Co jsou rekombinátory vodíku

Uvnitř kontejnmentů a reaktorových hal jaderných elektráren se umisťují tzv. rekombinátory vodíku. Jsou připraveny zafungovat v případě, že by se v ovzduší objevil plynný vodík – ten totiž v kombinaci se vzduchem vytváří třaskavou směs. Rekombinátory vodík „vychytají“ a podstatně tak snižují nebezpečí exploze uvnitř jaderného zařízení v případě hrozící havarijní události.

Havárie v jaderné elektrárně Fukušima sice nikoho nepřipravila o život, vzbudila však diskuse o zabezpečení jaderných zařízení proti přírodním katastrofám nečekané síly. Na mnoha elektrárnách ve světě proto proběhly takzvané zátěžové testy, které prověřovaly, jak by si dané zařízení poradilo s podobnou situací, které musela čelit právě Fukušima – záplava doprovázená ztrátou elektrického napájení a chlazení. Jedním z navrhovaných preventivních opatření proti tzv. nadprojektovým a i maximálně nepravděpodobným haváriím je zvýšení počtu rekombinátorů vodíku. Právě nahromadění vodíku, výbuch a destrukce střechy nad ochrannou obálkou reaktoru totiž ve Fukušimě způsobilo největší problém.

Jak může vodík vzniknout?
Vodík se vyvíjí při reakci horké vodní páry s kovy. Při hypotetické havárii tedy může vzniknout v důsledku reakce mezi zirkoniovým pokrytím palivového proutku a chladivem, při radiolytickém rozkladu vody, nebo díkykorozi kovů vystavených roztokům použitým při sprchování kontejnmentu a ze systému havarijního chlazení aktivní zóny. Vodík je ale také – díky větší tepelné vodivosti ve srovnání se vzduchem a tím vyšší účinnosti – často používaným chladicím médiem v elektrických generátorech, motorech a frekvenčních převaděčích. Nebezpečí jeho výskytu tedy existuje i v mnoha jiných průmyslových provozech, než jen u jaderných reaktorů.

Nejnebezpečnější jsou dva režimy hoření vodíku – rychlá tzv. deflagrace (horký hořící materiál ohřívá další vrstvu chladnějšího materiálu a zapaluje ho) a detonace (výbuch, chemická reakce šířící se nadzvukovou rychlostí). Při projektování jaderné elektrárny se hodnotí „vodíkové riziko“, tj. jaké množství vodíku se při projektem uvažovaných největších haváriích může objevit, a analyzují se časové průběhy šíření vodíku v celém prostoru kontejnmentu. Podle toho se pak interiér vybaví dostatečnou kapacitou rekombinátorů. Například kontejnmenty bloků Jaderné elektrárny Temelín jsou vybaveny systémem automaticky fungujících autokatalytických rekombinátorů, který je schopen dlouhodobě likvidovat vodík uvolňovaný při haváriích a v pohavarijních podmínkách a tím udržovat koncentraci vodíku pod hranicí 2,5 % objemových. Při ní nemůže dojít k jeho zapálení – koncentrace vodíku odpovídající hranici vznícení má hodnotu 4 objemová %.

Jak funguje rekombinátor

Zařízení využívá zajímavou vlastnost vodíku – schopnost „rozpouštět“ se v některých kovech, např. v palladiu nebo platině; ty pak fungují jako katalyzátory a vodík z ovzduší „vychytají“. Umožňují to velmi malé molekuly vodíku, které mohou procházet různými materiály. Rekombinátor tedy funguje na principu katalytického spalování vodíku, tj. exotermního slučování vodíku a kyslíku za vzniku vodní páry, která zůstává v kontejnmentu. Proces rekombinace začíná v závislosti na teplotě už při objemové koncentraci vodíku 2 % při teplotě menší než 100 ^oC a při koncentraci 1 % při teplotě převyšující 100 ^oC. V závislosti na koncentraci vodíku v ovzduší dokáží nejúčinnější typy vyčistit až 1 500 m³ vzduchu za hodinu. Rekombinátory nepotřebují elektrické napájení, žádné aktivační ani řídicí prvky, ani zásahy obsluhy. Mají podobu plechové nerezové krabice s mřížkou pro výstup vzduchu, uvnitř jsou tzv. autokatalytické bloky tvořené porézním materiálem s platinou. Bloky jsou vodoodpudivé a termostabilní, odolné vůči katalytickým jedům, což zaručuje spolehlivou práci i při nejtěžší projektové havárii až do koncentrace vodíku 10 objemových %. Vykazují i dlouhou životnost (až 30 let). Při reakci vodíku s katalyzátorem se vyvíjí teplo, které napomáhá k proudění vzduchu – teplejší stoupá vzhůru a spodem se samočinně nasává do zařízení vzduch nový. Tímto způsobem se zvyšuje účinnost.