Reaktor LR-0

O reaktoru

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.

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.

Na začátku osmdesátých let 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.

Technické parametry

Nádoba reaktoru

Průměr	3,5 m
Výška	6,5 m

Provozní podmínky

Maximální výkon	1 kW
Maximální výkon po dobu 1 hodiny	5 kW
Maximální termální tok	109 n.m-2s-1
Tlak	atmosférický
Teplota	pokojová nebo zahřátí až do 70 °C

Palivo

Typ palivových kazet	VVER-1000 (JE Temelín) a VVER-440 (JE Dukovany)
Aktivní délka palivového článku	1250 mm
Pokrytí palivového článku	pr. 9.15x tl. 0.72 mm ZrNb
Tablety (plnění palivového článku)	UO2
Obohacení	1,6–4,4 % U235

Řízení výkonu

Způsob řízení	Hladinou moderátoru (kyselina boritá)
H3BO3 v moderátoru	0 až 12 g/kg
Absorpční klastry	tablety B4C
Stínění	betonový bunkr, kadmiový plech, pojízdné plošiny a vrata

Experimentální přednosti reaktoru LR-0

• 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.

Přehled projektů na LR-0

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.

Konstrukce reaktoru LR-0

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 reaktoru LR-0 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. Uvést lze 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.

Aktivní zóna reaktoru LR-0

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 reaktoru LR-0

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 LR-0

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.