Jak se zjišťují a odstraňují netěsnosti palivových souborů v jaderných elektrárnách?

On line a in-cell sipping test

Palivové soubory tlakovodních reaktorů jsou v průběhu kampaně vystaveny náročným podmínkám. V aktivní zóně energetických reaktorů je teplota chladiva okolo 300 °C, uvnitř palivového proutku je teplota ještě o několik set °C vyšší, tlak více jak 10 MPa, k tomu je nutno připočíst obrovskou radiační zátěž a vibrování jednotlivých palivových proutků v distanční mřížce palivového souboru způsobené velkou rychlostí, kterou je chladicí kapalina protlačována přes aktivní zónu.

V důsledku toho může dojít ke vzniku mikrotrhlinek (ne větších než několik tisícin milimetru) v jinak velmi odolném povlaku palivového proutku ze zircaloye, což je slitina zirconia. Trhlinkami pak unikají do chladiva primárního okruhu malá množství těch štěpných produktů, které jsou v plynném stavu - vzácné plyny a izotopy jodu. Při málo četné velké netěsnosti (v řádu desítek mikrometrů) pak mohou unikat i ostatní štěpné produkty a aktinoidy, nejprve rozpustné a teprve v případě opravdu velké netěsnosti paliva i nerozpustné. Zvýšený obsah vybraných štěpných produktů v chladivu primárního okruhu nás potom upozorňuje na netěsnost paliva a vyhodnocením poměrů aktivit vybraných radionuklidů a jejich absolutních hodnot lze odhadnout celkovou velikost a počet netěsností. Nutno dodat, že se jedná pouze o odhad.

Unikající radionuklidy zvyšují měrnou aktivitu vody primárního okruhu a vzduchu v prostorách kontejnmentu. Obě dvě média je třeba čistit, protože jaderná elektrárna má velmi přísně nastavené limity na množství uvolňované radioaktivity do životního prostředí. Čištěním vznikají nízkoaktivní radioaktivní odpady, o které je třeba se postarat. Jelikož je provozování reaktoru s netěsným palivem jednak nepřípustné a z hlediska zpracování radioaktivních odpadů i ekonomicky nevýhodné, je nutné poškozený palivový soubor vyhledat a případně i opravit.

Odpověď na tuto otázku, který palivový soubor obsahuje poškozený palivový proutek dává tzv. sipping test, fungující na bázi nedestruktivní hydraulické analýzy.

Pro vyhledávání netěsných souborů je velmi úspěšně používán on-line sipping test, který má funkci screeningu. Dává nám tudíž odpověď, je-li daný palivový soubor těsný, anebo podezřelý z netěsnosti. Jeho nespornou výhodou je časová nenáročnost. Prakticky vůbec časově nezatěžuje překládku paliva, neboť probíhá při vlastní manipulaci s palivovým souborem. Princip je velmi jednoduchý. Při vytahování palivového souboru z aktivní zóny je využíváno změny hydrostatického tlaku. Díky jeho poklesu vzniká uvnitř proutku přetlak vůči okolí a případnou prasklinou může unikat tekutina vyplňující volný prostor mezi peletami a povlakem. Může se jednat o kapalnou nebo plynnou fázi, anebo se uvolňuje kapalina následována plynem. Ať již se jedná o kapalinu nebo plyn, důležité je, že zcela určitě obsahuje 133Xe.

Vlastní on-line sipping test probíhá po zatažení palivového souboru do ochranné tyče zavážecího stroje. Pod ústí tyče je kompresorem vháněn vzduch, který s sebou strhává uvolněné plyny včetně našeho xenonu. Vzduch poté proudí skrz on-line detektor, nejčastěji NaI(Tl), který je napojen na multikanálový analyzátor. Je-li zaznamenán nárůst četnosti impulsů v oblasti 81 keV (energie emitovaného gama 133Xe), pak je daný soubor označen jako potencionálně netěsný a je poslán na další vyhodnocení, nejčastěji pak na kvantitativní in-cell sipping test.

Podezřelý soubor je zavezen do speciálního pouzdra, v odborné hantýrce „do penálu“, a pouzdro je uzavřeno. Toto pouzdro je napojeno na plynovou a vodní smyčku. Plynová smyčka je osazena měřící komůrkou s on-line multikanálovým gama detektorem typu NaI(Tl). Během testu se postupně zvyšuje teplota vodní lázně vhodnou rychlostí, cca 1-2 °C za minutu až do dosažení prvního teplotního plata. Během tohoto procesu roste tlak uvnitř palivového proutku a dochází k uvolňování kapaliny nebo plynu z jeho vnitřní části, důsledkem čehož detekujeme nárůst měřené četnosti. Poté se zvyšování teploty zastaví a teplota se udržuje na konstantní hodnotě do té doby, než aktivita 133Xe v plynové smyčce nedosáhne rovnovážného stavu. Teplota prvního plata se pohybuje od 55 °C výše a ve výjimečných případech může být až 72 °C. Vše závisí na teplotě vody v bazénu výměny, ve kterém je pouzdro umístěno, neboť její pomocí se ochlazuje vnitřek pouzdra. Nejlepších výsledků je dosahováno v oblasti spodního intervalu teplot. To však vyžaduje teplotu vody v bazénu výměny okolo 30 °C. Při vyšších teplotách by docházelo k nárůstu teploty uvnitř pouzdra v důsledku tepla uvolňovaného samotným palivovým souborem.

Je-li ustaven rovnovážný stav aktivity 133Xe v plynové smyčce, nastane opětovné zvyšování teploty obdobnou rychlostí až na další teplotní plato, jehož teplota je o 25 °C vyšší než teplota prvního plata, maximálně však 88 °C. Opět dochází v důsledku nárůstu tlaku k uvolňování tekutého obsahu proutku do okolí. Na tomto platu teplotu opět stabilizujeme a vyčkáme, dokud se nezastaví nárůst aktivity v plynové smyčce.

Během celého testu se kontinuálně zaznamenává teplota, tlak a četnost detekovaná v plynové smyčce v závislosti na čase. Mimo to se odebírají kapalné a plynné vzorky před zavezením palivového souboru do pouzdra a po dosažení rovnováhy na jednotlivých platech.

In-cell sipping slouží nejen ke konfirmaci pozitivního nálezu z on-line sippingu. Porovnání histogramu s tabelovanými histogramy v kombinaci s poměry četností jednotlivých odebraných kapalných vzorků a plynných vzorků nám dává určitou možnost vyhodnotit velikost a počet trhlinek, avšak pouze za určitých podmínek a popřípadě určit, zda-li je uvolňovaná tekutina kapalina nebo plyn. Umožňuje velmi často rozlišit například dvě trhlinky rozdílné velikosti na dvou různých proutcích. Tato metoda bohužel není schopna určit, který konkrétní proutek v palivovém souboru je netěsný.

K vyšetření netěsnosti konkrétního palivového proutku je třeba dalších metod jako je ultrazvuk, optická kontrola jednotlivých proutků, kontrola vířivými proudy anebo individuální sipping test.

Je-li poškozený palivový proutek v palivovém souboru, určeném pro opětovné zavezení do aktivní zóny, je poškozený palivový proutek z palivového souboru vytáhnut a nahrazen jeho maketou z nerez oceli. Takto opravený palivový soubor jo možno opětovně zavést do reaktoru. Tímto způsobem lze ušetřit nemalé finanční prostředky spojené s nákupem nových palivových souborů.

Zkrácená verze in-cell sipping testu - kvalitativní test - má nezastupitelné uplatnění při ověřování těsnosti již opravených souborů určených pro opětovné zavezení do aktivní zóny. Při tomto testu je palivový soubor zavezen do pouzdra a opět sledujeme závislost měřené četnosti na rostoucí teplotě. Těsný soubor pak nesmí vykazovat žádnou odezvu ve změně aktivity.

Michal Andrlík a Martin Přeček

zpět na úvodní stránku