Atomenergetikai alapismeretek

Atomenergetikai alapismeretek 13. előadás: A nukleáris biztonság alapjai Prof. Dr. Aszódi Attila Egyetemi tanár, BME Nukleáris Technikai Intézet Budapest, 2019. május 7. Prof. Dr. Aszódi Attila 1 Az atomerőmű specialitásai A láncreakció intenzitása, a láncreakcióban felszabaduló hő mennyisége nagyon széles határok között változhat Rövid időre a névleges teljesítmény akár sokszorosa is felszabadulhat (akár több nagyságrenddel nagyobb teljesítmény is). A láncreakció leállítása után is termelődik hő az üzemanyagban, amit nem lehet kikapcsolni (remanens hő termelődés). A besugárzott üzemanyag és a járulékosan keletkező radioaktív hulladékok térfogata kicsi (nagy a teljesítmény-sűrűség), de a sugárzó anyag nagy veszélyességű, a dolgozók, a lakosság és a környezet védelméről különösen nagy odafigyeléssel kell gondoskodni. Megoldás: biztonsági funkciók ellátásának biztosítása USA, 1950-es évek: védőzóna sugara (ha nincs védőépület) =0.016 [] Forrás: Gianni Petrangeli: Nuclear Safety, Elsevier, 2006 Prof. Dr. Aszódi Attila 2

Az atomerőmű specialitásai A kiégett üzemanyag összetétele Nagy energetikai reaktorban a leállás utáni 2. órában ~10 7 TBq nemesgáz, ~10 7 TBq cézium, ~2*10 7 TBq jód hasadási termék aktivitás a zónában. Forrás: Elter József: Biztonsági funkciók és biztonsági rendszerek (in Elter, Gadó, Holló, Lux: Atomreaktorok biztonsága, ELTE Eötvös Kiadó, 2013) 50 MWd/kgU kiégetettségű, eredetileg 4,2% dúsítású VVER-440 üzemanyag összetétele a besugárzást követően (0 év pihentetés) Adatok forrása: Dr. Halász Máté, saját ábrázolás FP Fission Products (hasadási termékek) MA Minor Actinides (másodlagos aktinidák) Prof. Dr. Aszódi Attila 3 A biztonság alappillérei: a 3S Safety Nukleáris biztonság 118/2011 Korm. rendelet a nukleáris létesítmények nukleáris biztonsági követelményeiről és az ezzel összefüggő hatósági tevékenységről Security Fizikai védelem 190/2011. (IX. 19.) Korm. rendelet az atomenergia alkalmazása körében a fizikai védelemről és a kapcsolódó engedélyezési, jelentési és ellenőrzési rendszerről Safeguards Nukleáris biztosíték 7/2007 IRM rendelet a nukleáris anyagok nyilvántartásának és ellenőrzésének szabályairól és a 302/20058 EURATOM rendelet az Euratom biztosítéki rendelkezéseinek alkalmazásáról Atomerőmű létesítésének (és működésének) nukleáris biztonsági, védettségi és biztosítéki engedélyezése az Országos Atomenergia Hivatal (OAH) feladata. Mindhárom S a környezet, az élővilág, az emberek (a lakosság és a dolgozók) védelmét szolgálja! Prof. Dr. Aszódi Attila 4

A biztonság alappillérei: a 3S Nukleáris biztosítéki feladatok, az atomenergia békés célra történő alkalmazásának felügyelete az atomfegyver célú anyagok és technológiák terjedésének megakadályozása érdekében: - nukleáris anyagok szállításának, csomagolásának ellenőrzése - nukleáris anyagok központi nyilvántartásba vétele és ellenőrzése - radioaktív anyagok központi nyilvántartása és ellenőrzése - nukleáris és nukleáris kettős felhasználású termékek exportjának és importjának engedélyezése Safeguards Cél: non-proliferáció Prof. Dr. Aszódi Attila 5 A biztonság alappillérei: a 3S Nukleáris védettségi feladatok, nukleáris létesítmények fizikai védelmének felügyelete: Jogtalan eltulajdonítás, szabotázs és egyéb bűncselekmények megelőzése engedély nélküli, jogellenes cselekmény meggátolása, elrettentése(pl. szankciókkal), észlelése illegális forgalmazás, engedély nélküli tevékenység felismerése (pl. kereskedelem monitorozás) késleltetése, elhárítása következmények enyhítése, felszámolása, elkövetők azonosítása, büntetése, talált vagy lefoglalt nukleáris anyaggal kapcsolatos intézkedések végrehajtása. Security Prof. Dr. Aszódi Attila 6

A biztonság alappillérei: a 3S Nukleáris biztonsági feladatok, nukleáris létesítmények műszaki biztonsági felügyelete. Eszközei: 1. engedélyezés 2. ellenőrzés 3. értékelés 4. érvényesítés Safety A továbbiakban a nukleáris biztonsági (safety) kérdésekről beszélünk. Prof. Dr. Aszódi Attila 7 Nukleáris biztonsági irányelv A Tanács 2014/87/Euratom irányelve (2014. július 8.) Háttér: A fukushimai balesetet követően: felül kell vizsgálni az Európai Unió területén található minden atomerőművet; stressztesztek az EU kérni fogja hasonló ellenállóképességi próbák végzését az EUval szomszédos országokban és világszerte; tökéletesíteni kell a nukleáris biztonságra vonatkozó legmagasabb szintű előírásokat (nemzetközi instrumentumok szintjén); a Bizottság felülvizsgálja a nukleáris biztonságra vonatkozó szabályozási keretet és 2011 végéig javaslatot tesz annak tökéletesítésére 2014. július 8-án kihirdették a 2009/71/Euratom irányelv módosítását (2017. augusztus 15-i átültetési határidővel) Prof. Dr. Aszódi Attila 8

Nukleáris biztonsági irányelv A szigorodó rendelkezések fő címzettjei: (i) Állam (ii) Hatóság (iii) Engedélyes Állam Hatóság Engedélyes felelősségi körök meghatározása szervezetek között koordináció rögzítése engedélyezési rendszer garanciáinak bevezetése + 8a. cikk nukleáris biztonsági célkitűzés széleskörű tájékoztatási kötelezettség előírása az engedélyes és a hatóság számára oktatási és képzési intézkedések nemzeti rendszer időszakos ellenőrzése (legalább 10 évente) függetlenség a nukleáris energia alkalmazásával kapcsolatos más szereplőktől megfelelő szakemberállomány és költségvetés hatáskör a szabályok meghatározására és kikényszerítésére önálló eljárási jogosultság nemzetközi szinten széleskörű tájékoztatási kötelezettség (más szervek engedélyétől függetlenül) átlátható szabályrendszer kialakítása időszakos önellenőrzés (legalább 10 évente) a felelősség kizárólagossága nem ruházható át a nukleáris biztonságot szolgáló: - irányítási rendszer - megfelelő szakember állomány - megfelelő pénzügyi források - folyamatos értékelés, ellenőrzés széleskörű tájékoztatási kötelezettség (rendes üzemi és rendkívüli esemény, baleset esetére is) intézkedések a nukleáris biztonsági kultúra előmozdítása és javítása érdekében IBF (legalább 10 évente) 8a. cikk 1) bekezdés A nukleáris létesítményt úgy kell megtervezni, hogy megelőzzék a baleseteket, illetve baleset bekövetkezése esetén elkerüljék a korai, illetve a nagymennyiségű radioaktív kibocsátásokat Prof. Dr. Aszódi Attila 9 Forrás: Paks I. Forrás: ASE Biztonsági funkciók 1. Láncreakció hatékony szabályozása és lezárása 2. Hűtés normál üzemben és üzemzavarok alatt 3. Radioaktív anyagok benntartása Prof. Dr. Aszódi Attila 10

Biztonsági funkciók 1. Láncreakció hatékony szabályozása és lezárása Viszonylag egyszerűen megvalósítható Prof. Dr. Aszódi Attila 11 Biztonsági funkciók 2. Hűtés normál üzemben és üzemzavarok alatt Normál üzemi hűtés az energiatermelési folyamat révén Üzemzavarok esetén szükséges: végső hőnyelő, amibe a leállított reaktorban keletkező remanens hő elvezethető normál üzemi hűtésen túl biztonsági hűtővíz szükséges aktív üzemzavari rendszerek áramellátása biztosítandó (minden tervezési üzemzavar alatt is) Nitrogén 5 11 8 6 Víz Víz Víz 6 Víz 2 10 2 9 7 7 3 törés 4 3 1 Prof. Dr. Aszódi Attila 12

Remanens hő 2. Hűtés normál üzemben és üzemzavarok alatt Remanens hőteljesítmény időbeli alakulása a reaktor leállítását követően a leállást megelőző üzemidő függvényében Leállás után eltelt idő Remanens hőteljesítmény 0 s (leállás pillanata) 0,070 * Q 0 1 óra 0,013 * Q 0 1 nap 5,1*10-3 * Q 0 100 nap 1,2*10-3 * Q 0 Egyfázisú hűtés vagy elgőzölögtetés esetén mennyi hűtővizet igényel ez másodpercenként és óránként? Prof. Dr. Aszódi Attila 13 Biztonsági funkciók 3. Radioaktív anyagok benntartása Megtöbbszörözött mérnöki gátak rendszere Üzemzavarok esetén szükséges továbbá: üzemanyag hűtendő, hogy integritása fennmaradjon hermetikus épület integritása biztosítandó hőelvezetés a hermetikus épületből hidrogénkeletkezés megakadályozása ha mégis keletkezne hidrogén, a hidrogénrobbanás megakadályozása 1.gát: 2.gát: 3.gát: 4.gát: Pasztilla üzemanyag pálca reaktortartály védőépület Prof. Dr. Aszódi Attila 14

Ami elromolhat, az el is romlik Véges megbízhatóságú komponensekből hogyan szerkeszthető nagy hibatűrésű és nagy megbízhatóságú rendszer? A mélységi védelem elve a veszélyes anyagok környezetbe történő kikerülésének megakadályozására Prof. Dr. Aszódi Attila 15 Prof. Dr. Aszódi Attila 16

Prof. Dr. Aszódi Attila 17 Prof. Dr. Aszódi Attila 18

Prof. Dr. Aszódi Attila 19 Prof. Dr. Aszódi Attila 20

Prof. Dr. Aszódi Attila 21 A mélységi védelem elvének svájci sajt modellje Svájci sajt modell A mélységi védelem elve ellenére, az egyes rétegek hibáit kihasználva, bizonyos veszélyek bizonyos valószínűséggel a funkció sérüléséhez, így végül a rendszer és/vagy a környezet sérüléséhez vezethetnek. Forrás: Reason, James (1990-04-12). "The Contribution of Latent Human Failures to the Breakdown of Complex Systems". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 327 (1241): 475 484. (Wiki) Megoldás: A veszélyeket számba vesszük és jellemezzük. Meghatározzuk és jellemezzük a kezdeti eseményeket, amelyek a rendszert kihívhatják. Az erőmű lehetséges állapotait valószínűségi alapon írjuk le. Prof. Dr. Aszódi Attila 22

A biztonsági rendszerek fő tervezési elvei Diverzitás Függetlenség Egyszeres meghibásodástűrés Fizikai szétválasztás Redundancia Aktív és passzív biztonsági rendszerek alkalmazása Passzív megoldás: olyan biztonsági rendszer, amely passzív rendszerelemekből, valamint olyan elemekből épül fel, amelyek működésükhöz nem igényelnek külső energiaforrást vagy vezérlést, funkciójuk teljesítését egyszerű fizikai folyamatok biztosítják (mint gravitáció, természetes áramlás vagy energiatárolás akkumulátorokban, forgó rendszerekben, sűrített levegőben). Aktív rendszer: külső energia-bevezetés segítségével működő rendszer. Prof. Dr. Aszódi Attila 23 A hatályos Nukleáris Biztonsági Szabályzatok szerint Forrás: https://net.jogtar.hu/jogszabaly?docid=a1100118.kor Prof. Dr. Aszódi Attila 24

A hatályos Nukleáris Biztonsági Szabályzatok szerint 3a.2.1.1400. Egymástól független védelmi szintekkel kell biztosítani, hogy a lehetséges meghibásodások, a normál üzemtől való eltérések észlelhetők, ellensúlyozhatók és kezelhetők legyenek. A 7. szerinti követelmények mellett a 3a.2.1.1500.-3a.2.1.2000. pontban meghatározott kiegészítő követelményeket kell teljesíteni a mélységben tagolt védelem öt szintjének alkalmazása során. 3a.2.1.1500. A tervezés során többszörös fizikai gátakat kell alkalmazni a radioaktív anyagok környezetbe történő ellenőrizetlen kikerülésének megakadályozására. 3a.2.1.1600. A mélységben tagolt védelem elvének alkalmazása érdekében az alábbi négy fizikai gátat kell megkülönböztetni: a) az üzemanyag-mátrix; b) a fűtőelem burkolata; c) a reaktor primer körének határa; d) a konténment rendszer. Forrás: https://net.jogtar.hu/jogszabaly?docid=a1100118.kor 1.gát: Pasztilla 2.gát: üzemanyag pálca 3.gát: reaktortartály 4.gát: védőépület Prof. Dr. Aszódi Attila 25 A hatályos Nukleáris Biztonsági Szabályzatok szerint 3a.2.1.1700. A gátak védelmét biztosítani kell. Tervezési megoldásokkal kell biztosítani a biztonsági funkciók és az elfogadási kritériumok teljesülését a védelem valamely szintjének sérülése esetén is. 3a.2.1.1800. Atomerőmű tervezése során, a mélységben tagolt védelem elvével összhangban: a) tervezési megoldásokkal kell biztosítani, hogy az alapvető biztonsági funkciók a gátak fenntartásával és a meghibásodások vagy normál üzemállapottól való eltérések következményeinek csökkentésével megvalósulhassanak; b) * biztonsági funkciót ellátó rendszereket kell alkalmazni a TA2-4 vagy a TAK1-2 üzemállapot megelőzése és kezelése érdekében; c) biztosítani kell az üzemeltetés vagy a karbantartás során bekövetkező emberi hiba káros következményeinek elkerülését, d) műszaki eszközökkel biztosítani kell az atomerőmű állapotának kezelhetőségét úgy, hogy a meghibásodások vagy a normál üzemállapottól való eltérések esetén a biztonsági funkciót ellátó rendszerek működésének szükségessége a lehető legkisebb legyen; továbbá e) biztosítani kell, hogy az atomerőmű állapotának kezelhetősége a biztonsági funkciót ellátó rendszerek működését igénylő állapotokban is nagy megbízhatóságú legyen, és ne igényelje a kezelő személyzet beavatkozását a folyamat korai szakaszában. 3a.2.1.2000. Biztosítani kell az ésszerűen megvalósítható legteljesebb mértékben: a) a gátak integritását veszélyeztető események megelőzését, a veszélyeztető tényezők elviselését; b) egynél több gát egyidejű meghibásodásának elkerülését; c) egy gát meghibásodásának elkerülését egy másik gát vagy egyéb rendszerelem hibája következtében; d) a gátak terve konzervatív legyen, a megvalósításuk pedig magas minőségi normák szerint történjen annak érdekében, hogy da) a meghibásodások és a normál üzemi állapottól való eltérések lehetősége az ésszerűen elérhető legalacsonyabb szintű legyen, db) * a TA3-4 vagy a TAK üzemállapotok az ésszerűen megvalósítható szinten kizárhatók legyenek, továbbá dc) ne jöhessen létre szakadékszél-effektus. Forrás: https://net.jogtar.hu/jogszabaly?docid=a1100118.kor Prof. Dr. Aszódi Attila 26

A mélységi védelem elve - Titanic Prof. Dr. Aszódi Attila 27 A mélységi védelem elve - Titanic Az RMS Titanic, a kor legnagyobb utasszállító gőzöse 1912. április 15-én süllyedt el, első útján, 2200 utassal a fedélzeten 269 m hosszú, 46 000 tonnás hajótest Engedélyezett utasszám: 3550 20 mentőcsónak, összesen 1778 férőhellyel (eredetileg 64 csónakot terveztek 4000 férőhellyel) Modern biztonsági berendezések (két független rádió, kamrarendszer, stb.) 1507 halálos áldozat (az egyik legsúlyosabb polgári hajózási baleset) Hatalmas sajtófigyelem (első út, VIP utasok) Prof. Dr. Aszódi Attila 28

A mélységi védelem elve - Titanic Méretezési üzemzavarok kezelése Súlyos balesetek kezelése Következmények csökkentése Légrekeszek kialakítása, mentőcsónakok Jéghegyek figyelése, több rádiós rendszer Lezárható légrekeszek Segélykérő rendszerek (rakéta, rádió) Utasok, személyzet mentése De: rossz a tervezési alap! (A jéghegy 6 rekeszt sértett fel, 4 a tervezési alap) De: üzemeltetési hibák! (A jéghegy-riasztások egy része nem jutott el a hídra) Rekeszek közötti átáramlás lehetséges (válaszfal magassága nem teljes) A Californian látta a rakétákat, de nem értette, rádiósuk aludt De: nem volt elég mentőcsónak, rossz szervezés (még 400 ember befért volna) Hatás a biztonságra Mentőcsónakok, hajótestek méretezése Tűzijátékok betiltása 24 órás rádiószolgálat Prof. Dr. Aszódi Attila 29 A külső hatások szerepe a tervezésben Florida, 2006 Prof. Dr. Aszódi Attila 30

A korábban érvényes megközelítés a tervezési alapra Prof. Dr. Aszódi Attila 31 Atomerőművi események és állapotok besorolása Prof. Dr. Aszódi Attila 32

Atomerőművi események és állapotok besorolása Prof. Dr. Aszódi Attila 33 Tervezési alapba tartozó események Tervezési alapon túli események Prof. Dr. Aszódi Attila 34

Atomerőművi események és állapotok besorolása Teljesítményüzem, karbantartás, fűtőelem-átrakás, terhelésváltoztatás Pl.: Egy FKSZ kiesése, tápszivattyú kiesése, szándékolatlan szelepnyitás, turbina kiesés Pl.: Összes FKSZ kiesése, szabályozórúd-kilökődés, hűtőközeg-vesztés Pl.: teljes feszültségkiesés + dízelgenerátorok hiánya Üzemi állapotok Üzemzavari helyzetek Normál Várható üzemi Tervezési üzemzavarok Tervezési alapon túli balesetek üzem (NO) események (AOO) (DBA) (BDBA) Nem jár zónasérüléssel Súlyos baleset Az esemény súlyossága 10º ~10-2 ~10-4 to ~10-6 Becsült gyakoriság, 1/év 10-5 Operátorok Operátorok; Balesetkezelési utasítás; és a szabályozó rendszer Biztonsági rendszerek Konténment rendszer; Konténment rendszer; Balesetelhárítási felkészülés Biztonsági intézkedések Dr. Aszódi Attila, BME NTI Prof. Dr. Aszódi 35 Attila 2011. augusztus 23. 35 A hatályos szabályozás a tervezési alapra Prof. Dr. Aszódi Attila 36

Nukleáris biztonság Tervezési alap (TA) Prof. Dr. Aszódi Attila 37 Nukleáris biztonság Tervezési alap kiterjesztése (TAK) Prof. Dr. Aszódi Attila 38

Atomerőművi üzemállapotok a Nukleáris Biztonsági Szabályzatok szerint Tervezési alapba tartozó események Normál üzem Várható üzemi események Kis gyakoriságú tervezési üzemzavarok Nagyon kis gyakoriságú tervezési üzemzavarok Tervezési alap kiterjesztése Tervezési alapon túli üzemzavarok Súlyos balesetek TA1 TA2 TA3 TA4 TAK1 TAK2 f=1 / év f 10-2 / év 10-2 / év f 10-4 / év Gyakoriság: 10-4 / év f 10-6 / év Követelmények TAK üzemállapotokra is TAK1-re méretezni kell a reaktort TAK2-re is előírások (pl. konténment szerkezeti integritás maradjon meg) Prof. Dr. Aszódi Attila 39 VVER-1200/491 biztonsága A Fukushima-álló design követelmény! Normál üzemállapot 10 0 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 TA1 TA2 TA3 / TA4 TAK1/ TAK2 Prof. Dr. Aszódi Attila 40

VVER-1200/491 biztonsága A Fukushima-álló design követelmény! Normál üzemállapot Posztulált kezdeti események Aktív + passzív ZÜHR 10 0 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 TA1 TA2 TA3 / TA4 TAK1/ TAK2 Prof. Dr. Aszódi Attila 41 VVER-1200/491 biztonsága A Fukushima-álló design követelmény! Normál üzemállapot Posztulált kezdeti események Pl.: SBO Aktív + passzív ZÜHR Passzív GF hűtés 10 0 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 TA1 TA2 TA3 / TA4 TAK1/ TAK2 Prof. Dr. Aszódi Attila 42

VVER-1200/491 biztonsága A Fukushima-álló design követelmény! Normál üzemállapot Posztulált kezdeti események Pl.: SBO Aktív + passzív ZÜHR Passzív GF hűtés 10 0 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 TA1 TA2 TA3 / TA4 TAK1/ TAK2 Prof. Dr. Aszódi Attila 43 VVER-1200/491 biztonsága A Fukushima-álló design követelmény! Normál üzemállapot Posztulált kezdeti események Pl.: SBO Pl.: SBO + LB LOCA Aktív + passzív ZÜHR Passzív GF hűtés Passzív konténment hűtés Konténment integritás megőrzése 10 0 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 TA1 TA2 TA3 / TA4 TAK1/ TAK2 Prof. Dr. Aszódi Attila 44

VVER-1200/491 biztonsága A Fukushima-álló design követelmény! Normál üzemállapot Posztulált kezdeti események Pl.: SBO Pl.: SBO + LB LOCA Aktív + passzív ZÜHR Passzív GF hűtés Passzív konténment hűtés Konténment integritás megőrzése 10 0 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 TA1 TA2 TA3 / TA4 TAK1/ TAK2 Prof. Dr. Aszódi Attila 45 VVER-1200/491 biztonsága A Fukushima-álló design követelmény! Normál üzemállapot Posztulált kezdeti események Pl.: SBO Pl.: SBO + LB LOCA Aktív + passzív ZÜHR Passzív GF hűtés Passzív konténment hűtés Konténment integritás megőrzése Zónaolvadék -csapda, hidrogénrekombinátorok Nagy környezeti kibocsátás GYAKORLATILAG KIZÁRVA 10 0 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 TA1 TA2 TA3 / TA4 TAK1/ TAK2 Prof. Dr. Aszódi Attila 46

VVER-1200/491 biztonsága A Fukushima-álló design követelmény! Normál üzemállapot Posztulált kezdeti események Pl.: SBO Pl.: SBO + LB LOCA Aktív + passzív ZÜHR Passzív GF hűtés Passzív konténment hűtés Konténment integritás megőrzése Zónaolvadék -csapda, hidrogénrekombinátorok Nagy környezeti kibocsátás GYAKORLATILAG KIZÁRVA 10 0 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 TA1 TA2 TA3 / TA4 TAK1/ TAK2 Prof. Dr. Aszódi Attila 47 VVER-1200/491 biztonsága A Fukushima-álló design követelmény! Normál üzemállapot Posztulált kezdeti események Pl.: SBO Pl.: SBO + LB LOCA Aktív + passzív ZÜHR Passzív GF hűtés Passzív konténment hűtés Konténment integritás megőrzése Zónaolvadék -csapda, hidrogénrekombinátorok Nagy környezeti kibocsátás GYAKORLATILAG KIZÁRVA 10 0 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 TA1 TA2 TA3 / TA4 TAK1/ TAK2 Prof. Dr. Aszódi Attila 48