Úterý, Listopad 13

Příběh lodi s jaderným pohonem, NS Savannah

21. července jsme si mohli připomenout výročí spuštění jaderné lodi NS Savannah na vodu. V roce 1995 tak byla uvedena do provozu jediná komerční obchodní loď s jaderným pohonem, kterou kdy Spojené státy vyrobily. NS Savannah byla průkopníkem i jiným způsobem, reaktorové systémy na ní použité byly v mnoha ohledech zkvalitněny a vylepšeny oproti systémům použitých v tehdejších jaderných elektrárnách.

Jaderná obchodní loď NS Savannah při stavbě

Hlavní problém

Když byla jaderná loď NS Savannah navrhována a stavěna, byla stavěna na základě již předem stanovených požadavků na výkon. Nejdůležitějším z nich byl výkon 20 000 koňských sil (téměř 15 MW) na hřídeli dlouhodobě a 22 000 koňských sil (16,5 MW) krátkodobě. Nominálního výkonu bylo dosaženo pomocí dálkově ovládaného ventilu, jehož ovládání bylo umístěno na řídícím panelu. K dosažení krátkodobého výkonu bylo třeba ovládat ventil umístěný přímo na vysokotlakém potrubí. Ventil bylo možné ovládat pouze manuálně obsluhou.

Hlavní jídelna na lodi NS Savannah (zdroj: ansnuclearcafe.org)

V raných dobách provozu lodi však bylo zjištěno, že požadavky na elektřinu a páru pro vytápění kajut byly mnohem vyšší, než se kterými se počítalo, a tak nebylo možné dosáhnout krátkodobého výkonu 22 000 koňských sil bez snížení jiné spotřeby.

Pro dosažení žádaného výkonu na hřídeli bylo třeba zvýšit průtok páry, a tím také výkon reaktoru. Původně byl maximální výkon reaktoru 70 MW tepelných, provozně limitován na 69 MW, přičemž normální provozní výkon dosahoval až 64,7 MW. Pokud by tyto hodnoty nebyly změněny, loď nemohla dosáhnout původně požadovaného výkonu na hřídeli.

Řešení

Jak se ukázalo později, analýzy ochrany jaderného reaktoru, prováděné dodavatelskou společností Babcock & Wilcox (dodávající také systémy řízení a kontroly), byly z několika pohledů silně nadhodnoceny. Analýzy nepřechodových procesů aktivní zóny ukázaly možnost zvýšení výkonu. Inženýři tak analyticky dokázali, že je možné reaktor bezpečně provozovat s výkonem až 114 MW tepelných. Nebylo požadováno vyrábět zcela nový reaktorový systém, ale šlo pouze o přehodnocení limitů a přesunutí na vyšší výkonovou hladinu. Byly přehodnoceny limity zejména na teplotu paliva.

Odpočívací kajuta pro pasažéry na dopravní lodi NS Savannah (zdroj: ansnuclearcafe.org)

Bylo dokázáno, že nová aktivní zóna provozovaná na výkonu 80 MW tepelných zajistí dostatečný výkon do dvou parogenerátorů k získání dostatečného průtoku páry pro turbínu pohánějící lodní šroub a dosažení krátkodobého výkonu 22 000 koňských sil při maximální spotřebě tepla v kajutách. Průtok chladiva reaktorem se nezměnil, ale průtok na sekundární straně se zvýšil z 284 000 lb/hodinu (128 798 kg/h=35,7 kg/s) na 307 400 lb/h (139 410 kg/h=38,7 kg/s). Parogenerátory byly dimenzovány s určitou rezervou, a tak bez problémů dokázaly využít zvýšeného průtoku, stejně tak, jako turbína, která byla původně na takový průtok dlouhodobě testována ve firmě De Laval Steam Turbine. Testování proběhlo ještě dříve, než byla odvezena do loděnic v New Yorku. Muselo však být provedeno několik jiných změn v modelu.

Jednou z těchto změn byla napájecí čerpadla, která bylo třeba provozovat na vyšším výkonu, aby zajistila dostatečný průtok. Parou poháněná čerpadla přiváděla vodu do dvou parogenerátorů. Původně byly systémy na lodi dimenzovány k provozu s jedním napájecím čerpadlem i při plném výkonu reaktoru, takže byla velmi efektivně zajištěna pohotovost systémů v případě poškození čerpadla. Nový, zvýšený, průtok byl na jedno čerpadlo příliš vysoký, a tím pádem bylo potřeba při plném výkonu reaktoru zapojit obě napájecí čerpadla.

Měřič výkonu reaktoru na obchodní lodi NS Savannah. Návrh firmy Westinghouse KX-24D typu Arsonval (zdroj: ansnuclearcafe.org)

Zvýšení výkonu mělo vliv i na další systém, jako například systém nouzového chlazení aktivní zóny. Tento systém byl napájen pomocí kompaktního diesel generátoru firmy Fairbanks-Morse, umístěného na stejné palubě jako kormidelníkova kajuta. Systém automaticky startoval při ztrátě veškerého napájení lodi, používal výměníku tepla s mořskou vodou k odebrání požadovaného množství tepla z reaktoru. Přirozeně byl tento systém navržen tak, aby odvedl zbytkové teplo z odstaveného reaktoru, neboť by jinak ztráta napájení poškodila reaktor. Bohužel byl však tento systém dimenzován k zajištění dostatečného odvodu tepla při odstavení reaktoru z výkonu 60 MW tepelných a nikoliv 80 MW. Při studiích bylo dokázáno, že díky novému, zvýšenému výkonu, by se za půl hodiny začala vařit voda v reaktoru. Byl proto zdvojnásoben průtok slané vody přes výměník tepla nouzového dochlazování. Díky této změně byly křivky teplot a tlaků v reaktoru mnohem bližší původním křivkám.

Bar na lodi NS Savannah tak, jak původně vypadala. Stoly kolem tanečního parketu měly desky vyrobené z lexanového plastu a byly uvnitř osvětleny. Z velkého okna, směřujícího k zadní straně, byl výhled na bazén a shuffleboardové hřiště.

Je zřejmé, že bylo třeba upravit mnohem více systémů, například bylo třeba přenastavit systém ochrany, který dříve neumožňoval provoz na 95 MW tepelných. Tato hodnota byla zvolena jako bezpečná hodnota pro reaktorové systémy a dostatečně výkonná pro potřeby lodi i při maximálním zatížení. Analýzy dále ukázaly, že bylo třeba zvýšit tlak v reaktoru a upravit ochranný systém reaktoru (rychleji vkládat absorpční tyče do reaktoru v případě nouzového odstavení). Všechny tyto úpravy byly provedeny během odstávky v roce 1964 a nové lodní specifikace, pokrývající provedené změny, byly vydány ve stejné době.

Výsledek

Skutečnost, že o tomto zvyšování výkonu se nikdy dostatečně nemluvilo, je svědectvím, že reaktor i při vyšším výkonu pracoval bezchybně. To, co se dodavatelům, a zejména Babcock & Wilcox, vyplatilo, byly původní limity a konzervativní přístup k návrhu zařízení, který umožnil relativně jednoduše zvýšit výkon. Pokud by komponenty nebyly předimenzovány, znamenalo by to značně složitější proces zvyšování výkonu. Takhle se jednalo o velmi levné zvýšení výkonu se zachováním bezpečnosti lodi, neboť ta byla spolehlivě provozována ještě roky po této úpravě.

Hasičské lodě oslavují obchodní loď s jaderným pohonem NS Savannah (zdroj: ansnuclearcafe.org)

Zdroj: ansnuclearcafe.org

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.