Reaktor LVR-15

Historie

V roce 1957 byl v Ústavu jaderné fyziky ČSAV v Řeži u Prahy spuštěn první výzkumný reaktor v tehdejší ČSSR, reaktor VVR-S o tepelném výkonu 2 MW. Ten úspěšně pracoval až do roku 1987. V letech 1988–1989 byla provedena rekonstrukce reaktoru VVR-S na LVR-15. Projekt rekonstrukce byl připraven na začátku osmdesátých let a cílem bylo zvýšení výkonu a bezpečnosti provozu. V červnu 1989 byl reaktor fyzikálně spuštěn a v červenci proběhlo energetické spouštění na výkonu do 10 MWt. V srpnu 1989 byl zahájen zkušební provoz, který byl ukončen v květnu 1995, poté byl zahájen provoz trvalý.

Popis reaktoru

Reaktor LVR-15 je výzkumný lehkovodní reaktor tankového typu umístěný v beztlakové nerezové nádobě pod stínicím víkem, s nuceným chlazením, s palivem typu IRT-4M a s provozním tepelným výkonem do 10 MW. Reaktor je provozován po kampaních. Obvykle je provozován 3 týdny nepřetržitě s následující přestávkou 10–14 dní na údržbu a výměnu paliva nebo v nestandardních kampaních pro krátkodobé experimenty podle požadavků experimentátorů. Moderátorem i chladivem je demineralizovaná voda, reflektor je tvořen podle provozní konfigurace buď vodou, nebo bloky berylia.

Interaktivní mapa reaktoru

Klikněte pro zvětšení…

Technické parametry

Nádoba reaktoru

Průměr	2300 mm
Výška	5760 mm
Tloušťka stěny	15 mm
Tloušťka dna	20 mm
Objem vody v nádobě	22 m3
Hmotnost nádoby bez vody	7900 kg

Provozní podmínky

Maximální tepelný výkon	10 MW
Maximální tepelný tok	1014 n×cm-2s-1
Tlak	atmosférický
Teplota	max. 56 °C

Palivo

Typ	IRT-4M – trubkový, sendvičový
Aktivní délka	600 mm
Pokrytí	Al
Palivové jádro	UO2 + Al
Obohacení	19,75 % U235

Řízení výkonu

Regulační tyče 12 ks, 3 skupiny:	kompenzační (8) bezpečnostní (3) automatický regulátor (1)
Absorbátor	B4C

Využití reaktoru LVR-15

LVR-15 je výzkumné jaderné zařízení využívané pro potřeby výzkumu a průmyslu v těchto oblastech:

• Materiálový výzkum, např. ozařování materiálů tlakové nádoby reaktoru (TNR),
• korozní zkoušky materiálů primárního okruhu a vnitřních vestaveb reaktoru prováděné v experimentálních smyčkách a sondách,
• testy vodních režimů primárních okruhů jaderných elektráren,
• neutronová aktivační analýza (používaná ke stanovení složení látek),
• výroba a vývoj nových radiofarmak (¹⁵³Sm, ¹⁶¹Tb, ¹⁶⁵Dy, ¹⁶⁶Hop, ¹⁶⁹Er, ⁶⁰Co, ¹⁹²Ir, ¹⁸²Ta, ¹⁹⁸Au),
• výroba polovodičů neutronovým legováním křemíku pro elektrotechnický průmysl (dopování křemíku fosforem s využitím ozařování neutrony výrazně zlepšuje měrný elektrický odpor oproti jiným metodám),
• ozařovací služby (výroba radioizotopů – ⁹⁹Mo-⁹⁹mTc, ¹¹³Sn-¹¹³mIn, ¹⁸⁸W-¹⁸⁸Re),
• základní výzkum vlastností materiálů na horizontálních kanálech (neutronová fyzika a fyzika pevné fáze),
• neutronová záchytová terapie (využití svazku epitermálních neutronů pro lékařské účely).

Svazky neutronů vyváděné z reaktoru horizontálními kanály využívají vědečtí pracovníci z Ústavu jaderné fyziky AV ČR, v.v.i. a FJFI ČVUT pro následující experimenty:

• Neutronové měření struktur a textur při normálních, vysokých i velmi nízkých teplotách,
• neutronové hloubkové profilování, studium okamžitého záření gama z radiačního záchytu neutronů,
• neutronová optika, neutronová topografie,
• měření textur v polykrystalických kovových materiálech,
• studium strukturálních nehomogenit metodou difrakce, maloúhlového rozptylu neutronů,
• neutronová interferometrie,
• studium lokálních napětí v polykrystalických materiálech.

Ozařovací služby na reaktoru LVR-15 a na svazku s epitermálními neutrony

Ozařovací služby na reaktoru LVR-15 a na svazku s epitermálními neutrony nabízejí:

• Návrh ozařovacího pracoviště zahrnující zdroj neutronů, moderaci a filtraci neutronů, geometrické uspořádání svazku podle konkrétních podmínek a stínění na základě výpočtu transportu neutronů a fotonů,
• ozařování materiálových vzorků na svazku epitermálních neutronů (hustota toku 7×10⁸ n.cm².s^-1) při experimentálně ověřených podmínkách s možností ohřevu vzorků do teploty 300 °C,
• ozařování vzorků ve vertikálních kanálech reaktoru LVR-15,
• ozařování vzorků štěpnými neutrony ve svislých ozařovacích kanálech umístěných v beryliových a vodních vytěsnitelích,
• výroba neutronově legovaného křemíku – ozařování křemíkových monokrystalů v zařízení DONA,
• manipulace a technologické operace se zdroji IZ v horkých komorách reaktoru LVR-15,
• překládání zdrojů IZ z jednoho obalového souboru do jiného,
• vizuální kontrola zdrojů IZ,
• měření dávkového příkonu v definované vzdálenosti od zdroje IZ,
• další manipulace se zdroji IZ podle konkrétních požadavků zákazníka.

Materiálový ozařovací výzkum a služby

Materiálový ozařovací výzkum a služby poskytují:

• Ozařovací experimenty zaměřené na výzkum chování materiálů a vlivu chemických parametrů a radiace,
• studium chování konstrukčních materiálů ve vodním prostředí za současného vlivu chemických parametrů a radiace,
• studium kompatibility a korozního chování konstrukčních materiálů v různých prostředích (héliu, tekutých kovech a roztavených solích),
• provedení experimentů v příslušných experimentálních zařízeních výzkumného reaktoru LVR-15 včetně průběžného monitorování experimentálních podmínek (termohydraulických, chemických a radiačních),
• hodnocení korozního chování konstrukčních materiálů v parovodních okruzích a tekutých kovech,
• hodnocení mechanizmu lokálního a plošného poškození a charakteru korozního napadení v provozních podmínkách,
• stanovení mechanizmu korozního poškození v modelových provozních podmínkách v závislosti na úrovni mechanického namáhání složení vodního prostředí,
• hodnocení korozního chování materiálu pokrytí paliva včetně měření vířivými proudy.

Aktivní zóna

Aktivní zóna je tvořena hliníkovým košem (tzv. separátorem), do kterého jsou zakládány palivové soubory, beryliové bloky, hliníkové vytěsnitele a ozařovací kanály. Střed aktivní zóny je umístěn cca 1,4 m nad dnem reaktoru. Mříž aktivní zóny má krok 71,5 mm a je uspořádána do tvaru obdélníku 8 × 10 buněk. Na obrázku je znázorněn kartogram aktivní zóny.

28–32 buněk bývá osazeno palivovými soubory, ve 12 palivových souborech jsou regulační tyče, některé buňky mezi palivem jsou určeny pro kanály sond, na periferii aktivní zóny bývají umístěny aktivní kanály experimentálních smyček, rotační kanál pro ozařování křemíku, potrubní pošta a vertikální ozařovací kanály. Ostatní buňky jsou osazeny beryliovými reflektory nebo vodními vytěsniteli.

Pozn. Modré Čerenkovovo záření, které můžeme v reaktoru vidět, je elektromagnetickou obdobou zvukové rázové vlny. Vzniká při rozpadu dceřiných produktů štěpení. Tyto produkty se rozpadají beta rozpadem a právě beta záření (tj. elektrony) je tvůrcem modrého světla, neboť se ve vodním prostředí pohybuje vyšší rychlostí, než je rychlost světla ve vodě.

Palivo

V reaktoru je používáno ruské palivo IRT-4M s obohacením 19,75 % ²³⁵U od ruského výrobce NZCHK Novosibirsk (konsorcium TVEL). Palivové soubory jsou sendvičového typu, jádro je tvořeno disperzí UO2 a hliníkového prášku. Soubory mají formu trubek čtvercového průřezu, které jsou koncentricky sesazeny do šesti či osmitrubkových souborů. Palivový soubor je z obou stran osazen koncovkami z hliníku. Pokrytí paliva je též z hliníku. Délka palivového souboru je 880 mm, délka aktivní (palivové) části je 600 mm. Do centrální trubky lze instalovat kanál s regulační tyčí. Veškeré palivo podléhá pravidelným kontrolám podle mezinárodních smluv. Kontroly provádějí inspektoři MAAE, Euratomu a SÚJB.

Řízení reaktoru

Při štěpení jádra ²³⁵U vznikají na jeden neutron 2 až 3 volné neutrony, které štěpí další jádra, odtud název řetězová reakce. Aby se dal reaktor bezpečně řídit, je třeba jej udržovat v tzv. kritickém stavu, tzn. poměr neutronů ve dvou po sobě jdoucích generacích má být roven jedné. Přebytečné neutrony musejí být pohlceny. Absorbátorem neutronů na LVR-15 je bór v regulačních tyčích. K řízení reakce je používáno 12 regulačních tyčí, které jsou v horní části nádoby zavěšeny na konzole pevně spojené s nosníkem nádoby.
8 tyčí je kompenzačních, 3 tyče jsou bezpečnostní a jedna tyč je v režimu automatického regulátoru. Absorpční část regulačních tyčí je vyrobena z karbidu bóru (B₄C).

Modernizace SOŘ proběhla ve 2. polovině roku 2014

Chlazení reaktoru

Generované teplo v aktivní zóně je odváděno přes tři chladicí okruhy do řeky Vltavy. Primární chladicí okruh je osazen pěti hlavními cirkulačními čerpadly a dvěma čerpadly pro nouzové dochlazování připojenými na akumulátory, které zajišťují průtok chladicí demineralizované vody aktivní zónou a tepelnými výměníky. Při výpadku vnějšího napájení reaktoru el. energií je dochlazení aktivní zóny zajištěno jedním hlavním čerpadlem a jedním čerpadlem pro nouzové dochlazování, každé z nich je napájeno el. energií ze samostatného dieselgenerátoru. Maximální teplota chladicího média na výstupu z reaktoru je 56 °C, teplota na vstupu je 45 °C, maximální průtok primárním okruhem je 2000 m³.h^-1.

Další části reaktoru LVR-15 a jejich funkce

Pumpovna

Technologie slouží k odvodu generovaného tepla ze zóny reaktoru a bezpečnému dochlazení zóny reaktoru

Zásobní nádrže s demineralizovanou vodou

Zajišťují hladinu v nádobě reaktoru dle Limit a podmínek, sprchování a chlazení paliva v případě netěsnosti nádoby.

Zakládací zařízení DORA

Zakládací zařízení DORA provádí založení a vyjmutí pouzder při ozařování v ozařovacích kanálech a odložení do kanálů horkých komor.

Víka reaktoru LVR-15

Reaktor LVR-15 má tzv. malé a velké víko, jejichž kombinací při natáčení do vyznačených poloh, umožnují nastavení zařízení, manipulace s palivem…

Přístavek

Přístavek reaktoru LVR-15 slouží jako výstup pro horkou komoru č. 5, kde dochází k výdeji ozářených zakázek.

Kontejner 5t

Kontejner 5t umožňuje bezpečnou manipulaci s palivem, přesun do mokrého Zásobníku a převoz paliva do odložiště bazén A.

Ozařovací kanál

Do ozařovacího kanálu, který je umístěn v zóně reaktoru či na její periferii se vkládají ozařovací kazety s ozařovaným materiálem.

Manipulace s ozářenými vzorky

Zpracování ozářených pouzder a demontáže materiálových vzorků z ozařovacích sond a vodních smyček je prováděno v pěti horkých komorách. Horké komory se nacházejí v přízemí budovy reaktoru, pod úrovní podlahy haly reaktoru.

Mokrý zásobník a odložiště

Mokrý zásobník je určen ke skladování a přechodnému uložení vyhořelých palivových souborů, vyjmutých z AZ. Je to hliníková nádoba umístěná v podlaze reaktorové haly, chráněná ze všech stran betonem, plátovaným ocelovým pouzdrem. Spojení horního okraje nádoby reaktoru se zásobníkem je provedeno šikmou trubkou, která ústí u dna zásobníku.

Odložiště slouží k dočasnému skladování a ukládání zaktivovaných sond, smyček a dalších aktivních materiálů a k přechodnému uskladnění vyhořelých palivových kazet. Je umístěno v zadní části budovy reaktoru. Skladovací prostor je tvořen dvěma bazény 7 m hlubokými, které jsou vyrobeny z nerez plechu a napuštěny demineralizovanou vodou.

Monitorování

Vzduchotechnický systém reaktoru LVR-15 slouží k odvětrání technologických prostor, udržování podtlaku a shromáždění aktivity do filtrů ventilačního komína k měření vypouštěné aktivity. Trvale jsou monitorovány objemové aktivity vzácných plynů a beta aktivních aerosolů ve ventilačních větvích (radioaktivní jód, beta-aktivní aerosoly, radioaktivní plyny, alfa-aktivní aerosoly, tritium (3H) a izotop uhlíku ¹⁴C). Monitorování podléhají i osoby, oděvy a veškeré odpady.

Pracovníci vykonávající činnost v objektu reaktoru jsou vybaveni osobními dozimetry pro měření dávkových ekvivalentů záření beta, gama a neutronů. Provoz výzkumného reaktoru LVR-15 splňuje požadavky základních legislativních ustanovení ze strany radiační ochrany předepsaných Vyhláškou SÚJB č. 307/2002 Sb.

Provoz reaktoru

Reaktor LVR-15 má povolení SÚJB k provozu reaktoru platné do roku 2020. V prosinci 2001 byla na reaktoru provedena mise INSARR od MAAE, s cílem ověření bezpečnosti provozu reaktoru LVR-15. Mise doporučila několik opatření pro zvýšení jaderné bezpečnosti a ta byla v dalších letech realizována. V současné době probíhá ověřování vlivu externích událostí na bezpečnost provozu v návaznosti na havárii v JE Fukushima – Daiichi.

V roce 2004 se Česká Republika zapojila do iniciativy GTRI (Global Threat Reduction Initiative – Globální iniciativa pro snížení jaderného nebezpečí), jejímž cílem je identifikovat, zajistit a přepracovat nebo usnadnit konečné uložení vysoce rizikových jaderných a radiačních materiálů na celém světě, které by mohly ohrozit USA a mezinárodní společenství. Tato iniciativa byla ustanovena Národním úřadem jaderné bezpečnosti (NNSA) USA.

Jedním z programů iniciativy GTRI je program RERTR (Reduced Enrichment for Research and Test Reactors) a program RRRFR (Russian Research Reactor Fuel Return), k nimž se připojil i reaktor LVR-15. V rámci RERTR se provedla konverze z vysoce na nízko obohacené palivo a v rámci RRRFR bylo v roce 2013 převezeno poslední vysoce obohacené palivo z areálu ÚJV do Ruska na přepracování jako výsledek společného úsilí USA, České republiky, Ruska a Mezinárodní agentury pro atomovou energii (MAAE).