Atomerımővek tervezési alapon túli baleseteinek meghatározó fizikai folyamatai Teljesítményüzem, karbantartás, főtıelem-átrakás, terhelésváltoztatás Determinisztikus üzemzavar elemzések Események és állapotok besorolása Üzemi állapotok Pl.: Egy FKSZ kiesése, tápszivattyú kiesése, szándékolatlan szelepnyitás, turbina kiesés Pl.: Összes FKSZ kiesése, tápvízvezeték törése, szabályozórúd-kilökıdés, LOCA Üzemzavari helyzetek Pl.: ATWS, teljes feszültségkiesés + dízelgenerátorok hiánya, LOCA + ZÜHR hiánya Normál Várható üzemi Tervezési üzemzavarok Tervezési alapon túli balesetek üzem (NO) események (AOO) (DBA) (BDBA) Nem jár zónasérüléssel Súlyos baleset Az esemény súlyossága Dr. Aszódi Attila Habilitációs elıadás az címő egyetemi tantárgy elıadása keretében Budapest, BME, 2010. november 18. 10º ~10-2 ~10-4 to ~10-6 10-5 Becsült gyakoriság, 1/év Operátorok Operátorok; Balesetkezelési utasítás; és a szabályozó rendszer Biztonsági rendszerek Konténment rendszer; Konténment rendszer; Balesetelhárítási felkészülés Dr. Aszódi Attila, BME NTI 1 Biztonsági intézkedések Dr. Aszódi Attila, BME NTI 2 Tervezési alapon túli balesetek Definíció (NBSZ): A tervezési alapot meghaladó, olyan igen kis valószínőségő, hipotetikus esemény, amely a radioaktív kibocsátás szempontjából a legsúlyosabb következményekkel járhat. Gyakoriságuk kisebb 10-5 / év-nél Súlyos következményekkel járhatnak (zónadegradáció, jelentıs radioaktív kibocsátás) Valamilyen feltételezett kezdeti esemény (PIE) + redundáns biztonsági rendszerek egyidejő meghibásodása szükséges fellépésükhöz Súlyos balesetek fizikai folyamatai Súlyos baleset következménye zónaolvadás és/vagy jelentıs radioaktív kibocsátás Alapvetı folyamatok: Reaktortartályon belüli folyamatok 1. Zónadegradáció 2. Gızrobbanás 3. Indukált primer köri törések Tartálysérülés 4. Tartály inhermetikusság Tartályon kívüli folyamatok 5. Direkt konténment főtés 7. Zónaolvadék-beton reakciók Dr. Aszódi Attila, BME NTI 3 Súlyos balesetek alapvetı fizikai folyamatai Dr. Aszódi Attila, BME NTI 4
1. Zónadegradáció A zónát a remanens hı főti a reaktor leállítását követıen is Zónadegradáció jellemzı hımérsékletei 1130 o C fémurán olvadáspont, U olvadék képzıdése UO 2 /Zr reakció során 1200 o C Zr oxidáció felgyorsulása, eszkaláció 1300 o C Zr/acél eutektikum képzıdés 1450 o C acél olvadáspont 1845 o C Zr olvadáspont 1970 o C α-zr(o) olvadáspont 2600 o C (U,Zr,O) kerámia olv. 2690 o C ZrO 2 olvadáspont 2850 o C UO 2 olvadáspont Dr. Aszódi Attila, BME NTI 5 Remanens hı teljesítménye [%] 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Leállítás óta eltelt idı [perc] Remanens hıteljesítmény a láncreakció leállása után 120 100 80 60 40 20 0 Remanens hı teljesítménye VVER-440 reaktorban [MW] Zónadegradáció - Oxidáció Zr-vízgız reakció 1200 o C fölött Zr + 2 H 2 O ZrO 2 + 2H 2 + Q Q= 5 MJ/kg Zr 1 kg Zr-ból kb. 0,5 m 3 H 2 (STP) keletkezik (ez egy 900 MW-os PWR esetében max. 960 kg H 2 -t jelent) A reakció erısen exoterm, és függ a hımérséklettıl A zóna melegedése gyorsul, Zr olvadáspontját eléri Sérült üzemanyagköteg a CODEX-ben (KFKI AEKI) Dr. Aszódi Attila, BME NTI 6 Zónadegradáció PHEBUS kísérlet PHEBUS kutatóreaktoron végzett kísérletek, Cadarache vizsgált üzemanyag zárt csatornában kiégett, akár atomerımővi főtıelemek (!) degradációja hasadási termékek kikerülése és terjedése a szimulált technológiában Zónadegradáció PHEBUS kísérletek FPT1 rod bundle 20 fuel rods and central SIC rod Outer zirconia shroud Instrumented fuel rod Stiffener SIC control rod Ultrasonic PHEBUS kísérleti összeállítás (Forrás: Belpomo, CEA) thermometer Dr. Aszódi Attila, BME NTI 7 Üzemanyag hımérséklet-változása és a köteg degradációja egy PHEBUS kísérletben Forrás: Florian Fichot, IRSN Dr. Aszódi Attila, BME NTI 8
Zónadegradáció PHEBUS kísérletek Zónadegradáció - Olvadék elvándorlás Az olvadék több kazettában, a zóna jelentıs részében megjelenik, majd mobilizálódik. Az olvadék alatti kéreg nem tud ellenállni az olvadéknak Rövid idı alatt (néhány perc) az olvadék a tartály aljára kerül Az olvadék áramolhat a zóna külsı részén, illetve a már részben hiányzó belsı kazetták helyén 6 Upper rods 5 1) Support plate -50 mm/bfc 2) Lower rods 30 mm/bfc 3) Molten pool 200 mm/bfc Cavity 4 3 Molten pool 2 Lower rods 1 Support plate 4) Cavity 350 mm/bfc 5) Cavity 690 mm/bfc 6) Upper rods 900 mm/bfc PHEBUS kísérletben degradálódott köteg radiográfiás felvétele (Forrás: Belpomo, CEA) Dr. Aszódi Attila, BME NTI 9 Zónaolvadék-víz reakció a tartály alján az ott megmaradt víz és a lefolyó zónaolvadék között Lehetséges következmények: Tartály alsó részének repedése, zóna kilökés Zóna egy részének kilökése a tartály felsı részén, amely a konténmentet is károsíthatja Tartályon belüli gızrobbanás primer köri törésekhez vezethet (3.) Dr. Aszódi Attila, BME NTI Dr. Aszódi Attila, BME NTI 10 Súlyos balesetek fizikai folyamatai 2. Gızrobbanás Nyomásnövekedés a tartályban és a primer körben A zónában megmaradt Zr további oxidációja Zónában kialakuló olvadékmedence kérgének sérülése, az olvadék áthelyezıdése a tartály aljára (Forrás: Florian Fichot, IRSN) Molten corium Alapvetı folyamatok: Reaktortartályon belüli folyamatok 1. Zónadegradáció 2. Gızrobbanás 3. Indukált primer köri törések Corium Jets Residual water Tartálysérülés 4. Tartály inhermetikusság Tartályon kívüli folyamatok 5. Direkt konténment főtés 7. Zónaolvadék-beton reakciók Gızrobbanás oka a tartály alján Forrás: Florian Fichot, IRSN 11 Dr. Aszódi Attila, BME NTI 12
4. Tartálysérülés - Hıátadás zónaolvadékban TMI tapasztalatok az olvadék különbözı rétegekben: alul elsısorban UO 2 és ZrO 2, felette olvadt fém fázis Az olvadt U-Zr-O megdermed, kéreg képzıdik Az olvadt acél viszi el a hı jelentıs részét, ez lokális sérüléshez vezethet (fókuszálási effektus) 4. Tartálysérülés - Hıátadás zónaolvadékban RASPLAV kísérleti berendezés, Oroszország UO 2 / ZrO 2 / Zr olvadékok vizsgálata A fémes olvadék nemcsak úszik a kerámiaolvadék tetején, hanem egy része lesüllyed a tartály fenekére A hasadási termékek eloszlását kémiai formájuk határozza meg (oxid a kerámiában, fém a fémes olvadékban) Kísérleti eredmény: az olvadék tartály alján létrejövı természetes konvekciója következtében a maximális hıfluxus 70 -nál, a minimális a tartály legalján Dr. Aszódi Attila, BME NTI Fókuszálási effektus (F. Fichot, IRSN) 13 Dr. Aszódi Attila, BME NTI 14 4. Tartálysérülés a TMI-2 példája TMI: 20 tonna olvadékot találtak a tartály alján Szerencsére az olvadék-víz reakcióból származó intenzív gızképzıdés elmaradt, a reakció miatt kb. 2 MPa nyomásnövekedés lett volna a tartályban A tartály integritása végül megmaradt! A TMI-2 tartálya a balesetet követıen Súlyos baleseti folyamatok tartálysérüléskor Alapvetı folyamatok tartálysérüléskor Tartály aljának repedése: Különbözı mechanizmusok a primer köri nyomástól és remanens hıtıl függıen Alacsony nyomás: leolvadás Közepes nyomás: kúszási repedés Nagy nyomás: képlékeny repedés Legvalószínőbb a kúszási repedés 800 o C felett a tartály acélötvözete már 20-25 bar nyomáson is repedhet Tartálysérüléshez legalább néhány óra kell Tartálysérülés a fókuszálási effektus következtében (zónaolvadék kibocsátás kb. 40-60%-os) Tartálysérülés a fókuszálási effektus és nyomásugrás következtében (zónaolvadék kibocsátás 100%-os) Forrás: Lower Head Failure (LHF) Tests at Sandia National Laboratory (SNL) Dr. Aszódi Attila, BME NTI Forrás: Florian Fichot, IRSN 15 Dr. Aszódi Attila, BME NTI 16
Zónaolvadék-víz reakció lehetséges a tartály alján a reaktor aknában, ha ott a tartálysérüléskor víz található A gızrobbanás konténment nyomáscsúcshoz vezethet Súlyos baleseti folyamatok tartálysérüléskor Gızrobbanás Gızrobbanáshoz vezetı lehetséges szcenáriók Forrás: Daniel Magallon, CEA Gızrobbanás folyamatának sémája Forrás: Daniel Magallon, CEA Súlyos baleseti folyamatok tartálysérüléskor 5. Direkt konténment hevítés Direkt konténment hevítés Nagy nyomás esetén a tartálysérülés során zónaolvadék és a zónából származó törmelékkilökıdésére kerülhet sor A konténment hımérséklete gyorsan nı, nyomáscsúcs a konténmentben Az olvadék fémes része oxidálódik Hidrogén-keletkezés (és esetleg hidrogén-robbanás) a konténmentben Összességében a konténment hermetikusságának elvesztését okozhatja Számított hımérséklet-mezı direkt konténment hevítés esetén (Forrás: Berthoud, Valette) Dr. Aszódi Attila, BME NTI 17 Dr. Aszódi Attila, BME NTI 18 A folyamat a lokális hidrogénkoncentrációtól függ: Belobbanás (deflagration): kisebb hidrogén-koncentrációnál, a konténmentben csak nyomáscsúcsot okoz Gyorsuló égés (flame acceleration), esetleg átmenet valódi robbanásba (detonation): nagyobb hidrogénkoncentrációnál, megsértheti a konténment integritását De 85 C fölött, gızben telített atmoszféra esetén belobbanás már nem tud létrejönni. Súlyos balesetek lezajlása tartályon kívül Hidrogén robbanás illetve belobbanás feltételei (Journeau, CEA) Dr. Aszódi Attila, BME NTI 19 Súlyos balesetek lezajlása tartályon kívül Hidrogén keletkezés Fıleg fémes anyagok oxidációjából keletkezı H 2 Konténmentben már jelen lévı H 2 (levegıben, korábbi folyamatokból keletkezı) Hidrogénrobbanás Hidrogénégés csóvában (közvetlenül az olvadékból feláramló hidrogén) Égés terjedés a konténmentben Robbanás sok paraméter egyidejő fennállása kell hozzá (megfelelı H 2 és O 2 koncentrációk) TMI Kb. 350 kg H 2 keletkezett (égéshı 120 MJ/kg) A hidrogén belobbanása okozta az egyetlen számottevı terhelést a konténmentnek De a csúcsnyomás a méretezési nyomás alatt a TMI konténment nem sérült meg! Hidrogénégés a konténmentben (M.M. Pilch, 1995) Hidrogénégés a TMI-2-ben (W. Breitung, FZK) Dr. Aszódi Attila, BME NTI 20
Súlyos balesetek fizikai folyamatai Alapvetı folyamatok: Reaktortartályon belüli folyamatok 1. Zónadegradáció 2. Gızrobbanás 3. Indukált primer köri törések Tartálysérülés 4. Tartály inhermetikusság Tartályon kívüli folyamatok 5. Direkt konténment főtés 7. Zónaolvadék-beton reakciók Súlyos balesetek lezajlása tartályon kívül 7. Zónaolvadék-beton reakció Zónaolvadék-beton reakció (MCCI Molten Core- Concrete Interaction): Beton talapzat átolvadása (képlékennyé válása) az olvadék alatt Nem-kondenzálódó gázok keletkeznek nyomáscsúcs a konténmentben Lezajló folyamat függ a beton összetételétıl: Szilíciumos beton: gyors erózió, de kis gázképzıdés Mészköves beton: lassú erózió, de jelentıs gázképzıdés 400 kg corium eróziója különbözı betonokon; A=50cm*50cm; Q=150kW (Forrás: Hans Alsmeyer, IKET) Dr. Aszódi Attila, BME NTI 21 Dr. Aszódi Attila, BME NTI 22 Operational States DETERMINISTIC ACCIDENT ANALYSIS CLASSIFICATION OF EVENTS AND OPERATING CONDITIONS Accident Conditions Normal Anticipated Design Basis Accidents Beyond Design Basis Accidents Operation Operational (DBA) (BDBA) Occurrences No Core Severe Degradation Accidents Severity of the Event 10º ~10-2 ~10-4 to ~10-6 10-5 Estimated Event Frequency, 1/yr. Operators and Operators; Accident Management; Control Systems Engineered Containment Systems; Safety Systems; Emergency Preparedness Containment Systems (Emergency Response Plan) Safety Response Physics of severe accidents Effect of a severe accident: core melt and / or large radioactive release into the environment Basic processes: In-Vessel Progression 1. Core degradation 2. Steam explosion 3. Induced breaks in the primary circuit Vessel Failure 4. Vessel rupture Ex-Vessel Progression 5. Direct containment heating 6. Hydrogen explosion 7. Molten core - concrete interaction How to avoid? Dr. Aszódi Attila, BME NTI 23 Accident scenarios during SA Dr. Aszódi Attila, BME NTI 24
How to avoid vessel failure? (VVER-440) Objective: keep the molten corium inside the reactor pressure vessel (in-vessel corium retention). Tool: External cooling of RPV. Realized in Loviisa Under preparation in Paks. Issues: Corium stratification and focusing Possible CHF on reactor outer surface Narrow flow path in reactor cavity for two phase flow Different tools for hydrogen mitigation Catalytic recombiners Igniters CO2 dilution Atmosphere mixing (eg. using containment sprays) Filtered containment venting Strong containment design for maximum possible loads (future containments) CERES (Cooling Effectiveness on Reactor External Surface) test facility under construction in KFKI AEKI Possible flooding of reactor cavity Hydrogen recombiners in TianWan Containment spray in TianWan NPP NPP, China (VVER-1000) Dr. Aszódi Attila, BME NTI at Paks NPP (Elter J. et.al., 2009) 25 Dr. Aszódi Attila, BME NTI 26 Mitigation of molten core - concrete interaction VULCANO test facility (Cadarache, France) Max. 100 kg corium Heated by arc plasma (3200 o C) Thermoelements, infracameras Different basement materials On ceramic basement: Less gas production Larger spreading area Smaller corium height Faster cool-down and solidification Mitigation of molten core - concrete interaction Spreading area of EPR Spreading of the corium on a dry surface after vessel failure and melting of melt plug VULCANO tests (Journeau, CEA) Dr. Aszódi Attila, BME NTI 27 Source: AREVA Dr. Aszódi Attila, BME NTI 28
Mitigation of molten core - concrete interaction Spreading area of EPR Later flooding of the corium layer is possible with water from IRWST (Incontainment Refueling Water Storage Tank) Mitigation of molten core - concrete interaction Core catcher of VVER-1000 (TianWan) Smaller core catcher in VVER-1000 than in EPR (no spreading area) But external cooling of core catcher by water with natural convection Relatively high corium level 1 year solidification time Dr. Aszódi Attila, BME NTI 29 Dr. Aszódi Attila, BME NTI 30