Jaderný reaktor uprostřed Prahy

Málokdo ví, že areál MFF UK, konkrétně budova těžkých laboratoří v Troji ukrývá jedinečné zařízení – jaderný reaktor VR-1, familiárně zvaný též VRABEC. Jeho provozovatelem je Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT, vlastní provoz zajišťuje katedra jaderných reaktorů. Uvedením reaktoru do provozu se ČVUT v Praze zařadilo mezi několik desítek vysokých škol na světě, které jaderný reaktor samy provozují. Toto zařízení neslouží pro výrobu energie, jako je to u velkých energetických reaktorů, ale je především určeno pro vědeckovýzkumnou činnost, výcvik a výuku odborníků a provozního personálu pro jaderná zařízení. Je také jedním ze tří výzkumných jaderných zařízení v České republice (další dvě provozuje Centrum výzkumu Řež, člen Skupiny ÚJV, v Řeži u Prahy).

Reaktor neslouží pouze studentům FJFI ČVUT, ale učí se zde i studenti šesti českých vysokých škol, většinou v rámci sdružení CENEN (Czech Nuclear Education Network). Dlouhodobá spolupráce existuje i se školami ze Slovenska, Německa, Maďarska a Rakouska. Ročně tu projde asi 250 studentů, kteří se podílejí na různých vědeckých projektech. Když přihlédneme k tomu, že Vrabec je oproti ostatním školním reaktorům na světě ještě poměrně mladý a nové školní reaktory se nestaví, můžeme předpokládat zvýšený nárůst zájmu o spolupráci. To se může v budoucnu projevovat i na jeho vytíženosti, která se v minulých čtyřech letech pohybovala mezi 784 a 1015 hodinami provozu.

Historie

Samotnému vybudování reaktoru předcházela dlouhá léta plánování. Vůbec první pokusy na vybudování školního reaktoru začaly již v 60. letech 20. století. Tyto návrhy byly ovšem čistě teoretické a nebyly zatíženy problémy souvisejícími s realizací. Od té doby vzniklo několik návrhů na samotné provedení, nicméně obvyklé požadavky na školní reaktory (možnost přizpůsobení aktivní zóny, ověřený typ reaktoru, dokonalá bezpečnost při potenciálně vyšším riziku, přiměřená pořizovací cena a nízké provozní náklady) určily jako nejvýhodnější reaktor bazénového typu.

První souhrnné údaje o zahájení realizace vznikly v roce 1979, na jejichž základě byl vypracován investiční záměr. Projekt reaktoru byl podle zadání FJFI zpracován v Chemprojektu Praha. Stavební práce byly zahájeny v dubnu 1985. Reaktorovou nádobu dodala Škoda Jaderné strojírenství Plzeň, významně se na stavbě podílely i Pozemní stavby Praha (základy reaktoru, stínění, stavební úpravy v reaktorové hale). Koordinaci výstavby, včetně bezpečnostních analýz a celého vývoje mikroprocesorového řídícího systému zajišťovala FJFI. V roce 1990 byla stavba dokončena.

V listopadu 1990 povolil Státní úřad pro jadernou bezpečnost zahájení provozu, načež 3. prosince 1990 v 16:25 hodin dosáhl reaktor poprvé kritického stavu v rámci svého fyzikálního spouštění. V průběhu roku 1991 byl reaktor ve zkušebním provozu, od roku 1992 je v trvalém provozu.

Zajímavostí je, že školní reaktor VR-1 byl vybudován v rámci státního projektu rozvoje vědy a techniky – Výzkumná reaktorová základna. V tomto projektu se počítalo i s výstavbou obdobného reaktoru pro Slovenskou technickou univerzitu v Bratislavě, veškeré přípravné práce probíhaly paralelně, byla připravena i podrobná dokumentace a technické zprávy a z této doby pochází i starší označení VR-1P (pro Prahu) a VR-1B (pro Bratislavu). Tento plán se ale po rozpadu Československa neuskutečnil.

Popis reaktoru

Jedná se o lehkovodní reaktor bazénového typu, tudíž tlak vody je atmosférický a teplota vody je stejná, jako teplota okolí. Moderátorem i reflektorem je demineralizovaná H₂O, která zároveň slouží jako chladivo a biologické stínění. Jako palivo je použitý obohacený uran.

Celé těleso reaktoru má tvar osmistěnu (ze zvlášť těžkého betonu), v němž jsou vedle sebe umístěny 2 reaktorové nádoby – H01 a H02. První nádoba (H01) je určena pro aktivní zónu tvořenou palivovými články (v závislosti na uspořádání zóny a probíhajícím experimentu jich je 15-20) a regulačními tyčemi. Druhá nádoba (H02) slouží k manipulaci s palivem a jeho odkládání při experimentech. Obě nádoby jsou propojené, ale je možné je vodotěsně oddělit pomocí hradítka. Toto uspořádání umožňuje manipulaci s palivem a jeho překládání z jedné nádoby do druhé pod hladinou vody (pro sestavování aktivní zóny pro experimenty), jednoduché zakládání detektorů a experimentálních vzorků. Možnost naplnění pouze jedné z nádob je výhodné pro jednoduchou prohlídku a kontrolu nádob. Reaktorové nádoby jsou vyrobeny z nerezové oceli, jejich výška je 4,7 metru, průměr je 2,3 metru a obě mají zesílené dno na 2 cm.

Palivo IRT-4M

Palivo do reaktoru dodává ruská společnost TVEL, která dodává palivo i pro naše jaderné elektrárny. Palivo typu IRT-4M je na reaktoru ve dvou provedeních: šestitrubkové a osmitrubkové palivové články. Palivový článek tvoří koncentrické trubky čtvercového průřezu, spojené spodní a horní koncovkou (hlavicí). Do šestitrubkových palivových článků lze umístit absorpční části regulačních tyčí. Každá trubka se skládá ze tří vrstev (sendvičový typ). Dvě povrchové vrstvy tvoří hliníkové pokrytí paliva o tloušťce 0,3 mm a vnitřní vrstva je tvořena směsí hliníku a oxidu uraničitého (UO₂) obohaceného na 19,6 % ²³⁵U. Celková výška palivového článku je 88 cm, délka palivové části cca 60 cm. Předpokládá se, že by toto palivo mělo sloužit do konce životnosti reaktoru – tedy do roku 2020.

 Tepelný výkon reaktoru VR-1 není možné přímo měřit, lze jej pouze odhadnout na základě měření hustoty neutronového toku a porovnáním s jinými reaktory. Tento výkon se odhaduje na 1kW (krátkodobě až 5kW). Pro porovnání – podobného výkonu dosahuje standardní rychlovarná konvice.

S ohledem na malý výkon reaktoru zůstává palivo po celou dobu provozu čerstvé, dochází pouze k zanedbatelnému vyhoření. Konkrétně v reaktoru vyhoří za 1 rok méně než 0,1 g ²³⁵U. Vzhledem k velmi malému výkonu reaktoru nemůže při případném poškození dojít k úniku významného množství radioaktivních látek. Životnost palivových článků je dána pouze korozními vlastnostmi jejich pokrytí. Případně může dojít k jejich mechanickému poškození. Pro takové případy je na reaktoru připraveno hermetické nerezové pouzdro, do kterého lze poškozený článek umístit a které je dále skladováno ve standardním transportním sudu do doby konečné likvidace. Únik radioaktivních látek do prostředí se nepředpokládá.

Díky malému výkonu reaktoru není potřeba složitý chladící systém a odvod tepla se děje přirozeným prouděním.

V roce 2005 došlo k přechodu z vysoceobohaceného paliva IRT-3M (36 % ²³⁵U) na současné nízkoobohacené palivo IRT-4M. Tato výměna byla uskutečněna v rámci projektu pro snížení obohacení paliva pro výzkumné reaktory RERTR (Reduced Enrichment for Research and Test Reactors), jehož cílem bylo především minimalizování hrozby zneužití, omezení nekontrolovaného obchodu s materiály obsahujícími vysoce obohacený uran a přispění tak k naplnění cílů jaderného nešíření. Dalším podprogramem RERTR bylo též navrácení paliva do země původu – Ruska (Rusian Research Reactor Fuel Return Program). Výměna i převoz paliva byly financovány americkým ministerstvem energetiky. Samotná akce z bezpečnostních důvodů podléhala utajení.

Neutronový zdroj

Neutronový zdroj slouží pro spouštění reaktoru. Typ používaný v reaktoru VR-1 je Am-Be o aktivitě 176 GBq a emisí 10⁷ neutronů za sekundu. Je umístěn v manipulační chodbě pod reaktorem a je připevněn z vnější strany na dno nádoby. Americium se samovolně rozpadá alfa rozpadem a tyto částice dopadem na berylium produkují volné neutrony, které zvyšují neutronovou bilanci v reaktoru. Po vstřelení neutronového zdroje do aktivní zóny a postupným vysunováním absorpčních tyčí je možno dosáhnou kritického stavu.

Regulační tyče

Celkově se na řízení reaktoru podílí 7 shodných absorpčních kadmiových tyčí UR-7. Liší se pouze funkcí. Dvě tyče slouží k regulaci výkonu, tři tyče jsou bezpečnostní a zbývající dvě další mohou být použity při experimentech (kvůli vyrovnání případného vlivu experimentálního vybavení na reaktivitu reaktoru). Za standardního provozu jsou bezpečnostní tyče vysunuty do horní koncové polohy. Při podání varovného signálu dojde ke ztrátě napájení elektromagnetů, které udržují tyče v aktuální poloze, na základě této ztráty napájení se elektromagnety rozpojí, tyče se uvolní ze závěsu, volným pádem se zasunují do aktivní zóny a dojde k zastavení štěpné řetězové reakce a tím k odstavení reaktoru.

Bezpečnost

Podle vyhlášky Státního úřadu pro jadernou bezpečnost je jaderný reaktor velmi významným zdrojem ionizujícího záření (bez ohledu na jeho výkon) a tomu jsou i přizpůsobeny veškerá organizační a technická opatření tohoto pracoviště. Na pracovišti reaktoru je vymezeno tzv. kontrolované pásmo. Do tohoto pásma mohou vstupovat pouze osoby poučené a vybavené osobními dozimetry. Pravidla pobytu vymezuje Provozní a návštěvní řád. Vstup na pracoviště je evidován buď zápisem do knihy návštěv, nebo pomocí identifikačních karet. Fyzická ochrana je zajištěna především stavebními úpravami (zamřížovaná okna), monitorováním objektu (v hale reaktoru, v šatně, v předsálí haly, ve skladu paliva), elektronickou zabezpečovací signalizací propojenou s policejními složkami apod.

Samotné pracoviště je pod trvalou a kompletní dozimetrickou kontrolou, ale dosud nebyl zjištěn žádný vliv provozu reaktoru na vnější prostředí. Stínění reaktoru je zajištěno vysokou hladinou vody, která zalévá aktivní zónu (cca 3 m) a z bočních stran se na stínění podílí těžký beton, do kterého jsou samotné reaktorové nádoby posazeny (šířka stěny betonového pláště je cca 95 cm). Roční hodnota ekvivalentní dávky od gama záření je pro pracovníky menší, než 0,5 mSv (povolená roční efektivní dávka pro radiační pracovníky je stanovena na 50 mSv za rok a současně 100 mSv za 5 let), u návštěvníků a studentů se pohybuje pod prahem citlivosti měřících přístrojů. Přesto je do kontrolovaného pásma zakázán vstup těhotným ženám a osobám mladším 18 let.

Provoz školního jaderného reaktoru VR-1 uprostřed města umožnily důkladné bezpečnostní analýzy. Zajištění vysoké úrovně bezpečnosti byla věnována prvořadá pozornost již při výstavbě reaktoru. Reaktor sám o sobě má několik důležitých vlastností, které se podílejí velkou měrou na zajištění jaderné bezpečnosti. Jak již bylo řečeno, díky malému výkonu reaktoru a zanedbatelnému stupni vyhoření paliva nejsou v palivových článcích nahromaděny prakticky žádné štěpné produkty, které by mohly unikat. To znamená, že ani v případě hypotetické nadprojektové havárie, která by počítala s částečným roztavením paliva, nedojde k významnému ohrožení okolí reaktoru. Množství štěpných produktů, které by mohly uniknout je natolik malé, že není potřeba realizovat žádná opatření pro minimalizaci následků takové dosti nepravděpodobné havárie. Druhou a zásadní vlastností z hlediska pasivní bezpečnosti reaktoru je, že má záporný dutinový koeficient reaktivity. To znamená, že v případě nedostatečného odvodu tepla by došlo k varu vody mezi palivovými trubkami, tím by voda ztrácela moderační schopnost a reaktor by měl tendenci se samovolně zastavovat.

Jako možné havarijní události se jeví požár reaktorového pracoviště, povodně, únik vody z reaktoru, nedostatečné zajištění podkritičnosti paliva během jeho výměny, ztráta napájení, poškození palivových článků a neutronového zdroje a selhání bezpečnostního a řídícího systému. Pro tyto mimořádné události je vypracován havarijní plán. Výsledky analýz ovšem jednoznačně ukazují, že při dodržení základních principů a postupů, je reaktor vhodný pro provoz v hustě obydlené oblasti.

Havarijní připravenost je pravidelně prokazována při pravidelných cvičeních. Prozatím nejvážnější událostí jsou povodně z roku 2002, které postihly velkou část našeho území, Prahu nevyjímaje. Reaktor VR-1 byl povodněmi zasažen zrovna v době, kdy probíhala pravidelná letní odstávka. Přestože se neočekávalo, že by voda mohla proniknout do prostor reaktorového sálu, byly palivové články a zdroj neutronů a další experimentální zařízení přemístěny v dostatečném předstihu do bezpečné vzdálenosti. Voda ve spodním podlaží reaktorového sálu vystoupala asi do výše 1m. Povodně tudíž prokázaly výbornou připravenost a bezpečnost objektu tím, že i přes jejich rozsah nedošlo k úniku radioaktivních materiálů ani k větším materiálním škodám. Škody způsobené povodněmi byly především způsobeny zanesením prostor reaktorové haly bahnem. Již 2 měsíce po povodních byl reaktor znovu uveden do provozu. V návaznosti na tuto událost byly vybudovány kolem budov MFF UK v Troji protipovodňové valy, které se při letošních povodních osvědčily a zabránily tomu, aby se podobná situace z roku 2002 opakovala.

Jak již bylo několikrát zmíněno, reaktor neprodukuje téměř žádné štěpné produkty, nicméně při prováděných experimentech, měřeních a kalibracích nějaké odpady přece jen vznikají. Při provozu reaktoru jsou ozařovány různé vzorky životního prostředí, aktivační folie, drátky … Tyto vzorky je proto nutné po ukončení měření skladovat v prostorách k tomu určených po dobu několika poločasů rozpadu (alespoň 10, po této době má vzorek zanedbatelnou aktivitu oproti původní). Poločasy rozpadu se pohybují maximálně ve dnech, takže jejich skladování se protáhne nejdéle na několik měsíců. Likvidaci zdrojů alfa, beta, gama a neutronového záření provádí odpovědná organizace. Při běžném provozu reaktoru nevznikají ani kapalné a plynné odpady. Odpadní vody z reaktoru jsou svedeny do havarijní jímky a odtud jsou přečerpávány do likvidační stanice odpadních vod, která slouží pro všechny laboratoře v objektu těžkých laboratoří a která obsahuje tzv. „vymírací nádrže“. Před vypuštěním odpadů do kanalizace se provádí měření aktivity odebraných vzorků. Reaktorová hala je vybavena vzduchotechnikou s filtry na zachytávání radioaktivních aerosolů, zároveň probíhá dozimetrická kontrola alfa-beta aerosolů a v případě vzniku havárie se vzduchotechnika uzavírá.

V průběhu provozu reaktoru došlo k několika změnám a inovacím. Mezi nejdůležitější patří inovace ovládacího zařízení reaktoru, které bylo počátkem 21. století poměrně zastaralé. V době projektování a výstavby totiž nebyly dostupné žádné vhodné ovládací zařízení a proto se FJFI rozhodla pro vývoj vlastního. Přestože splňovalo veškeré požadavky na něj kladené, bylo přistoupeno k inovaci s cílem aplikovat dostupnou moderní techniku.

Reaktor slouží i ke zlepšení informovanosti široké veřejnosti a propagaci jaderné energetiky. FJFI zajišťuje v rámci osvěty exkurze pro střední školy a na podzim a na jaře se pravidelně konají dny otevřených dveří. Kdyby vás zajímalo více, přijďte se podívat na reaktor a poptat se na to, co vás ohledně jaderné fyziky zajímá.

Zdroje:

Prof. Ing. Karel Matějka, CSc.: Experimentální úlohy na školním reaktoru VR-1

Prof. Ing. Karel Matějka, CSc.: Věda a výzkum na pracovišti školního reaktoru VR-1 Vrabec

www.reactorvr1.eu

www.sujb.cz

www.scienceworld.cz