3. A 2003-as paksi üzemzavar és a sérült fűtőelemek nedves tárolása
3.1. A paksi üzemzavar lefolyásának ismertetése
A Paksi Atomerőmű négy blokkját 1983 és 1987 között állították üzembe. Az atomerőmű négy VVER típusú reaktorának eredeti elektromos teljesítménye 440 MW volt.
2002-ben a névleges teljesítmény a hatásfoknövelésnek köszönhetően (turbina átalakítás, szekunder köri rekonstrukció) már 470 MW volt blokkonként, ami a reaktor hőteljesítményének növelésével 2009 óta már eléri az 500 MW-ot. Ezek szolgáltatják Magyarország villamosenergia-termelésének közel 40%-át. A paksi atomerőmű 2. blokkjának 1. számú szervizaknájában levő tisztítótartályban 2003. április 10-én bekövetkezett súlyos üzemzavar során 30 darab fűtőelem-kazetta sérült meg. A korábbi években az 1., 2. és 3.
blokkok kazettáin magnetit korróziós termék rakódott le. A rendes éves leállás alatt végezték e kazetták vegyi tisztítását egy, a reaktor melletti szervizaknába telepített speciális tisztítótartályban (15. ábra).
A hatodik kazettatöltet tisztítása, melynek során 30 fűtőelem-kazettatöltet tisztítási folyamatát végezték el, 2003. április 10-én ért véget. A művelet alatt nagy tömegáramú hűtőközeg-keringtetés biztosította a fűtőelemek megfelelő hűtését. A tartály fedelét, valamint a kazettákat a berendezésből nem tudták rögtön eltávolítani, mivel az ehhez szükséges reaktorcsarnoki darut éppen a reaktor szerkezeti elemeinek tisztításához használták. Így a fűtőelemek hűtését a tisztítórendszer normál hűtési állapotának megfelelő, kisebb teljesítményű búvárszivattyúval oldották meg.
A későbbi vizsgálatok során kiderült, hogy a tisztítóberendezés és az üzemanyag-kazetták speciális kialakítása miatt ez az alacsony tömegáramú hűtés nem volt képes elszállítani a fűtőelemekben a hasadási termékek bomlása miatt felszabadult ún. remanens hőt, ami a tisztítótartályban és a fűtőelem-kazettákban bonyolult, természetes konvekciós folyamatok kialakulásához vezetett. A hőmérséklet rétegezettsége akadályozta az áramlást, ezért a hűtőközeg hőmérséklete elérte a telítési hőmérsékletet a tisztítótartály felső részében.
Ezután a képződő gőz a tisztítótartály kedvezőtlen kialakítása következtében kiszorította a hűtővíz egy jelentős részét a tartályból. Ez okozta, hogy a kazetták hét órára hűtés nélkül maradtak és hőmérsékletük 1000 °C fölé emelkedett. A kazetták felhasadtak a hősokktól, majd szerkezetük oxidálódott és súlyosan megsérült. Az üzemzavar során a sérült fűtőelemekből kiszabaduló radioaktív nemesgázok a reaktorcsarnok szellőztető rendszerén keresztül a kéménybe és onnét a környezetbe is kijutottak, ám ezeknek az élő környezetre gyakorolt hatása a relatíve kis mennyiségük miatt elhanyagolható volt. [56]
3.1.1. Előzmények
A 90-es években vegyszeres dekontaminálásokat végeztek a Paksi Atomerőműben a személyzet radiológiai védelmének érdekében, a gőzfejlesztők tápvízelosztóinak lecserélése alatt, melyre az elosztókon ekkoriban jelentkező korróziós-eróziós problémák miatt volt szükség.
A végrehajtott dekontaminálások elfogadhatatlan következményeként magnetit lerakódás tűnt fel a fűtőelem-kazetták felületén. A magnetit lerakódás elzárta az áramlási terület egy részét, ezért csökkent a kazettákon átáramló hűtőközeg mennyisége és nőtt a kazettákból kilépő hűtőközeg maximális hőmérséklete. Az erőmű az érintett egységek teljesítményét lecsökkentette a kazetták kilépő-hőmérsékletekre előírt korlátnak megfelelően.
A történtek hatására az erőmű vezetése az érintett kazetták tisztítása mellett döntött. A 2000 és 2001-es években összesen 170 kazetta vegyszeres tisztítása lett sikeresen elvégezve egy, a Siemens KWU által tervezett berendezéssel, amely egyszerre 7 kazettát tudott
43
befogadni [57]. Az előzetes várakozásoknak megfelelően, ez az eszköz hatékonyan működött.
A tisztított kazetták két évvel a tisztítási folyamat elkezdése előtt el lettek távolítva a reaktorzónából, így ezek maradékhője alacsony volt. Ennek a tisztítótartálynak a bevezetőcsöve a tartály alján, míg a kivezetőcsöve a tartály tetején helyezkedett el.
2002 novemberében az erőmű rendelt egy új, nagyobb méretű, vegyszeres tisztító berendezést. Az új tisztítótartály egyszerre 30 fűtőelem-kazetta vegyszeres tisztítását tudta elvégezni ugyanazzal a permangánsavas-oxálsavas módszerrel. A berendezés 2003 elején érkezett Magyarországra. [46][56][58][59]
3.1.2. A tisztítótartály működése
Az AMDA tisztítótartály a 2. blokki 1. számú aknában (szervizaknában) helyezkedett el (15. ábra), a pihentető medence mellett, 13 méterrel a vízszint alatt. A medencék közös víztérben voltak, ami bóros vízzel volt feltöltve. A fűtőelem-kazettákat átrakógéppel helyezték be a tisztítótartályba és vették ki abból. [46][60]
15. ábra. A medencék és a reaktorcsarnok vázlatos elrendezése [46]
Normál üzemi állapotban, a vegyszeres tisztítás során, oxálsav oldatot – ami fontos szerepet játszik mind a tisztításban, mind hűtőközegként – áramoltattak a zárt hurokban, 170 t/h áramlási sebességgel. Az AMDA rendszerébe beépített hőcserélő biztosította a fűtőelem-kazetták bomláshőjének eltávolítását.
A duplafalú tisztítótartály falai között vákuum volt, hogy csökkentse a hőveszteséget a magas hőfokú (90 °C) tisztítás alatt. A tartályban 30 kazettának volt hely. A kazetták az alsó tálcára feküdtek fel és a felső tálca által voltak rögzítve (16. ábra). A kazetták közötti távolság nagyobb volt, mint a reaktorzónában.
A hűtőközeg lefelé áramlott a duplán burkolt tisztítótartály külső és belső fala közötti csővezetéken keresztül, majd alul belépett a belső térbe. A hűtőközeg felfelé áramlott a kazetták belsejében és lefelé a kazetták közötti térrészben, majd a belépéssel közel egy síkban elhelyezett kilépő csőcsonkon keresztül, az alsó részen hagyta el a tartály tisztítóterét (16.
ábra). [46][58]
44
16. ábra. A tisztítótartály sematikus rajza a folyadék áramlási irányával [46]
A tisztítási folyamat befejezése után a rendszer át lett állítva egy közbenső hűtési módra: egy búvárszivattyú keringette az 1. számú akna vizét a tisztítótartályon keresztül, nyitott hurokban, 20 t/h áramlási sebességgel. [58]
Az üzemzavar elemzése rámutatott, hogy a tisztítótartályban az elégtelen hűtés fő oka tervezési probléma: mivel mind a bevezető-, mind a kivezetőcső a tartály alsó részén helyezkedett el, by-pass áramlás alakulhatott ki köztük. A víz felmelegedett a tartály felső részében, ami telítési állapothoz vezetett. A 4 m3 gőz termelődése igen gyorsan történhetett, figyelembe véve a kazetták magas bomláshőjét és, hogy a vízszint alakulása a tisztítótartályban csak néhány percig tartott a telítés elérése után [58][59].
A tisztítótartály tervezési hiányosságainak elemzésekor mindenképpen meg kell említeni, hogy a tartályon belülre sajnos semmilyen mérőműszer nem volt telepítve (úgy, mint termoelemek, nyomás átalakítók vagy vízszintmérő), így az üzemzavar során a kezelőszemélyzet nem szerezhetett tudomást a hűtés elégtelenségéről és a tartályon belüli hőmérséklet emelkedéséről. [56]
3.1.3. Az üzemzavar kronológiája
A Paksi Atomerőmű 2. blokkját 2003. március 29-én állították le átrakás miatt. A 30 fűtőelem-kazetta első töltetének tisztítása március 20-án kezdődött. Az üzemzavart megelőzően öt töltetet tisztítottak meg sikeresen. Az első, második és negyedik töltet kazettáit már néhány évvel korábban eltávolították a zónából. A harmadik és az ötödik töltet kazettái jelentős maradványenergiát tartalmaztak, mivel ezek csak néhány nappal a tisztítás előtt lettek eltávolítva a reaktorból. A későbbi vizsgálatok rámutattak, hogy az közbenső hűtési módot csak rövid ideig alkalmazták az öt eset többségénél, továbbá a tartály nagyon hamar ki lett nyitva a tisztítás befejezését követően. [46]
Április 10-én a 6. kazettatöltetet tisztították, melynek 30 kazettája összesen 241 kW bomláshőt termelt [61][62]. A vegyszeres tisztítást 16.00-kor fejezték be és 16:40-kor indult el a közbenső hűtés („B” üzemmód). A tartály kinyitása későbbre halasztották a daru foglaltsága miatt. A közbenső hűtés során a hűtőközeg térfogatáramát és kimenő hőmérsékletét mérték (FANP). A 2003. április 10. 17:00 óra és 2003. április 11. 2:00 óra között rögzített adatokat az 17. ábra mutatja. Látható, hogy míg ez idő alatt az elszállított vizet 10%-os ingadozás jellemezte, a kimenő hűtőközeg hőmérséklete folyamatosan csökkent.
Fűtőelem-kazetták Légtelenítő szelep
Bevezetőcső Kivezetőcső
Távtartórács Fedél
Belső fal Külső fal
45
A belépő hűtővíz átlaghőmérséklete 30°C volt [61]. Az eredmények alapján elmondható, hogy a hűtőközeg által eltávolított hőmennyiség folyamatosan csökkenésével a fűtőelemkazetták hűtése leromlott.
17. ábra. A tisztítótartály kimenő hőmérséklete és térfogatárama [61]
19:00 után a vízszint enyhe növekedését jegyezte fel a blokk térfogatkiegyenlítő és nyomástartó edényének szintmérője. A változás csupán néhány centiméter volt, ám figyelembe véve a rendszer közös felületét, 4 m3 víztérfogatot jelentett. Mivel a tartály teljes térfogata 6 m3 volt, a 4 m3 víztérfogat azt mutatta, hogy a fűtőelempálcák egy része ekkora magasságváltozás után szárazra került.
A fűtőelem sérülés első jeleit az AMDA berendezés 85Kr mérőjén hirtelen megnőtt beütésszám jelezte, majd néhány perccel később a blokk nemesgáz-detektorai is jelzést adtak.
A működtető személyzet úgy döntött, ki kell nyitni a tartályt annak érdekében, hogy megértsék, mi okozza az aktivitás-kikerülést.
A fedél hidraulikus zárját éjjel 2:15-kor nyitották ki. A fedelet, annak felemelése nélkül távolították el eredeti helyzetéből. Ekkor egy nagy gázbuborék jött ki a tankból. A detektorok magas nemesgáz aktivitást jeleztek a reaktorcsarnokban és a kéményben. 4:20-kor megkísérelték a fedél eltávolítását, ám a daru kötele elszakadt, így a tartály részlegesen nyitott állapotban maradt. Az első aktivitás-koncentráció mérések számos hasadási termékre magas hűtőközeg aktivitást (107-108 Bq/l) mutattak a pihentető medence vizében. Végül a fedelet április 16-án vették le. [46]
3.1.4. Gőzképződés a tisztítótartályban
Az utólagos vizsgálatok rámutattak, hogy a közbenső hűtési mód, 20 t/h áramlási sebességgel, nem volt megfelelő. Az elégtelen hűtést okozhatta a kazetták falain található furatokon keresztüli by-pass áramlás kialakulása, valamint a kazetták félrepozícionálása (18. ábra) [46][63].
46
18. ábra. By-pass áramlási lehetőségek a tisztítótartályban: a kazetták falain található furatokon keresztül (bal) és félrepozícionálás miatt (jobb) [46]
A VVER-440 raktortípusban kétféle kialakítású üzemanyag-kazettát alkalmaznak: a normál munkakazettákat és az ún. követőkazettákat, melyekből a 6. kazettatöltet rendre 11 és 19 darabot tartalmazott. Ezek fej-, illetve lábrészükben térnek el egymástól. A munkakazetták köpenyének alja és teteje perforálva van, vagyis összesen 12-12 db 9 mm átmérőjű furat található rajtuk, melyek egyensúlyt tartanak a nyomások között és elősegítik a kazetták közötti áramlást. A munkakazetták köpenyén található alsó furatokon keresztül a víz egy része a fűtőelempálcák hűtése nélkül léphetett ki. [56]
A nemzetközi OECD-IAEA Paks Fuel Project kereteiben elvégzett termohidraulikai számítások szerint [46] ezek a lyukak nem okozhattak by-pass-t, azonban a félrepozícionálással együtt a by-pass kialakulhatott.
A félrepozícionálás azt jelenti, hogy a fűtőelem-kazetták nem teljesen függőlegesen voltak behelyezve. A munka- és a követőkazetták eltérő kialakítása miatt, a tartály alsó, kazettákat tartó lemeze úgy lett kialakítva, hogy a benne levő fészkek mindkét típusú kazetta befogadására alkalmasak legyenek, így különböző átmérőjű peremek találhatóak benne. A kazetták tökéletes illeszkedését műszerezettség hiányában nem lehetett ellenőrizni, így rések lehettek a kazetták alja és az alsó tálca között. Ezért adódhatott olyan valós lehetőség, hogy egy vagy több fűtőelem-kazetta a 6. kazettatöltetből pontatlanul lett behelyezve. Egy teljesen félrepozícionált fűtőelem-kazetta esetében ez 13-20 cm2 by-pass felületet eredményezhetett.
A hőmérsékleti rétegződés fejlődése és a növekvő by-pass áramlási sebesség nem volt észrevehető a kilépő hőmérséklet mérési jeléből. Mivel a kazettákon való átáramlást blokkolta a hőmérsékleti rétegződés, egyre több hűtőközeg terelődött a perforációs lyukakon át a belépéstől közvetlenül szintén a tartály alsó felén levő kilépéshez (19. /a), így az nem tudta kellő mértékben eltávolítani a bomláshőt és a hőmérséklet a tartály felső részében emelkedni kezdett. A hűtőközeg forrása két órával a közbenső hűtési mód elindítása után kezdődött el (19. /b). Ezt követően annyi gőz keletkezett, ami 19:00 és 19:20 között kiszorította a vizet a tartály nagy részéből (19. /c, d), mely folyamatot a blokk térfogat-kiegyenlítő és nyomástartó edénye szintmérésének lassú szintnövekedése mutatta, amit azonban csak az utólagos vizsgálatok tártak fel. [46][59]
47
a b c d
19. ábra. A hűtőközeg áramlása a tisztítótartályban a közbenső hűtési mód kezdetekor (a) és a gőzképződés lépései (b, c, d) [59]
3.1.5. A burkolat maradandó alakváltozása és a magas hőmérsékletű oxidáció Folyamatos hőmérséklet-növekedés kezdődött a tartályban, amikor a fűtőelempálcák felső részét már nem hűtötte a víz. A tartály dupla falú rendszere miatt kevés hő távozott a tartályból a környező vízbe. A fűtőelem hőmérséklete elérte a 800-900 °C-ot. A fűtőelempálcák belső oldalán a hőmérséklet növekedése a nyomás növekedéséhez vezetett (30-40 bar) [63]. A nyomásnak és a hőmérsékletnek e tartományában a burkolat maradandó alakváltozása következett be, a felfúvódás pedig felhasadáshoz vezetett. Elég valószínű, hogy a fűtőelem meghibásodásnak ez a típusa volt felelős a 85Kr detektor által mért aktivitás kikerüléséért. [46]
A hőmérséklet további növekedése felgyorsította a cirkónium alkatrészek oxidációját. A burkolat hőmérsékletének maximuma elérte az 1200-1300 °C-ot. Ez a szakasz 7 órán át tartott. Az oxidáció következtében a stagnáló gőz hidrogén tartalma magas lett. A képződött hidrogén túlnyomó része a légtelenítő szelepen keresztül távozott (16. ábra), ám a magas hidrogén-koncentráció a burkolat és a köpeny jelentős hidrogénfelvételét eredményezte. A kazetták felső része oxidálttá vált és sok hidrogént vett fel, míg az alsó részüket a víz hűtötte, így nem szenvedtek el jelentős változást. [46][58]
3.1.6. A tisztítótartály felnyitása – elárasztás
Számos fűtőelem sérülés következett be a tisztítótartály fedelének felnyitása során. A termikus és mechanikai terhelések eredményeként sok fűtőelempálca eltöredezett. A magas nemesgáz aktivitás-kikerülés is azt jelezte, hogy sok fűtőelempálca elvesztette épségét a hirtelen beáramló hidegebb víz okozta lehűlés közben, ami alsó és felső beáramlás kombinációjaként ment végbe. A hidraulikus zár nyitása egy kis rést hozott létre a fedél és a tartály között. A gázok egy része ezen a résen keresztül került ki a tartályból a pihentető medencébe és így a nyomás a tartályban lecsökkent (20. /a). A víz bejutása a bevezetőcsövön keresztül, az alacsonyabb nyomás következtében, magasabb vízszint eléréséhez vezetett, mint a fedél felnyitása előtt volt. Nagyfokú gőzképződés ment végbe, amikor a hideg víz elérte a fűtőelem forró felületét a fedél és a tartály között. A tartályban megnövekedett nyomás miatt a fedél megemelkedett, melynek következtében a fedél és tartály közötti rés megnőtt, ezzel megkönnyítve a víz behatolását a környező medencéből. Így nagy mennyiségű víz hűtötte hirtelen le a fűtőelem-kazetták tetejét (20. /b). A tartály vízzel való feltöltése után a hűtőközeg állandó keringetését egy szivattyú biztosította. [46][58][59]
48
a b
20. ábra. A fedél megnyitása, gáz kikerülés a medencébe és víz bejutás alulról (a), majd hideg víz bekerülés felülről (b) [59]
3.1.7. Utólagos vizsgálatok
A tisztítótartály fedelének levétele után vizuális vizsgálatokat végeztek videokamerák segítségével. A tisztítótartály vizsgálata azt mutatta, hogy a legtöbb fűtőelem-kazetta súlyosan megsérült (21. ábra) [60].
Jól látszott a fűtőelem-kazetták ridegtörése és szétrepedezése. Sok fűtőelempálca darab és kazetta köpeny töredék volt szétszóródva a tartályban, továbbá a cirkónium alkatrészek nagymértékű oxidációját lehetett látni. Az oxidáció kisebb mértékű volt a tartály szélén, mint a közepén, a jobb hősugárzásos hőleadási feltételek miatt [56]. A fűtőelemek alja ép maradt.
Nem volt jele olvadásnak vagy cirkónium-acél eutektikum képződésének a rozsdamentes acél alkatrészek felületén. Az eltávolítási műveletek során is szembesültek a sérült fűtőelemek nagyon rideg állapotával, ugyanis számos fűtőelem-kazetta és fűtőelempálca töredezett össze a sérült fűtőelemek tisztítótartályból való eltávolítása és tárolótokokba helyezése során, ami 2007 elején fejeződött be. [46]
21. ábra. A sérült fűtőelem-kazetták elrendeződése a tisztítótartályban [60]
A fűtőelem-kazetták sérülésének ténylegesen megállapított mértéke alapján az előzetesen a Nemzetközi Nukleáris Eseményskálán 2-es fokozatba sorolt üzemzavart ekkor sorolták át a súlyos üzemzavart jelentő 3-as fokozatba [56][62]. A blokkot 2004 augusztusában indították újra több mint 1 évig tartó leállás után.
Az érintett kazetták kiégései a következőek voltak:
1) 1-6. kazetta kiégése 10,9 MWd/kgU;
2) 7-11. kazetta kiégése 27,0 MWd/kgU;
3) 12. kazetta kiégése 9,2 MWd/kgU;
A fűtőelem-kazetták hiányzó része
A fűtőelem-kazetta ép alsó része A tartályban
felgyülemlett fűtelem-pálca és köpeny
darabkák Sérült
fűtőelem-kazetták
A fűtőelem-kazetták törött fejrésze
49 4) 13-18. kazetta kiégése 21,3 MWd/kgU;
5) 19-24. kazetta kiégése 13,9 MWd/kgU;
6) 25-30. kazetta kiégése 13,7 MWd/kgU.
Idővel az 1. számú aknát egy zsilippel választották el a pihentető medencétől. Az üzemzavar után a fűtőelem-kazetták a közel 4 év során – amíg eltávolították a tisztítótartályból és betokozták – magas bórsav tartalmú vízben voltak. Három hónap elteltével megnövelték a bórsav-koncentrációt (21 g/l), melynek következtében a víz pH-ja 4 és 4,5 közötti szinten volt. A hűtőközeg ilyen mértékű bórsav-koncentrációja biztosította a
szervizaknába öntötték, ahonnan a búvárszivattyú egyenesen a tartályba továbbította. A tisztítótartályban ekkor meginduló erős pezsgéssel egy időben rövid időre a neutron-számlálók is megnövekedett intenzitást mutattak (A kiégett üzemanyagban a reaktor üzeme során transzurán elemek keletkeznek, melyek spontán hasadásából pedig folyamatosan keletkeznek neutronok, vagyis ez egy neutronforrás (S). A víz, mint moderátor és az üzemanyag együtt szubkritikus rendszert képezve neutronerősítőként működik, így a pezsgés és a hidrazin időlegesen megváltoztatta keff értéket: S
k hidrazint adagoltak be. [64] A tárolási idő alatt jelentős mennyiségű urán és hasadási termék oldódott be a hűtőközegbe.
A vízkémia minőségét folyamatosan ellenőrizték mintavételezéssel. A mért aktivitás-koncentráció adatok kiértékelése fontos információkat nyújt a különböző radioaktív izotópok kikerüléséről, valamint arról, milyen hatása van a kikerülés intenzitására a körülményeknek [60].
Az adatok tudományos szempontból is jelentősek, mivel hasonlóak adott vízkémiai paramétereknél történő besugározott urán fűtőelem hűtőközegben való oldódásáról nem ismeretesek [60].