Tlaková nádoba reaktoru

Nádoba reaktoru použitá v první americké komerční jaderné elektrárně Shippingport . Foto z roku 1956.

Tlaková nádoba reaktoru (TNR) (anglicky Reactor Pressure Vessel - RPV) v jaderné elektrárně je tlaková nádoba obsahující chladivo jaderného reaktoru, plášť aktivní zóny a aktivní zónu reaktoru. V tlakové nádobě reaktoru probíhá veškerá jaderná reakce, díky které se vytváří teplo. Teplo je chladivem odváděno z TNR do parogenerátoru.

Klasifikace jaderných reaktorů

Schéma typické TNR

Většina energetických reaktorů sice tlakovou nádobu má, u každého typu reaktoru je ale jiná, některé reaktory dokonce vůbec žádnou nemají. Tlakové nádoby reaktorů lze rozdělit podle jejich chladiva:

• Lehkovodní reaktor - Zahrnuje tlakovodní a varné reaktory. Většina jaderných reaktorů je tohoto typu. Nádoba je tvořena z několika svařených ocelových prstenců a vypuklých konců. TNR varného reaktoru je mnohem větší, protože se voda vaří přímo v nádobě.
• Grafitem moderovaný, vodou chlazený reaktor – Zahrnuje reaktory RBMK, které mají ve srovnání s drtivou většinou jaderných elektráren velmi neobvyklou konfiguraci reaktoru. Mají namísto tlakové nádoby každý palivový soubor uzavřený v samostatné trubce o průměru 8 cm.
• Plynem chlazený tepelný reaktor – zahrnuje pokročilé plynem chlazené reaktory, plynem chlazené rychlé reaktory a vysokoteplotní plynem chlazené reaktory. Podobně jako reaktory RBMK, plynem chlazené reaktory zpravidla TNR kvůli velkému objemu aktivní zóny nemají. Mají však betonovou obálku, ve které je celý primární okruh uzavřen.
• Tlakový těžkovodní reaktor – jedná se o reaktory, které využívají těžkou vodu jako moderátor, příkladem těžkovodního reaktoru je kanadský reaktor CANDU. Obvykle mají moderátor uzavřený v tlakové nádobě zvané calandria, přes kterou vedou otvory pro palivové články a chladivo.
• Reaktor chlazený kapalným kovem – využívá tekutý kov, jako je sodík nebo slitina olova a bismutu k chlazení jádra reaktoru. Nádoba sice nemusí být vysokým tlakem, musí však být odolný vůči chemické korozi i erozi. Zpravidla je proto vyrobena z nerezové oceli.
• Reaktor s roztavenou solí - jako chladivo se používají soli, typicky fluoridy alkalických kovů a kovů alkalických zemin. TNR srovnatelná s LMR.

Z hlavních tříd reaktorů s tlakovou nádobou je tlakovodní reaktor jedinečný v tom, že tlaková nádoba je během provozu vystavena značnému ozáření neutrony a v důsledku toho může časem zkřehnout. Zejména větší tlaková nádoba varného reaktoru je lépe chráněna před tokem neutronů. Ačkoliv je výroba nákladnější především kvůli velikosti, má výhodu v tom, že pro prodloužení její životnosti nepotřebuje žíhání jako je tomu u tlakovodních reaktorů.

Žíhání tlakovodních reaktorových nádob za účelem prodloužení jejich životnosti je komplexní a vysoce hodnotná technologie aktivně vyvíjená jak výrobci jaderných komponent, tak provozovateli tlakovodních reaktorů.

Komponenty tlakové nádoby tlakovodního reaktoru

Tělo reaktorové nádoby a hlava nádoby na cestě do drážďanské jaderné elektrárny

Všechny tlakové nádoby tlakovodních reaktorů sdílejí některé vlastnosti bez ohledu na konkrétní konstrukci.

Tělo nádoby reaktoru

Těleso nádoby reaktoru je největší součástí. Během provozu se uvnitř nachází palivové soubory, chladivo a armatury pro podporu toku chladiva a nosné konstrukce. Obvykle má válcový tvar a je nahoře otevřená pro jednodušší výměnu paliva.

Hlava nádoby reaktoru

Hlava nádoby reaktoru pro tlakovodní reaktor

Tato konstrukce je připevněna k horní části těla nádoby reaktoru. Obsahuje otvory, které umožňují přichycení hnacího mechanismu řídicích tyčí k řídicím tyčím v palivovém souboru. Sondy pro měření hladiny chladiva, teploty a neutronového toku také vstupují do nádoby přes hlavu nádoby reaktoru.

Palivový soubor

Palivový soubor jaderného paliva se skládá palivových tyčí naplněných tabletami z uranu či plutonia. Palivové tyče jsou obvykle uspořádány ve čtvercové geometrii. Sovětské reaktory využívají hexagonální geometrii.

Neutronový reflektor nebo absorbér

Válcový štít ovinutý kolem aktivní zóny, který chrání vnitřek nádoby před rychlými neutrony unikajícími z palivového souboru. Reflektory odráží neutrony zpět do palivového souboru, aby zlepšili úsporu neutronů. Hlavním účelem je však chránit nádobu před poškozením způsobeným rychlými neutrony, které mohou způsobit křehnutí nádoby a snížit její životnost.

Materiál

TNR hraje kritickou roli v bezpečnosti reaktoru PWR a použité materiály musí být schopny spolehlivě odolat tlaku a teplotě uvnitř nádoby. Materiály použité ve válcové části nádoby se postupem času vyvíjely, ale obecně se skládají z nízkolegovaných feritických ocelí plátovaných 3-10 mm austenitické nerezové oceli . Výstelka z nerezové oceli se primárně používá v místech, která přicházejí do styku s chladicí kapalinou, aby se minimalizovala koroze. V 60. letech se v těle nádoby používal molybden-manganový plechSA-302 třídy B. Postupem času byly vyžadovány větší tlakové nádoby a ke zvýšení meze kluzu bylo vyžadováno přidání zhruba 0,4 až 0,7 % niklu do této slitiny. Mezi další běžné slitiny oceli patří SA-533 Grade B Class 1 a SA-508 Class 2. Oba materiály mají jako hlavní legovací prvky nikl, mangan, molybden a křemík. SA-508 Class 2 také obsahuje stopy chromu. Nízkolegované feritické oceli NiMoMn jsou pro tento účel atraktivní díky své vysoké tepelné vodivosti a nízké tepelné roztažnosti, což jsou vlastnosti, které je činí odolnými vůči teplotním šokům. Při porovnávání vlastností těchto ocelí je však třeba brát v úvahu odolnost vůči poškození zářením.

V roce 2018 Rosatom oznámil, že vyvinul techniku tepelného žíhání pro RPV, která zmírňuje poškození zářením a prodlužuje životnost o 15 až 30 let. Tato metoda byla demonstrována na 1. bloku jaderné elektrárny Balakovo.

Radiační poškození kovů a slitin

Výroba tlakové nádoby VVER-1000/320 v Atommaši v Sovětském Svazu, 1982

Nepoužitá tlaková nádoba VVER-440/213 u výrobce Škoda JS, původně určená pro jadernou elektrárnu Żarnowiec

Vzhledem k povaze výroby jaderné energie jsou materiály používané v RPV neustále bombardovány vysokoenergetickými částicemi, zpravidla neutrony a gamma zářením. Když se jedna z těchto částic srazí s atomem v materiálu, předá část své kinetické energie a vyrazí atom z jeho pozice v mřížce. Když k tomu dojde, tento primární "knock-on" atom, který byl přemístěn se může odrazit a vyrazit další atomy z mřížky. Tento jev může způsobit vytlačení mnoha atomů z jejich původních pozic a vytvoření mnoha typů defektů. Hromadění různých defektů může způsobit mikrostrukturální změny, které vedou k degradaci makroskopických vlastností. Kaskádová reakce způsobená primárními knock-on atomy často zanechává stopu volných míst a shluků defektů na okraji. Tento jev se nazývá kaskáda posunu. V centru kaskády přemístění je spousta volného místa, které se také může zhroutit do dislokačních smyček. Vlivem ozařování mají materiály tendenci vyvíjet vyšší koncentraci defektů, než je tomu u typických ocelí a vysoké provozní teploty vyvolávají migraci defektů. To může způsobit například rekombinaci intersticiálních a prázdných míst či shlukování podobných defektů, které mohou buď vytvářet nebo rozpouštět sraženiny a dutiny. Příklady propadů nebo termodynamicky příznivých míst pro migraci defektů jsou hranice zrn, dutiny, nekoherentní precipitáty a dislokace.

Kvůli drsným podmínkám je TNR kritickou komponentou omezující životnost elektrárny. Pochopení účinků záření na mikrostrukturu spolu s fyzikálními a mechanickými vlastnostmi materiálů umožní vědcům navrhnout slitiny odolnější vůči poškození zářením.

Výrobci

Kvůli extrémní náročnosti na stavbu velkých tlakových nádob reaktorů a omezenému trhu je na světě jen několik výrobců:

• Česká Škoda JS
• Čínská First Heavy Industries, Erzhong Group, Harbin Electric a Shanghai Electric
• Francouzský Framatome (dříve Areva)

• Indická dceřiná společnost L&T Special Steels and Heavy Forgings Limited konglomerátu Larsen & Toubro ve spolupráci s Bhabha Atomic Research Center a NPCIL

• Japonská Japan Steel Works a IHI Corporation (ve společném podniku s Toshiba, bývalá)

• Ruské United Heavy Machinery (OMZ-Izhora), ZiO-Podolsk a AEM-Atommash Volgodonsk
• Jihokorejská Doosan Group
• Britská Rolls-Royce plc vyrábí reaktory pro ponorky Royal Navy Submarines

Odkazy

Související články

• Jaderná fyzika
• Jaderný reaktor
• Nádoby jaderného reaktoru

Externí odkazy

• VVER 1200 Construction na YouTube
• Obrázky, zvuky či videa k tématu Tlaková nádoba reaktoru na Wikimedia Commons

Autoritní data	LCCN: sh85093062 NDL: 01191419 NLI: 987007538648105171