Filozofia systemów bezpieczeństwa

Już na początku swego istnienia przemysł jądrowy w Stanach Zjednoczonych stworzył filozofię projektowania elektrowni jądrowych określaną jako „obrona w głąb” (“defense in depth”), którą przyjęło również wiele innych krajów. Głównym celem układów bezpieczeństwa w elektrowni jądrowej jest zapobieganie przegrzaniu rdzenia i wydostaniu się radionuklidów poza obiekt jądrowy.

Systemy bezpieczeństwa

Systemy bezpieczeństwa przeznaczone są do zapobieżenia wystąpieniu lub do ograniczenia skutków przewidywanych zdarzeń eksploatacyjnych i warunków awaryjnych, a w przypadku elektrowni jądrowej lub reaktora badawczego – także do osiągnięcia stanu bezpiecznego wyłączenia.

Przykłady systemów (układów) bezpieczeństwa:

• Pręty regulacyjne/pręty bezpieczeństwa – do szybkiego wyłączania reaktora,
• Układ awaryjnego wtrysku roztworu kwasu borowego – do wyłączania reaktora, skompensowania dodatniego efektu reaktywności związanego ze schłodzeniem chłodziwa reaktora przy osiąganiu stanu bezpiecznego wyłączenia,
• Układ awaryjnego chłodzenia rdzenia (wysoko-, niskociśnieniowy,…),
• Układ chłodzenia izolowanego rdzenia (BWR),
• Układ awaryjnego zrzutu ciśnienia – zapobiega stopieniu rdzenia przy wysokim ciśnieniu,
• Układ obniżający stężenie substancji promieniotwórczych w atmosferze obudowy bezpieczeństwa reaktora.

Naturalne cechy bezpieczeństwa elektrowni jądrowej

Istnieją dwa typy układów bezpieczeństwa: aktywne i bierne (czyli pasywne):

• Systemy aktywne, w których główne urządzenia, takie jak zawory, pompy czy dmuchawy, potrzebują zasilania ze źródła zewnętrznego.
• Systemy bierne, których podstawą działania są zjawiska naturalne, takie jak grawitacja, konwekcja, ciśnienie sprężonych gazów, ich uruchamianie odbywa się automatycznie.

Elektrownie jądrowe projektowane są tak, aby jak najwięcej systemów bezpieczeństwa oparte było o zjawiska naturalne, przykłady:

• Naturalne sprzężenie zwrotne regulujące moc reaktora – gdy temperatura paliwa wzrasta, moc reaktora maleje i reaktor wyłącza się.
• Działanie prętów kontrolnych oparte na opadaniu grawitacyjnym.
• Zalewanie rdzenia po utracie chłodziwa na zasadzie różnicy ciśnień – uruchomienie wypływu wody z hydroakumulatorów (zbiorników z poduszką sprężonego gazu) po spadku ciśnienia w obiegu chłodzenia reaktora poniżej ciśnienia w hydroakumulatorach.
• Takie ukształtowanie obiegu pierwotnego, aby mogła się w nim wytworzyć cyrkulacja naturalna (wytwornica pary powyżej zbiornika reaktora).
• Zawory bezpieczeństwa na stabilizatorze ciśnienia otwierające się pod wpływem różnicy ciśnień i zamykające się, gdy ciśnie w stabilizatorze spadnie.
• Duże zbiorniki wody w obudowie bezpieczeństwa.
• Chłodzenie obudowy bezpieczeństwa na skutek parowania spływającej po nim wody.
• Usuwanie wodoru z atmosfery obudowy bezpieczeństwa za pomocą pasywnych autokatalitycznych (platyna, pallad) rekombinatorów wodoru, zaczynających działać automatycznie (przy stosunkowo niskiej temperaturze), gdy stężenie wodoru wzrośnie do 1-2%.

Naturalne cechy bezpieczeństwa - przykład: wykorzystanie siły ciężkości

Rys. Wykorzystanie siły ciężkości w reaktorach jądrowych, źródło: opracowanie własne

Wykorzystanie sił przyrody, by uzyskać maksymalną niezawodność układów bezpieczeństwa. Podczas normalnej pracy pręty bezpieczeństwa wiszą nad rdzeniem, utrzymywane w górze przez elektromagnesy. W razie awarii lub utraty zasilania elektrycznego, pole magnetyczne znika i pręty spadają do rdzenia pod wpływem siły ciężkości. W każdym reaktorze spadek pręta bezpieczeństwa obniża moc, a spadek zespołu prętów bezpieczeństwa wyłącza reaktor. Wyjątkiem były reaktory RBMK, czyli reaktory typu czarnobylskiego, w których spadek prętów bezpieczeństwa powodował przejściowy wzrost mocy.