Tlaková nádoba reaktoru

Nádoba reaktoru použitá v první americké komerční jaderné elektrárně Shippingport . Foto z roku 1956.

Tlaková nádoba reaktoru (TNR) (anglicky Reactor Pressure Vessel - RPV) v jaderné elektrárně je tlaková nádoba obsahující chladivo jaderného reaktoru, plášť aktivní zóny a aktivní zónu reaktoru. V tlakové nádobě reaktoru probíhá veškerá jaderná reakce, díky které se vytváří teplo. Teplo je chladivem odváděno z TNR do parogenerátoru.

Klasifikace jaderných reaktorů

[editovat | editovat zdroj]
Schéma typické TNR

Většina energetických reaktorů sice tlakovou nádobu má, u každého typu reaktoru je ale jiná, některé reaktory dokonce vůbec žádnou nemají. Tlakové nádoby reaktorů lze rozdělit podle jejich chladiva:

  • Lehkovodní reaktor - Zahrnuje tlakovodní a varné reaktory. Většina jaderných reaktorů je tohoto typu. Nádoba je tvořena z několika svařených ocelových prstenců a vypuklých konců. TNR varného reaktoru je mnohem větší, protože se voda vaří přímo v nádobě.
  • Grafitem moderovaný, vodou chlazený reaktor – Zahrnuje reaktory RBMK, které mají ve srovnání s drtivou většinou jaderných elektráren velmi neobvyklou konfiguraci reaktoru. Mají namísto tlakové nádoby každý palivový soubor uzavřený v samostatné trubce o průměru 8 cm.
  • Plynem chlazený tepelný reaktor – zahrnuje pokročilé plynem chlazené reaktory, plynem chlazené rychlé reaktory a vysokoteplotní plynem chlazené reaktory. Podobně jako reaktory RBMK, plynem chlazené reaktory zpravidla TNR kvůli velkému objemu aktivní zóny nemají. Mají však betonovou obálku, ve které je celý primární okruh uzavřen.
  • Tlakový těžkovodní reaktor – jedná se o reaktory, které využívají těžkou vodu jako moderátor, příkladem těžkovodního reaktoru je kanadský reaktor CANDU. Obvykle mají moderátor uzavřený v tlakové nádobě zvané calandria, přes kterou vedou otvory pro palivové články a chladivo.
  • Reaktor chlazený kapalným kovem – využívá tekutý kov, jako je sodík nebo slitina olova a bismutu k chlazení jádra reaktoru. Nádoba sice nemusí být vysokým tlakem, musí však být odolný vůči chemické korozi i erozi. Zpravidla je proto vyrobena z nerezové oceli.
  • Reaktor s roztavenou solí - jako chladivo se používají soli, typicky fluoridy alkalických kovů a kovů alkalických zemin. TNR srovnatelná s LMR.

Z hlavních tříd reaktorů s tlakovou nádobou je tlakovodní reaktor jedinečný v tom, že tlaková nádoba je během provozu vystavena značnému ozáření neutrony a v důsledku toho může časem zkřehnout. Zejména větší tlaková nádoba varného reaktoru je lépe chráněna před tokem neutronů. Ačkoliv je výroba nákladnější především kvůli velikosti, má výhodu v tom, že pro prodloužení její životnosti nepotřebuje žíhání jako je tomu u tlakovodních reaktorů.

Žíhání tlakovodních reaktorových nádob za účelem prodloužení jejich životnosti je komplexní a vysoce hodnotná technologie aktivně vyvíjená jak výrobci jaderných komponent, tak provozovateli tlakovodních reaktorů.

Komponenty tlakové nádoby tlakovodního reaktoru

[editovat | editovat zdroj]
Tělo reaktorové nádoby a hlava nádoby na cestě do drážďanské jaderné elektrárny

Všechny tlakové nádoby tlakovodních reaktorů sdílejí některé vlastnosti bez ohledu na konkrétní konstrukci.

Tělo nádoby reaktoru

[editovat | editovat zdroj]

Těleso nádoby reaktoru je největší součástí. Během provozu se uvnitř nachází palivové soubory, chladivo a armatury pro podporu toku chladiva a nosné konstrukce. Obvykle má válcový tvar a je nahoře otevřená pro jednodušší výměnu paliva.

Hlava nádoby reaktoru

[editovat | editovat zdroj]
Hlava nádoby reaktoru pro tlakovodní reaktor

Tato konstrukce je připevněna k horní části těla nádoby reaktoru. Obsahuje otvory, které umožňují přichycení hnacího mechanismu řídicích tyčí k řídicím tyčím v palivovém souboru. Sondy pro měření hladiny chladiva, teploty a neutronového toku také vstupují do nádoby přes hlavu nádoby reaktoru.

Palivový soubor

[editovat | editovat zdroj]

Palivový soubor jaderného paliva se skládá palivových tyčí naplněných tabletami z uranu či plutonia. Palivové tyče jsou obvykle uspořádány ve čtvercové geometrii. Sovětské reaktory využívají hexagonální geometrii.

Neutronový reflektor nebo absorbér

[editovat | editovat zdroj]

Válcový štít ovinutý kolem aktivní zóny, který chrání vnitřek nádoby před rychlými neutrony unikajícími z palivového souboru. Reflektory odráží neutrony zpět do palivového souboru, aby zlepšili úsporu neutronů. Hlavním účelem je však chránit nádobu před poškozením způsobeným rychlými neutrony, které mohou způsobit křehnutí nádoby a snížit její životnost.

Materiál

[editovat | editovat zdroj]

TNR hraje kritickou roli v bezpečnosti reaktoru PWR a použité materiály musí být schopny spolehlivě odolat tlaku a teplotě uvnitř nádoby.[1][2] Materiály použité ve válcové části nádoby se postupem času vyvíjely, ale obecně se skládají z nízkolegovaných feritických ocelí plátovaných 3-10 mm austenitické nerezové oceli . Výstelka z nerezové oceli se primárně používá v místech, která přicházejí do styku s chladicí kapalinou, aby se minimalizovala koroze.[2] V 60. letech se v těle nádoby používal molybden-manganový plechSA-302 třídy B. Postupem času byly vyžadovány větší tlakové nádoby a ke zvýšení meze kluzu bylo vyžadováno přidání zhruba 0,4 až 0,7 % niklu do této slitiny. Mezi další běžné slitiny oceli patří SA-533 Grade B Class 1 a SA-508 Class 2.[2] Oba materiály mají jako hlavní legovací prvky nikl, mangan, molybden a křemík. SA-508 Class 2 také obsahuje stopy chromu. Nízkolegované feritické oceli NiMoMn jsou pro tento účel atraktivní díky své vysoké tepelné vodivosti a nízké tepelné roztažnosti, což jsou vlastnosti, které je činí odolnými vůči teplotním šokům.[3] Při porovnávání vlastností těchto ocelí je však třeba brát v úvahu odolnost vůči poškození zářením.

V roce 2018 Rosatom oznámil, že vyvinul techniku tepelného žíhání pro RPV, která zmírňuje poškození zářením a prodlužuje životnost o 15 až 30 let. Tato metoda byla demonstrována na 1. bloku jaderné elektrárny Balakovo.[4]

Radiační poškození kovů a slitin

[editovat | editovat zdroj]
Výroba tlakové nádoby VVER-1000/320 v Atommaši v Sovětském Svazu, 1982
Nepoužitá tlaková nádoba VVER-440/213 u výrobce Škoda JS, původně určená pro jadernou elektrárnu Żarnowiec
Nepoužitá tlaková nádoba VVER-440/213 u výrobce Škoda JS, původně určená pro jadernou elektrárnu Żarnowiec

Vzhledem k povaze výroby jaderné energie jsou materiály používané v RPV neustále bombardovány vysokoenergetickými částicemi, zpravidla neutrony a gamma zářením.[5] Když se jedna z těchto částic srazí s atomem v materiálu, předá část své kinetické energie a vyrazí atom z jeho pozice v mřížce. Když k tomu dojde, tento primární "knock-on" atom, který byl přemístěn se může odrazit a vyrazit další atomy z mřížky.[5] Tento jev může způsobit vytlačení mnoha atomů z jejich původních pozic a vytvoření mnoha typů defektů. Hromadění různých defektů může způsobit mikrostrukturální změny, které vedou k degradaci makroskopických vlastností. Kaskádová reakce způsobená primárními knock-on atomy často zanechává stopu volných míst a shluků defektů na okraji. Tento jev se nazývá kaskáda posunu. V centru kaskády přemístění je spousta volného místa, které se také může zhroutit do dislokačních smyček. Vlivem ozařování mají materiály tendenci vyvíjet vyšší koncentraci defektů, než je tomu u typických ocelí a vysoké provozní teploty vyvolávají migraci defektů. To může způsobit například rekombinaci intersticiálních a prázdných míst či shlukování podobných defektů, které mohou buď vytvářet nebo rozpouštět sraženiny a dutiny. Příklady propadů nebo termodynamicky příznivých míst pro migraci defektů jsou hranice zrn, dutiny, nekoherentní precipitáty a dislokace.

Kvůli drsným podmínkám je TNR kritickou komponentou omezující životnost elektrárny. Pochopení účinků záření na mikrostrukturu spolu s fyzikálními a mechanickými vlastnostmi materiálů umožní vědcům navrhnout slitiny odolnější vůči poškození zářením.

Výrobci

[editovat | editovat zdroj]

Kvůli extrémní náročnosti na stavbu velkých tlakových nádob reaktorů a omezenému trhu je na světě jen několik výrobců:[6]

  • Indická dceřiná společnost L&T Special Steels and Heavy Forgings Limited konglomerátu Larsen & Toubro ve spolupráci s Bhabha Atomic Research Center a NPCIL[10]
  • Ruské United Heavy Machinery (OMZ-Izhora), ZiO-Podolsk a AEM-Atommash Volgodonsk
  • Jihokorejská Doosan Group
  • Britská Rolls-Royce plc vyrábí reaktory pro ponorky Royal Navy Submarines

Odkazy

[editovat | editovat zdroj]

Reference

[editovat | editovat zdroj]
  1. ↑ ZINKLE, Steven J.; BUSBY, Jeremy T. Structural materials for fission & fusion energy. Materials Today. 2009-11-01, roč. 12, čís. 11, s. 12–19. Dostupné online [cit. 2023-08-13]. ISSN 1369-7021. DOI 10.1016/S1369-7021(09)70294-9. (anglicky) 
  2. ↑ a b c "Assessment and management of ageing of major nuclear power plant components important to safety: PWR pressure vessels". International Atomic Energy Agency. 1999.
  3. ↑ BLAGOEVA, D. T.; DEBARBERIS, L.; JONG, M. Stability of ferritic steel to higher doses: Survey of reactor pressure vessel steel data and comparison with candidate materials for future nuclear systems. International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2014-10-01, roč. 122, s. 1–5. Dostupné online [cit. 2023-08-13]. ISSN 0308-0161. DOI 10.1016/j.ijpvp.2014.06.001. (anglicky) 
  4. ↑ Rosatom launches annealing technology for VVER-1000 units : Corporate - World Nuclear News. www.world-nuclear-news.org [online]. [cit. 2023-08-13]. Dostupné online. 
  5. ↑ a b SERVER, William L.; NANSTAD, Randy K. International Atomic Energy Agency Coordinated Research Projects on Structural Integrity of Reactor Pressure Vessels. 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA 19428-2959: ASTM International Dostupné online. S. 1–1-25. 
  6. ↑ Dostupné online. 
  7. ↑ S.R.O, Akcent. Profil společnosti | ŠKODA JS a.s. [online]. [cit. 2023-08-13]. Dostupné online. 
  8. ↑ Reactor Pressure Vessel Is Installed in Hualong One. www.yicaiglobal.com [online]. [cit. 2023-08-13]. Dostupné online. (anglicky) 
  9. ↑ Le Creusot to resume manufacture of forgings - World Nuclear News. www.world-nuclear-news.org [online]. [cit. 2023-08-13]. Dostupné online. 
  10. ↑ Mishra, P.K; Shrivastav, Vivek. "Heavy steel forgings for Pressurised Water Reactor program" (PDF). BARC Newsletter. 377 (July-August 2021): 38. Retrieved 30 August 2021.
  11. ↑ Toshiba Gives IHI Contract For Pressure Vessel For First ABWR In U.S. - News - Nuclear Power News - Nuclear Street - Nuclear Power Plant News, Jobs, and Careers. nuclearstreet.com [online]. [cit. 2023-08-13]. Dostupné online. 

Související články

[editovat | editovat zdroj]

Externí odkazy

[editovat | editovat zdroj]