Naše nová metodika pomůže odhadnout podmínky v kontejnmentu při těžké havárii

 Aplikace správné strategie pro zvládání těžké havárie závisí na znalosti podmínek v kontejnmentu

Základním bezpečnostním principem adoptovaným pro jaderné reaktory lehkovodního typu je tzv. ochrana do hloubky („defense in depth“, DiD), která je tvořena celkem pěti úrovněmi (stupni). Zjednodušený popis cílů pro každou z úrovní DiD je následující: (1) prevence vzniku poruch, (2) zvládání abnormálního provozu, (3) zvládání projektových nehod, (4) zvládání těžkých havárií a (5) omezení radiačních následků vně elektrárny. Fyzicky existují 4 stupně ochrany do hloubky, zamezující úniku štěpných produktů (ŠP) do okolí elektrárny, a to: (1) matrice paliva, (2) povlak palivových proutků, (3) hranice primárního okruhu a (4) ochranná obálka reaktoru – tzv. kontejnment (KTMT). V případě selhání opatření z třetí úrovně DiD dochází ke vzniku těžké havárie (TH), tj. k vážnému poškození jaderného paliva vedoucímu až k tavení  aktivní zóny (AZ) reaktoru a následnému úniku radioaktivity do prostor KTMT. Na rozdíl od projektových nehod, kdy do KTMT uniká aktivita obsažená zejména v primárním chladivu, dochází při TH k úniku i ŠP původně lokalizovaných v matrici paliva, resp. v hermetickém povlaku palivových proutků. V případě vzniku TH se pro jejich zvládání a zmírňování jejich následků aplikují tzv. návody pro zvládání TH (severe accident management guideline, SAMG), které obsahují strategie vedoucí k minimalizaci úniku ŠP vně KTMT. Tohoto cíle je dosaženo tím, že je zajištěno udržení celistvosti KTMT. Pro účinnou aplikaci strategií SAMG je třeba znát podmínky panující uvnitř KTMT, jež jsou snímány pomocí široké škály čidel a detektorů. Jejich funkčnost však může být ohrožena v případě nastalé TH právě ionizujícím zářením, přítomným v prostorách KTMT.

Nová metodika je založena na výpočetních programech MELCOR a SCALE/MAVRIC

V oddělení Těžké havárie a termomechanika divize Jaderná bezpečnost a spolehlivost byla proto vyvinuta metodika pro odhad dávkového příkonu na určité zařízení v průběhu TH v KTMT jaderné elektrárny (JE). Metodika se skládá ze sekvence numerických analýz provedených specializovanými kódy MELCOR (Sandia National Laboratory, USA) a SCALE/MAVRIC (Oak Ridge National Laboratory, USA). Výpočty oběma kódy mají přesně definované postupy pro volby počátečních a okrajových podmínek, pro samotné provedení výpočtů, pro přenos dat mezi oběma kódy a pro interpretaci získaných výsledků. Prvně jmenovaný kód MELCOR je určen pro analýzy odezvy bloků s lehkovodními typy reaktorů na vznik TH a je tzv. integrálního typu, což znamená, že pokrývá všechny relevantní procesy v průběhu rozvoje TH: termo-hydraulické procesy v AZ, v primárním systému i v KTMT, procesy spjaté s degradací a tavením paliva a procesy uvolňování a transportu ŠP v primárním systému, resp. v KTMT až po jejich možný únik z KTMT do okolí. Právě výsledky MELCORu – ve formě množství ŠP v podobě par či aerosolů ve vznosu, usazených na strukturách či obsažených ve vodních jímkách – slouží jako vstup do druhého kódu SCALE/MAVRIC. Data z kódu MELCOR jsou nejprve strojově konvertována na zdrojové členy pro výpočet dávek. Tyto zdroje jsou následně definovány na příslušná místa do předem připraveného modelu JE Temelín nebo Dukovany, je možno takto simulovat zdroje záření v atmosféře, na zdech nebo ve vodě na podlaze. Časová náročnost takových výpočtů je značná, pročež je ve SCALE implementován modul, který automatickým způsobem zefektivňuje následný dozimetrický výpočet pomocí tvorby mapy váhových oken – pomyslné sítě, která simulovaným částicím přiřadí různou váhu v závislosti na tom, jestli simulovaná částice letí vstříc detektoru nebo ne. Dozimetrická hybridní (deterministická i stochastická) sekvence kódů MAVRIC umožňuje v rozumném výpočetním čase simulovat velké množství zdrojů i detektorů, čímž i v dnešní době prakticky nemá konkurenci. Na výstupu z MAVRIC je sada dávkových příkonů v jednotkách Gy/hod, je však možné obdržet komplexní mapu rozložení dávkových příkonů v místnosti ve 3D.

Pilotní výpočet stanovil dávkový příkon na snímač koncentrace vodíku

Vyvinutá metodika byla aplikována na pilotní výpočet dávkového příkonu na snímač koncentrace vodíku PACHMS TQ00Q006, nacházející se v místnosti GA306/2 (místnost potrubí a armatur havarijních systémů) v KTMT JE Temelín. „Přežitelnost“ tohoto čidla v průběhu TH umožňuje monitoring koncentrace H₂ v této místnosti. Vodík, jak známo, je hořlavý až výbušný plyn a překročení určité limitní hodnoty jeho koncentrace v KTMT spouští proces implementace strategie SAMG s označením SAG-7 „Snížení objemu vodíku v kontejnmentu“. Postulovanou TH byla ztráta chladiva indukovaná gilotinovým prasknutím primárního potrubí současně se ztrátou všech aktivních havarijních systémů (kromě diverzního systému pro zaplavení spodní části KTMT z důvodu chlazení roztavené AZ vně reaktorovou nádobu; zaplavení KTMT mělo za účel prověřit vyvinutou metodiku vzhledem k existenci vodní jímky na dně místnosti s umístěným předmětným čidlem koncentrace vodíku). Schéma části KTMT s vyznačením přibližného umístění zkoumaného čidla H₂, společně se schématem numerického modelu připraveného pro kód MAVRIC, jsou ukázány na Obr. 1. Výsledek analýzy ve formě časové závislosti dávkového příkonu je uveden na Obr. 2. Spočtený průběh lze interpretovat tak, že po dobu trvání výpočtu (3 dny od iniciace TH) se vyčerpala cca poloviční dávka z kvalifikace zařízení.

Obrázek 1: Schéma části KTMT s umístěním čidla (nahoře), příslušné modelové znázornění relevantních prostor v jeho okolí pro výpočet kódem MAVRIC (dole).

Obrázek 2: Průběh dávkového příkonu na čidlo vodíkové koncentrace PACHMS TQ00Q006.

 Vývoj metodiky byl výstupem z projektu „Pokročilé analytické nástroje pro těžké havárie“, financovaném z programu Epsilon 2 Technologické agentury ČR (č. projektu TH02020666).