W elektrowni jądrowej energia elektryczna jest potrzebna nie tylko do produkcji prądu. Zasilania wymagają również pompy, zawory, systemy sterowania, aparatura pomiarowa oraz część systemów bezpieczeństwa.
Kiedy elektrownia straci zasilanie zewnętrzne i awaryjne źródła energii prądu zmiennego (AC), dochodzi do station blackout (SBO). Jest to jeden z ważnych scenariuszy awaryjnych uwzględnianych przy projektowaniu elektrowni.
Reaktor można wyłączyć, ale ciepło dalej powstaje
Po wystąpieniu poważnego problemu reaktor jest automatycznie wyłączany, czyli następuje SCRAM. Pręty kontrolne zostają wprowadzone do rdzenia i reakcja łańcuchowa ustaje.
Produkty rozszczepienia jednak nadal ulegają rozpadowi promieniotwórczemu, powodując powstawanie ciepła powyłączeniowego (decay heat).
Tempo jego wydzielania szybko spada, ale początkowo nadal odpowiada kilku procentom mocy cieplnej pracującego reaktora. Dla dużego reaktora oznacza to dziesiątki megawatów mocy cieplnej.
Po wyłączeniu reaktora nadal konieczne jest chłodzenie rdzenia.
Zasilanie w elektrowni jądrowej
Podczas normalnej pracy elektrownia korzysta z własnej produkcji energii oraz z zewnętrznej sieci elektroenergetycznej.
Po utracie zasilania zewnętrznego automatycznie uruchamiane są awaryjne generatory, najczęściej dieslowskie. Zasilają one urządzenia potrzebne do bezpiecznego chłodzenia reaktora.
Jeżeli również one przestaną działać, pozostają baterie awaryjne. Nie są przeznaczone do zasilania całej elektrowni, ale tylko do podtrzymania aparatury kontrolno-pomiarowej, zaworów i wybranych systemów bezpieczeństwa.
Trochę dokładniej…
Akumulatory awaryjne nie działają wiecznie. Czas, przez który elektrownia potrafi przetrwać w stanie SBO bez stopienia rdzenia, nazywa się SBO coping time.
Przed katastrofą w Fukushimie akumulatory projektowano zazwyczaj na pracę 4 do 8 godzin. W nowych konstrukcjach czas ten może być znacznie dłuższy. Na przykład AP1000 został zaprojektowany na utrzymanie bezpiecznego stanu przez 72 godziny bez zasilania AC.
Co się stanie bez chłodzenia?
Jeżeli ciepło nie jest skutecznie odbierane, temperatura paliwa zaczyna rosnąć. Woda może wrzeć, a jej poziom w zbiorniku się obniży. Odsłonięcie części paliwa prowadzi do dalszego wzrostu temperatury.
To z kolei może spowodować uszkodzenie koszulek paliwowych. Przy wysokiej temperaturze cyrkon stosowany w koszulkach może reagować z parą wodną, wytwarzając między innymi wodór. Jego nagromadzenie w budynku reaktora może prowadzić do pożaru lub wybuchu chemicznego.
Jeżeli chłodzenia nie uda się przywrócić, może dojść do stopienia części rdzenia.
Nie istnieje jednak jeden określony czas od utraty zasilania do uszkodzenia rdzenia. Zależy on od konstrukcji reaktora, stanu instalacji, dostępnych systemów bezpieczeństwa i możliwości odprowadzania ciepła.
Fukushima, czyli przykład station blackout
Jednym z najbardziej znanych przypadków station blackout była awaria elektrowni Fukushima Daiichi w 2011 roku.
Po trzęsieniu ziemi reaktory znajdujące się w eksploatacji automatycznie się wyłączyły, ale elektrownia straciła zasilanie zewnętrzne. Następnie tsunami zalało znaczną część infrastruktury, w tym awaryjne generatory dieslowskie i urządzenia elektryczne.
Reaktory były wyłączone, ale nadal wymagały chłodzenia. W kolejnych godzinach i dniach możliwości odprowadzania ciepła zostały poważnie ograniczone. W blokach 1-3 doszło ostatecznie do znacznego uszkodzenia i stopienia rdzeni.
Station blackout nie zawsze prowadzi do stopienia rdzenia
Jeżeli uda się utrzymać chłodzenie albo odpowiednio szybko przywrócić zasilanie, reaktor może zostać bezpiecznie schłodzony bez uszkodzenia rdzenia.
Współczesne elektrownie (między innymi reaktor AP1000, który ma być budowany w Polsce) na wiele sposobów mogą poradzić sobie z utratą zasilania. Oprócz generatorów i baterii stosuje się dodatkowe źródła energii oraz systemy wykorzystujące grawitację, naturalną konwekcję i różnice ciśnień.
W nowszych konstrukcjach systemy pasywne mogą przez określony czas odprowadzać ciepło bez pracy pomp zasilanych energią elektryczną.
Trochę dokładniej…
Aby chłodzić reaktor bez prądu, zaprojektowano system RCIC (Reactor Core Isolation Cooling). To pompa, którą napędza para wodna wytwarzana przez ciepło odpadowe samego reaktora. System ten potrafi chłodzić rdzeń w czasie SBO, jednak do sterowania zaworami i tak potrzebuje minimalnej ilości prądu DC z baterii. W Fukushimie utrata zasilania DC poważnie ograniczyła możliwość sterowania i monitorowania systemu RCIC.
Po lekcji z Japonii, w elektrowniach jądrowych wprowadzono strategię FLEX. W bezpiecznych, odpornych na katastrofy schronach w pobliżu elektrowni znajdują się mobilne generatory prądu, pompy spalinowe oraz ciężarówki. W razie SBO i zniszczenia stacjonarnych systemów, przeszkolony personel może podjechać, podpiąć mobilny sprzęt i zacząć pompować wodę do reaktora.
Podsumowanie
Station blackout nie oznacza automatycznie stopienia rdzenia, jeśli tylko uda się odprowadzać ciepło powyłączeniowe mimo utraty zasilania.
To właśnie dlatego bezpieczeństwo reaktora obejmuje nie tylko szybkie zatrzymanie reakcji łańcuchowej, ale również zapewnienie chłodzenia po wyłączeniu.
Tymczasem w Polsce…
Główne mechanizmy i procedury przeciwdziałania SBO w przyszłej polskiej elektrowni Lubiatowo-Kopalino to:
- 72 godziny całkowitej autonomii bez prądu i człowieka
Przez pierwsze 3 doby (72 godziny) po SBO systemy chłodzenia rdzenia nie wymagają zasilania ani działań operatorów
- Wykorzystanie grawitacji i konwekcji zamiast pomp elektrycznych
Nad reaktorem, wewnątrz stalowej obudowy bezpieczeństwa, znajduje się gigantyczny zbiornik na wodę (część systemu PXS – Passive Core Cooling System). Po utracie zasilania, zawory otwierają się automatycznie, wykorzystując zasilanie akumulatorowe lub siłę sprężonego gazu, i woda grawitacyjnie zalewa rdzeń. Dodatkowo, podgrzana przez rdzeń woda unosi się do góry, oddaje ciepło i opada, tworząc ciągły, samoczynny obieg bez użycia ani jednej pompy.
- Efekt stalowej chłodnicy
W czasie SBO generowana wewnątrz reaktora para wodna unosi się pod sufit stalowej obudowy bezpieczeństwa (containment) i skrapla się na jej wewnętrznych ścianach. Na zewnętrzną stronę stalowej kopuły, z zewnętrznego zbiornika na dachu, grawitacyjnie spływa woda (mechanizm opisany w poprzednim punkcie). Kiedy ta woda odparuje pod wpływem ciepła, wokół kopuły uruchamia się naturalny ciąg powietrza (efekt kominowy). Powietrze z zewnątrz zasysane jest specjalnymi szczelinami w betonie, chłodzi stalowy zbiornik i uchodzi górą. System ten działa bez przerwy i bez prądu.
- Wydłużenie czasu obrony do 7 dni i dłużej
Po 72 godzinach SBO zapasy wody wewnątrz budynku mogą zacząć się wyczerpywać. Konstrukcja AP1000 pozwala jednak na proste uzupełnianie wody z zewnątrz przez kolejne 7 dni przez specjalne przyłącza pomocnicze umieszczone na zewnątrz budynków. Podpina się pod nie węże i dopompowuje wodę do zbiorników na dachu. Jest to element procedur bezpieczeństwa typu FLEX.
- Dostęp do wody z Morza Bałtyckiego
W przypadku ekstremalnych scenariuszy awaryjnych, polska elektrownia będzie chłodzona w obiegu otwartym wodą z Bałtyku.
