktorů VVER, kde takováto 
vlastnost není!



Charakteristika reaktoru RBMK před rokem 1986

Záporné vlastnosti:

  a.. Kladný teplotní koeficient, který ovšem dle představ musel být 
eliminován řídící technikou (tlakovodní reaktory mají záporný teplotní 
koeficient).
  b.. Velké množství nezávislých kanálků, které musely být dokonale 
utěsněny. Případný únik chladiva na grafit mohl zapříčinit vážnou nehodu.
Mezi přednosti reaktoru se připisovalo

  a.. možnost snížení výkonu reaktoru - reaktor mohl standardně dlouhou dobu 
dodávat výkon do elektrické sítě na úrovni například 70% nominálního výkonu. 
Navíc regulace výkonu byla poměrně rychlá (tato situace souvisela s přímou 
výrobou páry a s možností odstavit například jen ½ reaktoru)
  b.. menší obohacení uranu, které bylo velmi technologicky a finančně 
náročné (dáno grafitovým moderátorem, který minimálně pohlcuje neutrony).
  c.. možnost výměny paliva za provozu - bez kompletní odstávky bloku (dáno 
rozdělením palivových článků do nezávislých kanálků).
  d.. vojenská výhoda - snadnější zisk vojenského plutonia-239 (vyplývá z 
výše zmíněné výhody výměny paliva za provozu)
Historie jaderné elektrárny Černobyl

Plán na výstavbu jaderné elektrárny v Černobylu byl v Sovětském svazu 
schválen počátkem 70. let 20. století. V roce 1972 bylo rozhodnuto, že 
elektrárna bude vybavena reaktory RBMK. První dva bloky byly typu RBMK-1000 
(1. generace) a byly otevřeny v letech 1978, respektive 1979. Po dokončení 
prvních dvou bloků začala stavba dalších dvou bloků RBMK-1000 (2. generace). 
Rozdíl mezi reaktory RBMK-1000 první a druhé generace spočíval především ve 
změně uspořádání aktivní zóny, do které bylo na základě předchozích 
provozních zkušeností přidáno několik regulačních tyčí (bloky první generace 
měly 179 regulačních tyčí oproti 211 regulačním tyčím bloků druhé generace). 
Dále se snížil počet palivových kanálků ze 1693 na 1661.
Celkově se rovněž změnil design budov elektrárny. Třetí blok elektrárny byl 
dokončen a spuštěn v roce 1982 a čtvrtý blok v březnu 1984. Po jejich 
spuštění se začalo se stavbou 5. a 6. bloku (rovněž RBMK-1000 2. generace). 
Stavba těchto bloků byla zastavena po havárii v roce 1986 a již nebyla 
obnovena. Celá stavba a provoz elektrárny byl poměrně dosti uspěchaný - 
například 4. blok byl spuštěn bez provedení řady požadovaných fyzikálních a 
technických testů. Po havárii 26. dubna 1986 byl zničen 4. blok. První blok 
byl vážně poškozen havárií v roce 1991 a kvůli předpokládané ceně jeho 
opravy nebyl již opravován. Druhý blok Ukrajina odstavila v rámci dohody s 
Evropskou unií v roce 1996 a poslední 3. blok byl rovněž v rámci dohod 
odstaven 21. prosince 2000.



Xenonová otrava - další důležitý činitel černobylské nehody

Ještě než se pustím do popisu samotné nehody, je nutné přiblížit pojem 
xenonové otravy (anglicky xenon poisoning), protože tento fyzikální jev 
sehrál při černobylské havárii rovněž důležitou úlohu. Co to tedy vlastně 
je? Xenonová otrava je redukce reaktivity reaktoru v důsledku velmi vysokého 
pohlcování neutronů v štěpném produktu Xe-135. Jedním z vedlejších produktů 
vznikajících ze štěpení jader uranu U-235 nebo Plutonia-239 je tvorba jodu 
I-135. Reaktorová fyzika vychází z toho, že jód-135 je běžný štěpný produkt, 
který činí zhruba 6% z v reaktoru vzniklých štěpných produktů. Jelikož je 
malá šance, že by jód absorboval neutron, není jeho výskyt z hlediska řízení 
štěpné reakce významný. Ovšem Jód-135 má poločas rozpadu 6,7 hodin a 
přeměňuje se postupně v xenon Xe-135 s poločasem rozpadu 9,2 hodin. Tento 
izotop má neobvykle velký průřez pro absorbci neutronů. Jeho hodnota činí 3 
500 000 barnů; oproti tomu Bor má pouhých 750 barnů a Uran-235 549 barnů (1 
barn = 10-28 cm2). Xenon-135 se tak stává téměř dokonalým absorbátorem 
neutronů (dokonce se tvrdí, že je to látka s nejvyššími absorbčními 
schopnostmi) a je velmi důležitým činitelem ovlivňujícím reaktivnost v 
aktivní zóně!

Při normálním provozu reaktoru je přítomnost xenonu-135 a jódu-135 v 
rovnováze. Tato situace je daná tím, že probíhající štěpná reakce neustále 
produkuje nový jód-135, který se mění v xenon-135 a ten se buď přirozeně 
rozkládá na stabilní cesium-135, a nebo (častěji) pohlcuje neutrony a 
přeměňuje se na stabilní xenon-136. Zde platí, že ani cesium-135 ani 
xenon-136 již neutrony neabsorbují a šíření štěpné reakce tedy neovlivňují. 
Pakliže ovšem drasticky snížíme výkon reaktoru a nebo reaktor odstavíme, je 
rovnováha narušena a v reaktoru se začíná hromadit xenon-135, protože již 
vytvořený jód-135 se stále přeměňuje na xenon-135, ale ten vlivem výrazně 
menšího počtu neutronů v aktivní zóně zůstává v reaktoru a "nevyhoří". 
Vrchol koncentrace xenonu-135 nastává zhruba po 12 hodinách od odstavení 
reaktoru. To je dáno především poločasem rozpadu xenonu-135 (9,2 hodin). Z 
tohoto důvodu není ani možné spustit krátce po odstavení opět reaktor - 
xenon tomu prostě zabrání.



Havárie 4. bloku RBMK-1000 v Černobylu

25. dubna 1986 krátce po půlnoci začala směna operátorů 4. bloku černobylské 
jaderné elektrárny provádět pokus, jehož cílem bylo ověření dodávek 
elektřiny pro čerpadla primárního okruhu reaktoru po odstavení turbín bloku. 
Podle teorie inženýrů a vědců se potřebná energie pro čerpadla (cca 6 MW) 
měla získat ze setrvačného doběhu turbíny. Podle výpočtů to mělo být 
dostatečné množství k udržení chodu čerpadel po dobu 50 sekund. Reaktor je 
sice také vybaven dieselovými agregáty, ty však potřebují 45 - 50 sekund k 
rozběhu na plný výkon. Proto měl být výkon získaný ze setrvačnosti 
dostatečný na překlenutí mezery mezi vypnutím proudu a náběhem agregátů. 
Předchozí testy ukázaly, že ačkoliv byla turbína schopná potřebnou energii 
dodat, napájecí napětí čerpadel kolísalo a jejich chod tak nebyl uspokojivý. 
Inženýři proto provedli změny v magnetickém poli regulátoru napětí. K 
otestování změn měl posloužit právě připravovaný experiment. Plánovaný 
průběh experimentu měl vypadat následovně: Nejprve se měl snížit výkon 
reaktoru na 1/2 a mělo dojít k odpojení první ze dvou turbín bloku. Poté 
mělo následovat další snižování výkonu až na 1/3, což byla takřka minimální 
bezpečná hranice provozu reaktoru RBMK. Dále mělo následovat uzavření druhé 
turbíny. Tento krok měl být zároveň signálem pro systém havarijní ochrany, 
který měl současně automaticky odstavit reaktor. Poté měly být vyhodnoceny 
výsledky testu.
Obsluha tedy podle plánu započala s plynulým snižováním výkonu reaktoru z 
3200 MWt až na výkon 1600 MWt a následným odpojením první ze dvou turbín. 
Pak byl ale test na žádost energetického dispečinku na 9 hodin přerušen a 
dále v něm proto pokračovala jiná směna. Jak vyplynulo z vyšetřování 
černobylské havárie, nová obsluha bloku v Černobylu nedostatečně chápala 
fyzikální principy činnosti svěřeného reaktoru a například o principu 
xenonové otravy (která se i vlivem odkladu testu stala aktuální) neměla 
dostatečné znalosti. Tento nový tým tedy pokračoval v pokusu, při kterém 
bylo nutno snížit tepelný výkon reaktoru zhruba na hranici 1000 MWt. Přitom 
obsluha postupovala chybně a výkon klesl až pod hranici oblasti bezpečného 
provozu (tato hranice se pohybovala kolem 700 MWt - po jejím dosažení začala 
bezpečnostní automatika okamžitě odstavovat reaktor; operátoři ji ale 
odpojili, přešli na ruční ovládání a pokusili se reaktor oživit a dokončit 
pokus). Ani po přechodu na manuální ovládání reaktoru se nedařilo operátorům 
udržet reaktor při životě a výkon dále klesal až na 30 MWt (pod 1% 
nominálního výkonu), což znamenalo v podstatě úplné zastavení štěpné reakce. 
Obsluha se pokoušela během této obrovské ztráty reaktivity zvýšit výkon tím, 
že postupně vytahovala z aktivní zóny reaktoru regulační tyče (aby to bylo 
možné, bylo nutno vypnout další automatické ochrany reaktoru). Chod reaktoru 
v oblasti malého výkonu trval však již příliš dlouho, a tak se v aktivní 
zóně začalo hromadit velké množství xenonu-135 a samaria-149, a proto na 
úbytek tyčí v aktivní zóně reaktor nereagoval. Pracovníci velína si tuto 
situaci nedokázali vysvětlit (nikdo z nich neznal přesné chování těchto 
vzácných plynů a zkušení pracovníci na bloku chyběli). Obsluha proto 
riskantně vytáhla z aktivní zóny postupně takřka všechny regulační a 
havarijní tyče až nad přípustné limity (to bylo přísně zakázané a aby to 
bylo možné, musela obsluha vypnout havarijní ochranu reaktoru. Po tomto 
zásahu zůstalo v aktivní zóně částečně pouze 8 z 211 regulačních a 
havarijních tyčí). Takřka úplná absence 200 tyčí znamenala přece jenom 
značný úbytek absorbčních látek v aktivní zóně a reakce se začala pozvolna 
opět rozbíhat. Operátorům se postupně podařilo zvýšit výkon reaktoru až na 
500 MWt a dokonce považovali jeho chod za stabilní!

Začali proto s pokračováním experimentu. Uzavřeli druhou turbínu a odpojili 
4 z 8 cirkulačních čerpadel primárního okruhu (reaktor ovšem pracoval dál, 
protože havarijní ochrana, která ho měla odstavit byla odpojena). Potom, 
když byl uzavřen přívod k turbínám, začal výběh rotoru. Kvůli zmenšení 
průtoku páry ze separačního bubnu rostl tlak páry v aktivní zóně rychlostí 
0,5 atm/s a celkový průtok chladiva skrz reaktor se začal snižovat kvůli 
tomu, že pohony cirkulačních čerpadel byly napájeny z brzdícího generátoru. 
Ve spojení s výrazným omezením cirkulace chladící kapaliny došlo k 
opětovnému nárůstu teploty v reaktoru. Poměrně rychle stouplo hromadění a 
tvorba páry v reaktoru. Situace se podstatně zhoršila tím, že se pára 
dostala až do čerpadel, jejichž účinnost se tím pádem výrazně snížila. To 
znamenalo další zhoršení oběhu chladící kapaliny v reaktoru a vedlo k 
nadměrné tvorbě a hromadění páry v aktivní zóně. Nyní se projevil kladný 
teplotní koeficient reaktoru RBMK. Nárůst páry tak vedl k značnému zvýšení 
reaktivnosti. S tím jak se začala rozšiřovat štěpná reakce zvyšoval se i 
počet moderovaných neutronů, které mohly štěpit xenon-135. Vlivem zvyšování 
reaktivnosti tak xenon-135 ubýval a během několika málo vteřin došlo k jeho 
"vyhoření", čímž reaktor přišel o prakticky jediný absorbátor neutronů, 
který se v aktivní zóně nalézal. To zapříčinilo gigantické rozšíření 
řetězové reakce a s tím spojený prudký nárůst teploty aktivní zóny zhruba na 
desetinásobek konstrukční projektované hodnoty (postupný nárůst až na 35 000 
MWt).
V této fázi si "vedoucí směny" uvědomil svoji chybu, stiskl tlačítko 
nejvyššího poplachu (5. stupeň) a vydal pokyn k havarijnímu zasunutí 
regulačních tyčí a nouzovému odstavení reaktoru. Bylo však již příliš pozdě. 
Vysoká teplota v jádře reaktoru vedla ke ztrátě chladícího média, když se 
veškerá voda přeměnila kompletně v páru. Nyní se ještě více projevoval 
kladný teplotní koeficient, který řetězovou reakci dále mohutně posiloval. 
Navíc poté, co obsluha vydala povel k havarijnímu odstavení reaktoru 
okamžitým zasunutím havarijních tyčí do aktivní zóny vyvstaly další dva 
problémy. Jednak vlivem obrovské teploty se již některé kanálky reaktoru 
zdeformovaly natolik, že do nich nešlo zasunout havarijní tyče a potom 
řídící tyče byly vysunuty nad maximální povolenou mez a jelikož tyto tyče 
byly vybaveny na svých koncích grafitovým dílem, svým zasouváním do aktivní 
zóny minimálně v první části reakci rovněž netlumily, ale podpořily 
(Grafitová část regulačních tyčí sloužila pro lepší ovládání reaktoru za 
normálního stavu, kdy se absorbční bórová část tyče nahrazovala moderační 
grafitovou a pak teprve vodou. To umožňovalo při běžném provozu zvýšení 
účinku zasunutí/vysunutí tyče. Se stavem do kterého operátoři reaktor 
dostali se nepočítalo).

Výkon reaktoru tak dále stoupal a během chvíle se dostal až na 350 000 MWt 
(zhruba stonásobek konstrukční projektované hodnoty). Ohromné množství páry 
(tlak stoupal rychlostí 15 atm./s.) vytvořilo na reaktor obrovský tlak, 
kterému jeho konstrukce nedokázala odolat a ten explodoval. Do reaktoru 
vnikl vzduch, pára se dostala na rozpálený grafit a reakcí se zirkoniovým 
povrchem palivových článků vznikla výbušná směs vodíku a kyslíku jejíž 
následná exploze rozervala budovu reaktorovny a částečně i strojovny bloků. 
Výbuch zabil 2 pracovníky elektrárny, kteří se nacházeli v blízkosti 
reaktoru a dalších 26 zaměstnanců a hasičů zahynulo během likvidace havárie 
v průběhu 26. dubna (většinou na následky radiačního ozáření). Další tři 
podlehli zranění o několik dní později - jednalo se o pracovníky, kteří se 
vydali zasouvat regulační tyče do reaktoru ručně. Prokázaný počet obětí činí 
tedy 31 osob. Celkem na 750 tisíc lidí se účastnilo záchranných operací. 
Úmrtnost mezi nimi je menší, než je ukrajinský průměr v dané věkové 
kategorii.



Situace bezprostředně po havárii

Okamžitě po havárii 4. bloku nastala v elektrárně zajímavá situace, kdy 
odpovědní zaměstnanci odmítali uvěřit tomu, že reaktor je zničen a mnozí 
pokračovali v práci jakoby se nic nedělo. Tak došlo například k další 
trestuhodné nedbalosti, kdy sousední 3. blok, který byl ve stejném komplexu 
a byl výbuchem lehce poškozen byl odstaven až po pěti hodinách od neštěstí. 
V té době již několik hodin bojovali hasiči s požárem na střeše a ve 
strojovně 3. bloku, nádrže havarijního chlazení tohoto bloku byly přitom 
poškozeny. Zbývající bloky, které měly se 4. blokem rovněž společnou 
strojovnu a mohly být poškozeny byly odstaveny a zabezpečeny až po 24 
hodinách od neštěstí. S ohledem na pokračující únik radioaktivních látek do 
ovzduší byl reaktor zasypán z vrtulníků olovem, bórem, jílem a pískem a pode 
dnem reaktoru byl narychlo vybudován tunel, zalitý dodatečnou vrstvou 
betonu, aby se rozžhavené palivo nepropadlo do země. Jelikož v blízkém 
atomovém městečku Pripjati stoupla radioaktivita proti přirozenému pozadí o 
tři řády, bylo v neděli 27. 4. během tří hodin pomocí 1 200 autobusů 
evakuováno 45 tisíc obyvatel Pripjati do bezpečí. Evakuace proběhla bez 
paniky a byla posléze rozšířena na všechny obyvatele do vzdálenosti 30 km od 
místa neštěstí. Kromě obyvatel se evakuoval i dobytek.

Změny provedené v konstrukci reaktorů RBMK po černobylské havárii

  a.. Zvýšení množství havarijních tyčí ze 30 na 45 na úkor palivových 
článků v aktivní zóně (samozřejmě 45 je počet u tohoto typu RBMK-1000)
  b.. S tím související změna uspořádání aktivní zóny a drobné snížení 
výkonu bloků
  c.. Změna obohacení paliva uranem-235 z 1,8 na 2,4% (jako kompenzace za 
změnu geometrie aktivní zóny)
  d.. Znemožnění svévolného odpojení automatických ochranných systémů 
reaktoru a znemožnění překročení konstrukčních omezení
  e.. Modernizace počítačů řídících reaktory RBMK, především systémů 
ovládajících regulační a havarijní tyče
  f.. Úprava grafitového náběhu regulačních tyčí (s tím související i jejich 
schopnost havarijního odstavení reaktoru nejpozději do 12 vteřin po vyvolání 
signálu namísto dosavadních 18-20 sekund).
  g.. Přidání dalších 80 pomocných absorbátorů neutronů
Celkově všechny změny přispěly ke snížení kladného teplotního koeficientu 
reaktoru RBMK z původních +4,5 beta na současných +0,7 beta.






----- Original Message ----- 
From: "Pavel Kadečka" <pavel.kadecka@gmail.com>
To: "HW-news" <hw-list@list.hw.cz>
Sent: Sunday, September 03, 2006 7:36 PM
Subject: Re: vetrne elektrarny


2006/9/3, Galloth <lordgalloth@gmail.com>:
> Zdravim,
> tak jak na to koukam, tak co dokument, to jiny Cernobyl. Ten dokument,
> ktery jsem videl ja hovoril o tom, ze to sice bylo staveno jako
> elektrarna, ale stavbu uspechali a nejake zkousky stavby uplne
> vynechali. Potom si v nem delali nejaky test (uz nevim na co) a opet
> to pokazili lide...

Ano to je pravda - jedna z hlavních příčin havárie bylo prý vyřazení
ochran kvůli nějakýmu testu - a s tím souviselo záměrný nastavení
reaktoru do neobvyklých podmínek (už si to nepamatuju, snad zvednutí
výkonu přes 100%).