K problematice paliva ETE

Vzhledem k trvajícímu zájmu veřejnosti a některých médií v zahraničí i u nás doma o problémy palivových souborů na Jaderné elektrárně Temelín podáváme opětovně aktualizovanou a rozšířenou informaci, doplněnou o výsledky získané do 24.5.2007.

Celý projekt jaderné elektrárny vychází z mnoha bezpečnostních principů. Jedním z nejdůležitějších je princip ochrany do hloubky, který zabezpečuje oddělení ionizujícího záření a radioaktivních látek od životního prostředí pomocí vícenásobných fyzických bariér, bránících šíření ionizujícího záření a radionuklidů do životního prostředí a s opakovaným použitím systému technických a organizačních opatření sloužících k ochraně a zachování účinnosti těchto bariér.

Ochrana je zajištěna pomocí čtyř postupných fyzických bariér bránících úniku štěpných produktů:

• palivové matrice,
• povlaku palivových proutků,
• hermetické hranice okruhu primárního chladiva a
• kontejnmentu.

Někdy se za první bezpečnostní bariéru označuje až pokrytí palivových proutků.

První bezpečnostní bariéra je palivová matrice, která je stálá, ve vodě nerozpustná - t.zv.keramické palivo. Bezpečnostním cílem pokrytí palivových proutků (druhá bezpečnostní bariéra) je zabránit šíření produktů štěpení do primárního okruhu jaderné elektrárny. Třetí bariéra tvoří tlakovou hranici primárního okruhu s bezpečnostním cílem zabránit únikům radioaktivního média do vnitřních prostor jaderné elektrárny a čtvrtá bariéra je tvořena kontejnmentem, který projektově slouží k oddělení radioaktivity od životního prostředí.

Fyzické bariéry jsou chráněny systémem ochranných opatření. Tato ochranná opatření obsahují pět úrovní:

• První úroveň obsahuje prevenci abnormálních provozních stavů a poruch technických zařízení.
• Druhá úroveň zahrnuje řízení abnormálních provozních režimů a detekci poruch.
• Třetí úroveň znamená řízení a zvládání projektových havárií.
• Čtvrtá úroveň ochranných opatření zahrnuje prevenci a zvládání nadprojektových a těžkých havárií (SAM a SAMG) na jaderné elektrárně. Cílem opatření zahrnutých v této úrovni je snížení pravděpodobnosti vzniku havárie spojené s rozsáhlou degradací aktivní zóny a redukce velikosti radioaktivních úniků na stupeň, který je rozumně dosažitelný (s vynaložením přijatelného úsilí a finančních prostředků). Čtvrtá úroveň obsahuje dodatečná opatření v případě, že shora uvedené tři úrovně ochranných opatření selžou a to následkem
  • málo pravděpodobných iniciačních událostí (zemětřesení, požáry, vnější události),
  • kombinací více poruch technického zařízení a
  • nesprávným zásahem personálu elektrárny včetně možné kombinace s poruchou zařízení.
• Pátá úroveň musí zahrnovat havarijní opatření v okolí jaderné elektrárny, jejichž cílem je redukovat radiologické následky havárie zejména pro obyvatelstvo (evakuace, ukrytí, podávání jodových tablet a pod.).

Netěsnosti paliva

Jaderný reaktor v elektrárně Temelín pracuje se 163 palivovými soubory, z nichž každý obsahuje 312 palivových proutků. Projekt každé jaderné elektrárny počítá s určitým množstvím vzniku netěsností těchto proutků. Toto množství je na základě bezpečnostních analýz a schopnosti čistících systémů omezeno způsobenou aktivitou a stanoveno v Limitách a podmínkách bezpečného provozu, které jsou v souladu se zákonem schvalovány SÚJB. V Jaderné elektrárně Temelín je těsnost palivových proutků kontrolována sledováním měrné aktivity chladiva primárního okruhu. Limitní podmínka A 3.4.10 stanovuje hodnotu měrné aktivity, která nesmí překročit hodnoty

1. Ekvivalent I-131 = 2,6 . 10⁷ Bq/kg
2. Celková měrná aktivita = 3,7 . 10⁹ Bq/l

Vzhledem k identifikovaným netěsnostem paliva SÚJB rozhodl, že držitel povolení je povinen při dosažení hodnot aktivity I-134 5x10⁵ Bq/l nebo ekvivalentu I-131 2,29x10⁶ Bq/l nebo ekvivalentu I-131 (spike) 6,86x107 Bq/l nebo celkové měrné aktivity 8,44x108 Bq/l vyhodnotit a potvrdit hodnoty do 24 hodin, do 48 hodin po potvrzení výsledků analýzy převést blok do REŽIMU 4 s teplotou v horkých větvích menších než 237 0C a odstavit blok v souladu s provozními předpisy .
Pro kontrolu a vyhledávání netěsností pokrytí ozářeného paliva se používají dva samostatné systémy:
a) on-line sipping který provádí kvalitativní měření a zjišťuje, který z palivových souborů je poškozen. Systém je založen na plynové metodě kontinuálních změn v koncentraci Xe 133,
b) off-line sipping který provádí kvantitativní měření poškozeného palivového souboru a slouží ke stanovení rozsahu poškození. Měření se provádí na palivovém souboru uzavřeném ve speciálním palivovém pouzdře.

Přehled zjištěných netěsností paliva na JE Temelín

PS označuje palivový soubor, PP pak palivový proutek
Celkový výskyt netěsných palivových souborů pro oba bloky dosáhl počtu 25 PS (z toho 12 u 1. bloku). Pro soubory, kde nebyl zjišťován rozsah poškození, se předpokládá porušení 1 palivového proutku.

Hlavní výrobní blok 1
V průběhu 2. kampaně 1. bloku existovaly signály o plynové netěsnosti některého z palivových souborů. On-line sipping označil jako potenciálně netěsné 2 palivové soubory AB31 a AC03, off-line sipping potvrdil netěsnost pouze na souboru AC03. Oba palivové soubory byly vyvezeny a uloženy v bazénu skladování vyhořelého paliva. JE Temelín je provozována s rozebíratelným palivem (jako první reaktor VVER na světě), což umožňuje při identifikaci netěsného palivového proutku jeho vyjmutí a nahrazení. V květnu 2003 nebylo ale zprovozněno měření ultrazvukem, které je používáno k vyhledání netěsného palivového proutku, proto bylo rozhodnuto tento palivový soubor (AC03) do aktivní zóny nezavážet a nahradit novým souborem. Po 3. výměně paliva bylo zjištěno pomocí on-line sippingu prováděného na všech PS využívaných ve 3. kampani 5 netěsných PS. Tyto PS se podrobily zkoušce na off-line sippingu, kde byla jejich netěsnost potvrzena. Jeden PS byl opraven (AD15), po opravě byl kontrolován znovu off-line sppingem, úspěšnost opravy byla potvrzena. Po 4. kampani bylo identifikováno 6 netěsných PS: AD05, AD23, AD30, AD37, AD41 a AE21.

Hlavní výrobní blok 2
Zvýšení aktivit jódu 131 ze začátku srpna 2003, s následným zvýšením aktivit xenonu, indikovalo netěsnost paliva, zirkon a niob nebyly detekovány. Pro zjištění netěsného palivového souboru byl opět použit on-line sipping, který však v důsledku poruchy nemohl být od 53. kontrolovaného palivové souboru dále používán. Již v průběhu kampaně byl stanoven pravděpodobný počet netěsných palivových souborů, tento počet byl po skončení kampaně upřesněn na 1 až 3, což následně bylo kontrolou na stendu inspekcí a oprav jaderného paliva potvrzeno. Dále bylo, nad rozsah stanovených provozních kontrol, vybráno 48 palivových souborů, u kterých byla provedena kontrola. Ve vybrané skupině 48 souborů byly potvrzeny jako netěsné tři (BC33, BC08, BC10), které byly následně zavezeny do stendu oprav, kde byly metodou ultrazvuku vyhledány netěsné palivové proutky. Opravené soubory byly po opravě odzkoušeny na těsnost, dva byly jako těsné zavezeny zpět do aktivní zóny, třetí (BC10) však vykazoval přítomnost netěsného palivového proutku i po opravě a tudíž byl vyřazen z dalšího provozu. Po 3. kampani byly pomocí systému ultrazvukové detekce netěsnosti na MSIO detekovány netěsné / podezřelé tyto palivové proutky: BE07, BE10 , BE28 , BE31 a BE42 . Na všech vyjmutých PP (vyjma proutků v PS BE28) byla provedena i vizuální kontrola.
Přehled maximálních sumárních aktivit primárního chladiva

Z porovnání uvedených hodnot aktivit s hodnotou limitní podmínky (3,7.10⁹ Bq/l) vyplývá rezerva dvou až tří řádů a tudíž i zcela zanedbatelného vlivu na jadernou bezpečnost. Státní dozor neměl důvod k restrikčním opatřením pro provozu bloků se symptomy plynových netěsností paliva.

Mechanické deformace
Mechanické deformace palivových proutků a souborů ve smyslu odchylek od ideálního geometrického tvaru a prodlužování délky palivového souboru (radiační růst) jsou přirozeným jevem doprovázejícím produkci energie v aktivních zónách reaktorů.
a) palivové proutky
Bezpečnostní analýzy pro provoz reaktorů jsou provedeny s určitými předpoklady mechanických deformací palivových proutků. Důvodem těchto deformací je nerovnoměrná přítlačná síla distančních mřížek udržujících geometrii palivových souborů. Míra mechanických deformací je omezena uvažovaným průtočným průřezem pro chladivo v místě deformace. Pro projektování prvních aktivních zón JE Temelín bylo uvažováno snížení průtočného průřezu až o 51%. Po třetí palivové kampani 1. bloku na základě provedených kontrol a měření se tato hodnota přiblížila ke 49%. Z toho důvodu provozovatel a výrobce paliva projektoval aktivní zónu pro 4. kampaň s konzervativním předpokladem možného dotyku palivových proutků.
b) palivové soubory
Obdobně jako u palivových proutků dochází i u palivových souborů ke geometrickým změnám. Tyto jsou způsobeny zejména radiačním růstem skeletu palivového souboru a projevují se ohybem a kroucením. Na JE Temelín byl maximální radiační růst naměřen u 1. bloku ve třetí kampani, a to 10,18 mm a prohnutí 29 mm. Samotné hodnoty rozměrů deformací nejsou důležité, z hlediska jaderné bezpečnosti je důležitá funkceschopnost mechanické regulace reaktoru – klastrů, která může být těmito deformacemi ovlivněna. Bezpečná funkce klastrů je definována limitní podmínkou A.3.1.4., která stanovuje, že klastry musí být schopny pádu do aktivní zóny a doba od jejich uvolnění z horních koncových poloh do jejich vstupů do hydraulických tlumičů vodících trubek musí být menší nebo rovná 3,5 s. V důsledku výše uvedených geometrických změn paliva 1. i 2. bloku bylo identifikováno neúplné dosednutí některých klastrů po jejich průletu aktivní zónou. Od zjištění nedosedání klastrů byly a jsou pády klastrů opakovaně testovány v intervalech stanovených SÚJB.
Výsledky zkoušky pádu klastrů provedené 2. června 2006 na 1. bloku ukázaly další zhoršení deformací vodicích trubek klastrů, protože se počet nedosednutých klastrů opětně zvýšil a navíc dva z těchto klastrů se zastavily nad úrovní hydraulických tlumičů, tedy nesplnily stanovenou limitní podmínku. Provozovatel se na základě těchto výsledků, v souladu s požadavkem SÚJB, rozhodl 1. blok odstavit do předčasné odstávky na výměnu paliva.
Výsledky sledování a testování paliva jsou používány ke zlepšení konstrukce palivového souboru a k potvrzení, že projektové zásady a bezpečnostní kritéria jsou splněna. Pro odstranění neúplného dosedání klastrů byly navrženy a schváleny modifikace konstrukce palivových souborů a částečná modifikace byla realizována během odstávek na výměnu paliva na obou blocích ( závěsné tyče).
Trend počtu nedosednutých klastrů je analyzován především z hlediska možného zhoršujícího se vývoje. Na základě těchto analýz byla zvážena a již realizována možnost při výměnách paliva za palivové soubory, u nichž byla změněna technologie hydraulického tlumiče pro zvýšení tuhosti vodících trubek.


Počet klastrů, které nedosedly úplně při provedených testech v letech 2005 - 2007

Hlavní výrobní blok 1

* automatické aktivní zapůsobení ochran při události z 26. 4. 2007 - Výpadek jednoho HCČ

Hlavní výrobní blok 2

Provoz jaderného paliva je svázán s uvedenými problémy, které by mohly mít potenciální dopad na jadernou bezpečnost. Podobné problémy se vyskytly u všech u všech typů reaktorů a výrobců paliva. Poškození palivových souborů ETE se nachází v rozsahu, vymezeném dosahovaným poškozením palivových souborů na jiných provozovaných blocích v zahraničí s obdobným typem paliva. Přijatá řešení, modifikace a kontroly však zajišťují provoz reaktorů v souladu se stanovenými požadavky a dostatečnou zásobou jaderné bezpečnosti.

Na základě provozní zkušenosti (a v rámci zlepšování kvality paliva VVANTAGE 6) předložil ČEZ, a. s., další návrh dílčí konstrukční změny paliva s cílem omezit geometrické změny paliva změnou materiálu ze Zircaloy-4 (je používán u stávajícího paliva VVANTAGE 6) na ZIRLO TM (použití u vodících trubek, instrumentačních trubek a pokrytí palivových proutků) a s modifikovanou konstrukcí vodících trubek. Tyto dílčí konstrukční změny paliva byly již povoleny Rozhodnutím SÚJB. Cílem další předložené úpravy je omezení poškozování povlaku opotřebením vlivem tření způsobeném vibrací palivových proutků v místech styku s distančními mřížkami nahrazení nejspodnější vnitřní mřížky bez směšovacích křidélek z materiálu Zircaloy-4 mřížkou bez směšovacích křidélek z inconelové slitiny Alloy 718. Vliv této navržené dílčí konstrukční změny a její vliv je ve stadiu posuzování.