Svědečný program, životnost jaderné elektrárny a reaktorová ocel

Začátkem května proběhlo na půdě Akademie věd finále soutěže EXPO SCIENCE AMAVET. Jedním z prezentovaných projektů byla také práce studentů Gymnázia Karla Sladkovského – Marka Kováře a Tomáše Petáka –, která se zaměřila na tématiku reaktorové oceli a životnost jaderných elektráren. Práce byla ohodnocena právem účasti na mezinárodní soutěži INTEL ISEF 2011 v USA, zvláštním uznáním Skupiny ČEZ a The ASM Materials Education Foundation.

O co jde?
Práce nesla na první pohled poněkud komplikovaný název „Studie struktury a mechanických vlastností reaktorové oceli pro VVER 440 a výpočet životnosti jaderných reaktorů“. Jejím hlavním tématem byl kompletní metalografický rozbor oceli 24CrMoV5-5. Jedná se o chrom–molybden–vanad konstrukční ocel, používanou pro výrobu tlakovodních nádob jaderných reaktorů. Protože byl originální materiál nedostupný, podařilo se získat alespoň svým chemickým složením velmi podobnou ocel, která byla blízká skutečné reaktorové oceli i svým výrobním postupem.

Náš projekt se kromě toho věnoval i teoretickému výpočtu stanovení životnosti tlakovodní reaktorové nádoby VVER-440 typu 213. Více než roční projektová práce probíhala za spolupráce FJFI ČVUT Praha, Jaderné elektrárny Temelín a Škoda JS Plzeň.

Rozbor materiálu
Mechanické zkoušky slouží k následnému výpočtu životnosti jaderného reaktoru – měly by potvrdit normované parametry oceli, nebo by měly po neutronovém ozáření vykázat změny konstrukčních vlastností.

Důležitou mechanickou zkouškou je Charpyho zkouška vrubové houževnatosti. Z jejích výsledků můžeme určit teplotu, při které se materiál stává křehkým a tedy i nebezpečným pro další provozování tlakovodní reaktorové nádoby.

K testu se používá Charpyho kladivo, které vzorek přerazí při zvolené teplotě. Při různých teplotách je energie potřebná k přeražení vzorku rozdílná. Z naměřených hodnot se sestaví přechodová křivka. Inflexní bod je kritická přechodová teplota rozdělující křehký a houževnatý stav materiálu. Při neutronovém ozařování dochází k posunu křivky po ose x směrem doprava. Kritická přechodová teplota se posunuje na hodnoty, při kterých další provoz reaktoru není z bezpečnostních a technických důvodů možný (materiál tlakovodní reaktorové nádoby křehne na neúnosnou mez).

Svědečný program
Pro sledování změn mechanických vlastností materiálů tlakové nádoby reaktoru v průběhu provozu slouží tzv. svědečné programy materiálových vzorků, které vyžadují normy a nařízení Státního úřadu pro jadernou bezpečnost ČR (SÚJB) a mezinárodních úřadů pro jadernou bezpečnost (IAEA).

Vlivem neutronového záření dochází na tlakovodní reaktorové nádobě (TRN) v mikrostruktuře materiálu k nevratným změnám, které výrazně ovlivňují mechanické a fyzikální vlastnosti oceli. Pro sledování životnosti a provozuschopnosti TRN, a tedy i celé elektrárny, jsou nejdůležitější změny elastických/plastických vlastností (posunutí meze kluzu a pevnosti) a růst kritické přechodové teploty a tím i snižování energie nezbytné pro šíření trhlin v plastické oblasti za vysoké teploty.

K monitorování změn slouží speciální svědečný program určený pro tento typ reaktoru. Systém svědečných těles je zavěšen na okraji aktivní zóny TRN ve speciálních válcových obalech (kontejnery neboli pouzdra) spojených pomocí článků řetězu. Svědečná tělesa jsou z TRN pravidelně vyjímána a podrobována přísným mechanickým zkouškám v Ústavu jaderného výzkumu v Řeži u Prahy.

Stanovení životnosti
Díky svědečnému programu lze přesně stanovit životnost reaktorové nádoby. Pokud nejsou k dispozici experimentální data, životnost se určuje teoretickým výpočtem. Tak tomu bylo i v případě naší studentské práce. Ukázalo se, že materiál použitý pro experiment by požadavkům jaderných elektráren nevyhověl. Provozuschopný by byl teoreticky jen několik měsíců. Životnost TRN se dnes pohybuje okolo 40 až 60 let. Některé velmi smělé teorie mluví o době 80 až 100 let. Samozřejmě velmi záleží na typu reaktoru a na způsobu jeho provozu, protože při nešetrném odstavování výrobního bloku jaderné elektrárny se životnost velmi rychle snižuje (např. rychlé odstavení pádem regulační tyčí). Nejstarším z provozovaných reaktorů typu VVER je 3. blok jaderné elektrárny Novovoroněž v Rusku. Blok byl připojen do sítě již v roce 1971 a jeho odstavení je plánované na rok 2017.

Výsledky naší práce
Studie nás uspokojila. Považujme ji za zdařilý příspěvek k problematice bezpečnosti a ekonomičnosti provozu jaderných zařízení v oblasti výroby elektrické energie. Především v souvislosti se současným celosvětově rostoucím ekonomicko-politickým zájmem o rozvoj jaderné energetiky je problematika zvyšování životnosti jaderných reaktorů při zachování spolehlivé bezpečnosti jeho provozu velmi aktuální. Vliv neutronového záření na změny mechanických vlastností materiálu reaktorové nádoby není z vědeckého hlediska experimentálně ani teoreticky dostatečně zmapován, přestože má dominantní vliv na pružnostně-pevnostní vlastnosti reaktorové oceli. Hlubším poznáním vlivu neutronových fluencí na změny strukturních vlastností materiálů bychom výrazně přispěli k prodloužení životnosti TRN při zajištění bezpečnosti jejich provozu.

V práci budeme pokračovat, protože se nám podařilo získat originální reaktorovou ocel a možnost jejího ozáření v ÚJV ŘEŽ.

Jaderná maturita 2010
V květnu letošního roku se čtyřicet studentů Gymnázia Karla Sladkovského a Gymnázia Jaroslava Seiferta zúčastnilo Jaderné maturity pořádané Jadernou elektrárnou Temelín. Během třídenního programu se studenti seznámili s reálným provozem elektrárny, a navíc program zpestřily přednášky z různých oborů týkajících se jaderné energetiky, přednášela i předsedkyně SÚJB Dana Drábová. Program vyvrcholil závěrečným vědomostním testem, na jehož základě byli nejlepší řešitelé oceněni drobnými dárky od společnosti ČEZ.