LR-0 - výzkumný reaktor

Výzkumný reaktor LR-0 je lehkovodní reaktor nulového výkonu. Slouží jako experimentální reaktor pro měření neutronově fyzikálních charakteristik reaktorů typu VVER a PWR (Vodovodní energetický reaktor).

Poskytuje vědecko-technickou základnu pro experimenty v oblasti fyziky aktivní zóny a stínění lehkovodních reaktorů typu VVER (Temelín, Dukovany a další reaktory ruské konstrukce) a experimenty související se skladováním vyhořelého paliva z jaderných elektráren a s perspektivními směry v jaderné energetice. Reaktor LR-0 je řešen univerzálním způsobem, vhodným pro realizaci fyzikálních experimentů na aktivních zónách typu VVER v širokém rozsahu počtu kazet, obohacení paliva, s různou koncentrací H3BO3 v moderátoru, s různým uspořádáním absorpčních elementů v kazetách apod. Velmi důležitou součástí výzkumu je modelování a experimentální ověřování radiačního poškození materiálů vnitroreaktorové vestavby a reaktorových nádob VVER.

V projektu reaktoru LR-0 byly respektovány specifické požadavky vyplývající jednak z hlediska zajištění jaderné bezpečnosti všech provozních stavů a jednak z jeho určení k fyzikálnímu výzkumu aktivních zón typu VVER.

Nádoba reaktoru

Provozní podmínky

Palivo

Řízení výkonu

• Modelování neutronových polí energetických reaktorů.
• Experimenty typu benchmark v měřítku 1:1 vztažené radiálně k reaktorům VVER.
• Široký rozsah možností modelových experimentů s vysokým stupněm reprodukovatelnosti parametrů.
• Možnost flexibilní přestavby zóny a flexibilní provoz reaktoru.
• Možnost navrhovat a provozovat mnoho-zónové aktivní zóny, např. substituční zóny s vnitřní vložnou zónou v hexagonální nebo čtvercové geometrii (řízenou standardními kazetami LR-0).
• Vybavení standardními a speciálními opěrnými deskami pro experimenty typu MOCK-UP.
• Vybavení speciálními opěrnými deskami umožňujícími symetrické trojúhelníkové uspořádání kazet s volitelnou roztečí.
• Široký rozsah měřících technik včetně zařízení a zkušeného personálu.

• Měření rozložení toku neutronů v proutcích a kazetách s a bez absorpčních klastrů – po výšce i po poloměru. Slouží pro kontrolu a odladění výpočetních modelů („benchmarková měření“), studium vyhoření článků, aj.

• Skladování vyhořelého paliva – experimentální ověření jaderné bezpečnosti ve vztahu k navržené geometrii a různým absorbujícím materiálům.

• Modely kazet VVER-440 a VVER-1000 – měření rozložení neutronového toku z hlediska biologického stínění a dalších dozimetrických účelů (např. měření dávek na tlakovou nádobu reaktoru).

• Časoprostorová kinetika pro sestavování benchmarkových dat a kódů.

• Výzkum a ověřování fyzikálních parametrů reaktorů – integrální a diferenciální efektivity řídících a havarijních tyčí, kritická výška hladiny, hladinový koeficient reaktivity.

• Experimenty s novými návrhy rozložení palivových kazet – zkoumání vlivu a rozložení neutronového toku na materiály v nově navrhovaných kazetách při různém rozložení palivových proutků.

• Vliv regulačních kazet v zónách VVER 440 – měření rozložení neutronového toku v palivu s částečně vloženou regulační kazetou.

• Studie vyhořívajících absorbátorů Gd a CrB₂ – měření rozložení výkonu při provozu s těmito absorbéry.

• Měření rozložení neutronových toků v článcích s tavnými solemi pro program SPHINX. Tento projekt je součástí mezinárodní spolupráce na projektu EUROATOM.

V reaktoru probíhá štěpná reakce tepelných neutronů v palivových proutcích s uranem, který obsahuje také štěpitelný izotop U²³⁵. Reakce je řízena buď výškou hladiny moderátoru nebo experimentálním klastrem. Moderátorem – zpomalovačem neutronů na rychlost vhodnou pro další štěpení je demineralizovaná voda. V ní je rozpuštěná kyselina boritá H₃BO₃ o koncentraci 0 až 12 g.l^-1 a ta slouží jako pomocný absorbátor neutronů. Výkon reaktoru je nízký, jeho maximální tepelný výkon je 1 kW, což zdaleka nestačí k ohřátí vody, které je v reaktoru zhruba 20 m³, ani o jediný stupeň celsia. Tento výkon je ani ne milióntinou výkonu reaktoru v Temelíně, takže je konstrukce našeho reaktoru mnohem jednodušší – ale protože uvnitř platí stejné fyzikální zákony, lze v něm zkoumat i vlastnosti daleko větších reaktorů.

Bezpečnost ovládacího zařízení reaktoru je tvořena řadou bezpečnostních prvků. Uvedeme například redundanci řídících jednotek a logiku výběru dvou správných signálů ze tří paralelně zapojených aparatur. Všechna důležitá zařízení jsou součástí bezpečnostního řetězce, jehož rozpojení okamžitě odstaví reaktor. Zastavení reaktoru je kontrolováno i v případě ztráty napájení OZ (z baterie je napájena tzv. vybraná signalizace otevřených havarijních ventilů moderátoru a indikace dolní polohy havarijních klastrů). Reaktor LR-0 odstaví nejen zasunutí absorpčních tyčí jako v energetických reaktorech, ale navíc i rychlé vypuštění moderátoru do zásobních nádrží.

Nádoba reaktoru

Nádoba reaktoru je umístěna v betonovém stínícím bunkru. Sestává se ze dvou částí vyrobených z hliníku o vysoké čistotě (čistota materiálu nejméně 99,5 %). Spodní válcová část má A 3,5 m a výšku 6,5 m, stěny mají tloušťku 16 mm, dno 25 mm. Horní čtvercová část má rozměry 6 x 6 m, výšku 1,5 m a je se spodní částí svařena v jeden celek. Vnější válcová část nádoby je zastíněna 1 mm silnými kadmiovými plechy a celá nádoba je zakryta odnímatelnou tepelnou izolací v tloušťce 100 a 200 mm.

Palivo

Jaderné palivo lze do aktivní zóny zakládat v různých geometriích a v roztečích podle použité nosné desky; vše závisí na tom, co je potřeba pro ten který experiment. Kromě paliva a absorpčních klastrů jsou v zóně ještě suché kanály pro měřicí přístroje z hliníkových trubek A 80 x 5 mm. Základní symetrické konfigurace AZ (počet kazet): 7, 19, 31, 55, 85, 121.

Moderátor

Slouží pro zpomalování rychlých neutronů vzniklých ze štěpení uranu až na tepelný pohyb při kterém lze vyvolat další štěpení uranu. Jako moderátor se používá demineralizovaná (velmi čistá) voda, někdy s rozpuštěnou kyselinou boritou (H₃BO₃) o koncentraci 0-12 g.l^-1, která slouží jako absorbátor neutronů pro řízení výkonu reaktoru (na LR-0 na rozdíl od skutečné elektrárny nelze koncentraci měnit za provozu). Maximální povolená provozní teplota moderátoru je 70 °C a dosahuje se jí vnějším elektrickým ohřevem, protože výkon reaktoru je k jakémukoliv ohřevu nedostatečný.

Kazety reaktoru mají tvar šestibokého hranolu následujících dvou typů:

VVER 1000 – je model bezobálkové kazety reaktoru zkrácený na 1/3 původní délky (Temelín 3,5 m) se standardním nebo regulárním rozložením. Skládá se z nosného skeletu (jedna centrální a 18 vodicích trubek a volitelný počet distančních mřížek), do něhož je založeno 312 palivových proutků. Nerezové vodicí trubky slouží k vedení absorpčních elementů klastrů. V ose kazety je centrální trubka pro vnitroreaktorová měření (např. teploty, tlaku nebo neutronového toku). Aktivní část má celkovou výšku 1250 mm. Palivové proutky ze zirkoniové slitiny jsou naplněny tabletami z lisovaného keramického prášku UO₂.

VVER 440 – má kazetu podobnou jako předchozí typ, ale skládá se z pouze 126 palivových proutků, kazeta má obálku z hliníkového plechu a nemá vodicí kanály pro absorpční klastry.

Absorbční klastry LR-0

Absorpční klastry se používají k řízení výkonu reaktoru. Skládají se z 18 proutků s absorbátorem spojených do jednoho celku, který je pomocí elektrických pohonů vytahován z jaderného paliva podle povelů operátora reaktoru. Jako absorbátor se i zde používá bór, tentokrát v chemické formě bílého pevného B₄C. Část klastrů je za provozu plně vytažena z reaktoru a slouží pro případ nutnosti odstavit reaktor – tzv. havarijní klastry. Ostatní klastry („experimentální“) lze při spouštění reaktoru nastavit do libovolné polohy podle požadavků experimentu. Obvykle se v reaktoru používá 6 až 16 klastrů. Výkon lze řídit i výškou hladiny moderátoru.

Neutronový zdroj ke spouštění reaktoru LR-0

Je použit zdroj typu ²⁴¹AmBe s emisí 6,6*10⁶ neutronů s^-1. Je umístěn v kontejneru pod nádobou reaktoru, pro spouštění reaktoru se mechanicko-pneumaticky zasouvá do reaktoru a poskytuje první neutrony pro bezpečný start štěpné řetězové reakce. Po spuštění a stabilizaci řetězové reakce je neutronový zdroj na povel operátora vysunut z aktivní zóny a za provozu se už nepoužívá.

Dozimetrie

K monitorování radiační situace v bezprostředním okolí reaktoru slouží dozimetrický systém, který měří dávkový příkon záření beta a gama. Je vybaven varovnou zvukovou a světelnou signalizací při překročení nastavených limitů.

Historie

V šedesátých letech byl vybudován těžkovodní reaktor nulového výkonu TR-0, který sloužil pro výzkum aktivní zóny energetického reaktoru KS-150 (Jaslovské Bohunice A-1). Byl uveden do provozu v roce 1972 a provozován do roku 1979. V souvislosti se změnou orientace naší i celosvětové jaderné energetiky z těžkovodních na lehkovodní reaktory byl experimentální těžkovodní program ukončen v roce 1975 a v letech 1976–1979 po částečné přestavbě pokračovala v hnací těžkovodní zóně měření s lehkovodní vložnou zónou LVZ-I.
Kolem roku 1980 byl reaktor celkově přestavěn na reaktor LR-0 – experimentální lehkovodní reaktor „nulového“ výkonu. Od té doby až do současnosti slouží reaktor LR-0 hlavně pro výzkum aktivních zón, skladovacích mříží a modelových experimentů reaktorů typu VVER-1000 a VVER-440. Do trvalého provozu byl reaktor uveden v červnu 1983.

Princip štěpných reaktorů

Štěpné jaderné reaktory jsou založeny na uvolňování energie při štěpení některých těžkých atomů. Mezi štěpné materiály patří hlavně uran ²³⁵U, ale také ²³⁹Pu, ²³³U a jiné. Kromě ²³⁵U se všechny ostatní štěpné materiály musí vyrábět uměle, takže v průmyslovém měřítku se používá zatím jen ²³⁵U. I ten je ale v přírodní směsi izotopů uranu zastoupen méně než jedním procentem, takže se pro použití v reaktorech musí obvykle „obohacovat“ – odstraňováním majoritního izotopu ²³⁸U se zvýší podíl ²³⁵U na hodnotu cca čtyř procent, již použitelných pro obvyklé jaderné reaktory.

Štěpení uranu je způsobeno zasažením jádra uranu neutronem. Při štěpení se uvolní energie cca 200 MeV, což pro představu znamená, že rozštěpením jednoho gramu ²³⁵U lze teoreticky uvolnit energii cca 2 MWh. V praxi je účinnost řádově menší kvůli nízké efektivitě vyhořívání jaderného paliva a účinnosti tepelného cyklu při konverzi tepelné energie v elektrickou, přesto je jaderné palivo o řádově milionkrát „výhřevnější“ než paliva fosilní.

Důležitou vlastností štěpné reakce je, že kromě uvolnění energie vzniknou též dva až tři neutrony, které mohou způsobit další štěpení. Proto se jaderná reakce po nastartování „prvním neutronem“ (k čemuž se často používá externí zdroj neutronů) už udržuje sama – mluvíme o štěpné řetězové reakci.

Neutrony vznikající při štěpení mají vysokou energii a tudíž i rychlost. Díky tomu je relativně malá pravděpodobnost, že stihnou rozštěpit další uran dřív, než samy vyletí ven z reaktoru. Takto funguje jaderné štěpení pouze v takzvaných rychlých reaktorech. Pro usnadnění štěpení uranu je v reaktoru přítomen moderátor – látka, která má za úkol rychlé neutrony ze štěpení zpomalit, takže potom snadno způsobí štěpení dalšího jádra uranu. Reaktory založené na této koncepci se nazývají tepelné.

Rychlé reaktory musí mít kvůli vysoké rychlosti neutronů větší rozměry nebo obohacenější palivo a také jejich regulace je relativně složitější. Jejich výhodou je lepší efektivita spalování uranu – díky tomu se v budoucnosti, až budou světu docházet zdroje uranu, počítá se širším využitím tohoto typu reaktorů. Dosud je celosvětově rozšířenější koncepce tepelných reaktorů. Jejich předností je jednodušší konstrukce, snadnější regulace a při vhodné konstrukci vyšší jaderná bezpečnost díky autoregulačním vlastnostem. Nevýhodou je horší využití paliva – ve vyhořelém palivu zůstává asi 80 % ²³⁵U nevyužito (hromadící se štěpné produkty znemožňují další používání).

Schématický popis reaktoru LR-0

Víko reaktoru

Kritický soubor reaktoru LR-0

reaktor-LR0.pdf (572,8 kB)