Czym wyróżnia się III generacja reaktorów jądrowych?

Badania i prace projektowe nad trzecią generacją reaktorów energetycznych rozpoczęto w odpowiedzi na stan elektroenergetyki światowej w latach 80. Wzrost konkurencji, wynikający z postępującej prywatyzacji rynku energii elektrycznej, stanowił zagrożenie dla wielu istniejących wówczas przedsiębiorstw energetycznych. Zmniejszenie tempa wzrostu zapotrzebowania na energię elektryczną, przy jednoczesnej poprawie sprawności wytwarzania energii, spowodowało natomiast występowanie nadwyżek mocy zainstalowanej. Spadły ceny paliw – w tym przede wszystkim gazu, a dofinansowania ze strony poszczególnych państw zostały zmniejszone. Przedsiębiorstwa energetyczne wybierały rozwiązania o niskich kosztach inwestycyjnych i krótkich czasach realizacji, do których nie zaliczały się elektrownie jądrowe.

Do pogorszenia sytuacji energetyki jądrowej znacząco przyczyniły się również awarie. 28 marca 1979 roku w elektrowni Three Mile Island w Pensylwanii (USA) doszło do stopienia części rdzenia reaktora. Uwolniona została niewielka ilość substancji promieniotwórczych, jednak ewakuacja powszechna nie była konieczna. Pomimo braku negatywnych skutków dla społeczeństwa, wydarzenie to miało znaczący wpływ na opinię publiczną, która postawiła bezpieczeństwo elektrowni jądrowych pod znakiem zapytania. Było to sygnałem do zaostrzenia dozoru jądrowego, zwiększono więc nacisk na szkolenia obsługi obiektu i planowanie kryzysowe.

26 kwietnia 1986 roku miała miejsce awaria elektrowni w Czarnobylu na Ukrainie. Błędy projektowe, niewystarczająco wykwalifikowany personel oraz nieposzanowanie zasad bezpieczeństwa doprowadziły do zniszczenia reaktora i przeniknięcia do środowiska ogromnych ilości substancji promieniotwórczych. Awaria rozpoczęła się podczas przeprowadzania testu turbiny/ generatora przy niskim poziomie mocy, który wykonano pomimo świadomości, że reaktory typu RMBK (Reaktory Kanałowe Wielkiej Mocy) charakteryzują się brakiem stabilności przy małych wartościach mocy. Wskutek awarii doszło do zgonów spowodowanych napromieniowaniem. Było to jednak jedyne zdarzenie w dziejach przemysłowej energetyki jądrowej, które miało tak katastrofalne skutki.

Wspomniane wydarzenia i wymienione wcześniej czynniki gospodarcze miały negatywny wpływ na pozycję energetyki jądrowej na rynku światowym. Towarzyszące im obawy oraz uprzedzenia społeczeństwa dały impuls do rozpoczęcia prac nad nową generacją reaktorów atomowych – generacją III.

Elektrownie jądrowe II generacji były projektowane na warunki tzw. maksymalnej awarii projektowej (MAP). Zakładano wówczas, że prawdopodobieństwo wystąpienia awarii prowadzącej do uszkodzenia rdzenia reaktora, wskutek jednoczesnej niesprawności wszystkich układów bezpieczeństwa, jest tak niewielkie, że można je zaakceptować. Podczas projektowania reaktorów III generacji nastąpiła zasadnicza zmiana założeń. Warunki projektowe rozszerzono tak, aby prawdopodobieństwo wystąpienia awarii ciężkich było nie tylko uwzględnione, ale również ograniczone. Wymagania dotyczące nowej generacji reaktorów zawarto w dokumencie EUR (ang. European Requirements for LWR Nuclear Power Plant): „Wymagania europejskich przedsiębiorstw energetycznych dla EJ z reaktorami lekkowodnymi”; zgodnie z którym środki techniczne zastosowane w elektrowni – nawet w przypadku całkowitego stopienia reaktora – muszą zapewnić bezpieczeństwo okolicznej ludności i środowiska, minimalizując przy tym skutki awaryjnych uwolnień substancji promieniotwórczych.

W wielu reaktorach III generacji – w odróżnieniu od reaktorów  generacji poprzedniej – zastosowano tzw. pasywne układy bezpieczeństwa. Są to układy, których działanie opiera się na dobrze nam znanych zjawiskach fizycznych, takich jak zmiana właściwości fizycznych substancji pod wpływem zmian temperatury, konwekcja naturalna czy oddziaływanie siły grawitacyjnej. Przykładem jest chłodzenie długookresowe w warunkach awarii, które w nowych projektach zostało zapewnione poprzez naturalną cyrkulację chłodziwa między rdzeniem a wymiennikami ciepła. Ciepło z wymienników jest natomiast przekazywane do otoczenia na drodze konwekcji naturalnej. To samo zjawisko fizyczne wykorzystuje się do chłodzenia obudowy bezpieczeństwa.

Główną zaletą tego rodzaju systemów bezpieczeństwa jest fakt, że nie wymagają one zewnętrznego zasilania energią elektryczną, dzięki czemu są bardziej odporne na błędy popełniane przez obsługę oraz na czynniki zewnętrzne. Ponadto systemy bezpieczeństwa projektuje się tak, aby były od siebie wzajemnie niezależne. Osiąga się to poprzez wykorzystanie różnych zjawisk fizycznych w poszczególnych systemach, dzięki czemu  obszar awarii zostaje ograniczony tylko do systemu „wrażliwego” na daną przyczynę.

Wśród reaktorów III generacji można wyróżnić m. in.: Europejski Reaktor Ciśnieniowy, w skrócie EPR (ang. European Pressurized Reactor); reaktor ESBWR (ang. Economic Simplified Boiling Water Reactor) oraz unowocześniony reaktor wodny wrzący ABWR (ang. Advanced Boiling Water Reactor). Od poprzedników odróżnia je prostsza konstrukcja, a co za tym idzie mniejsze koszty i krótszy czas budowy (4 – 5 lat). Uproszczenie konstrukcji ułatwia jednocześnie eksploatację i zmniejsza ryzyko wystąpienia zakłóceń podczas pracy elektrowni. Wzrost efektywności ekonomicznej uzyskano także poprzez wprowadzenie modularyzacji i standaryzacji oraz przedłużenie czasu życia elektrowni do 60 lat. Reaktory III generacji charakteryzują się ponadto lepszym wykorzystaniem paliwa, dzięki czemu wytwarzają mniejsze ilości odpadów promieniotwórczych.

Jednym z rozwiązań zastosowanych w  reaktorze EPR są cztery niezależne układy chłodzenia awaryjnego. Do schłodzenia reaktora po jego wyłączeniu wystarczający byłby zaledwie jeden taki układ, jednak zwielokrotnianie tego rodzaju systemów jest celowym zabiegiem podnoszącym bezpieczeństwo pracy reaktora. Takie podejście umożliwia również remont danego układu chłodzenia bez konieczności zmniejszania mocy reaktora, czy wprowadzania innych zakłóceń podczas jego normalnej pracy. Kolejnym zabiegiem zwiększającym bezpieczeństwo reaktora jest separacja przestrzenna wspomnianych układów bezpieczeństwa, polegająca na rozmieszczeniu ich w czterech odległych względem siebie miejscach elektrowni. Dzięki temu ewentualny pożar, powódź lub uszkodzenie części budynku nie spowodują uszkodzenia wszystkich systemów jednocześnie.

Zastosowanie wspomnianych wcześniej pasywnych układów bezpieczeństwa pozwoliło zmniejszyć ilość urządzeń mechanicznych oraz oprzyrządowania. Obieg pierwotny reaktora EPR –  w porównaniu ze swoim poprzednikiem – zawiera o 35% mniej pomp, 50% mniej zaworów i aż 83% mniej rurociągów. Więcej uwagi poświęcono także technikom diagnostycznym, wspomagającym nadzorowanie poprawnej pracy elektrowni jądrowej. Ewentualne przecieki w układzie pierwotnym są eliminowane poprzez kontrolę ultradźwiękową oraz zaawansowane systemy detekcji.

Stopieniu rdzenia w reaktorze EPR przeciwdziała natomiast system obniżania ciśnienia. Reaktory tego typu wyposażone są w specjalne zbiorniki retencyjne, które w razie ciężkiej awarii schłodzą rdzeń i zatrzymają stopioną masę wewnątrz szczelnej i odpornej na zagrożenia obudowy bezpieczeństwa. Obudowa została zaprojektowana tak, aby wytrzymać nawet zderzenie samolotu, a w przypadku awarii rdzenia reaktora – zatrzymać uwalniane z niego produkty rozszczepienia, chroniąc tym samym środowisko zewnętrzne przed skutkami awarii.

Doświadczenia energetyki jądrowej wynikające ze wspomnianych na początku awarii zostały przełożone na wymagania stawiane zarówno projektantom i operatorom elektrowni jądrowych, jak i samym przedsiębiorstwom energetycznym. Zaostrzenie wymogów bezpieczeństwa pozwoliło stworzyć znacznie bezpieczniejsze reaktory, dla których prawdopodobieństwo wystąpienia ciężkiej awarii jest 100-krotnie mniejsze niż w przypadku reaktorów generacji poprzedniej. Tym stwierdzeniem można krótko podsumować reaktory III generacji, a ich bezpieczeństwo jest bez wątpienia ich największa zaletą.


Bibliografia:
[1] apw.ee.pw.edu.pl/tresc/-pol/05-bezpieczReaktorow,ost.pdf
[2] www.nuclear.pl/energetyka,genIII,reaktory-iii-generacji.html
[3] www.swiadomieoatomie.pl/warto-wiedziec/elektrownia-jadrowa/reaktory-jadrowe-iii-generacji-przyklady-technologii-.html
[4] www.szkola-ej.pl/iiiszkola/referaty/kielbasa2_ref.pdf

Skomentuj

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *