Hodnocení životnosti materiálů pro jaderné reaktory

Nedílným prvkem současné energetické koncepce, nejen v České republice, je bezesporu jaderná energie. Pro zajištění bezpečného a dlouhodobého provozu jaderných reaktorů je nutná precizní znalost vlastností jejich konstrukčních materiálů a odolnosti vůči působení provozních degradačních mechanismů. Jednou z největších osobností v oblasti hodnocení životnosti jaderných reaktorů je RNDr. Milan Brumovský, CSc., který výrobě komponent jaderných elektráren a jejich hodnocení zasvětil celou svou, stále aktivní, kariéru.

RK: Jaderná energetika se rozvíjí stejně jako další vědní obory. Jak se tento rozvoj odráží na vývoji nových materiálů pro reaktory? Liší se materiály nových jaderných reaktorů od dob, kdy byly vyráběny první tlakové nádoby reaktorů typu VVER v Plzni?
MB: V průběhu posledních desetiletí se jednoznačně zvýšila kvalita nových konstrukčních materiálů obecně, zejména z hlediska čistoty chemického složení. I technologie samotné výroby se postupem času mění a kupříkladu zahrnutí elektrických pecí na tavení oceli přispělo k výraznému zlepšení chemického složení materiálů. Menší obsah nečistot přispívá ke zvýšení odolnosti konstrukčních materiálů vůči působení degradačních mechanismů, kterým jsou materiály komponent za provozu vystaveny. Vyšší kvalita konstrukčních materiálů dává obecně předpoklad k delšímu možnému provozování dané komponenty. Je nutné ovšem zdůraznit, že konstrukční materiály pro reaktory typu VVER, tedy pro v současnosti provozované reaktory v České republice, musely vyhovět už od prvopočátku poměrně přísným požadavkům na chemické složení, obsah nečistot a současně i na výskyt necelistvostí. V porovnání s materiály „západních“ typů reaktorů je tedy možné obecně považovat materiály reaktorů VVER vyráběných ve ŠKODA JS za kvalitnější.

RK: Mezi jednotlivými typy jaderných reaktorů jsou tedy značné rozdíly v použitých materiálech a konstrukci jednotlivých komponent. Je možné při těchto rozdílech plnohodnotně rozvíjet spolupráci výzkumných institucí v oblasti jaderné energetiky na mezinárodní úrovni?
MB: Přestože konstrukce reaktorů typu VVER se mírně odlišuje od reaktorů západního typu, degradační mechanismy, probíhající během provozu, se v zásadě neliší. Interakce konstrukčních materiálů s chladivem a degradace mechanických vlastností způsobená tokem rychlých neutronů je založena na stejných fyzikálních procesech bez ohledu na použité materiály. Mezinárodní spolupráce v oblasti hodnocení ozářených materiálů reaktorů je tedy nejen možná, ale také dlouhodobě využívaná a přináší velmi prospěšné výsledky. Bez mezinárodní spolupráce by výrazně obtížněji vznikala normativní dokumentace pro hodnocení životnosti jaderných elektráren a také standardy pro zkoušky mechanických vlastností. Pro vývoj a následnou implementaci nových zkušebních metod do průmyslové praxe je nutné vycházet z poměrně rozsáhlých mezilaboratorních porovnání, které by bez spolupráce na mezinárodní úrovni nebylo možné realizovat. Příkladem může být úspěšný vývoj nové zkušební metody tenkých plíšků v rámci ASTM, tzv. small punch test. Standardizační aktivity iniciovalo ÚJV Řež v roce 2014 a bylo organizátorem rozsáhlých mezilaboratorních porovnávacích zkoušek na šesti různých materiálech z jaderné energetiky, kterého se účastnilo 12 laboratoří z celého světa. V letošním roce byl standard ASTM E3205 úspěšně vydán a po jeho akreditaci ve zkušební laboratoři nic nebrání plnohodnotnému využití metody pro zkoušky ozářených materiálů jako doplňku klasických zkoušek mechanických vlastností i s následným zařazením do normativní dokumentace na hodnocení životnosti komponent. Dalším příkladem může být i využití mezinárodní spolupráce při přípravě normativních dokumentů pro hodnocení životnosti komponent rektorů typu VVER za provozu. V rámci této aktivity vznikla pod vedením ÚJV Řež a za účasti dalších expertů ze zemí, provozujících reaktory, metodika hodnocení VERLIFE. Ta byla později rozšířena jako metodika MAAE a přijata jako normativní dokumentace nejen pro české jaderné elektrárny, ale i pro další země s reaktory typu VVER. Díky mezinárodní spolupráci expertů různých zemí je tato metodika pro reaktory VVER harmonizována s obdobnými metodikami pro „západní“ typy reaktorů.

RK: Během Vaší kariéry jste se stal nejen tuzemským, ale i uznávaným mezinárodním expertem, což jistě zahrnuje nemalou porci cestování. Procestoval jste v průběhu své kariéry již celý svět?
MB: Dá se říct, že jsem se během své kariéry podíval zřejmě do všech světadílů. Nejen v rámci konferencí, ale také na expertních misích Mezinárodní agentury pro atomovou energii ve Vídni. Jejich předmětem bylo většinou pořádání vzdělávacích seminářů pro pracovníky místních výzkumných ústavů a elektráren. Místa, kde byly tyto akce pořádány, byla poměrně rozmanitá, například Argentina, Brazílie, Mexiko, Ukrajina, Bulharsko, Čína, Indie a Bangladéš. Výměna zkušeností a znalostí je tedy také důležitou a nedílnou součástí mezinárodní spolupráce v oblasti jaderné energetiky. V tomto ohledu je užitečná aktivní účast v normativních činnostech mezinárodních organizací jako je ASME nebo ASTM, protože přístup k hodnocení životnosti musí být principiálně jednotný, nezávislý na typu reaktoru nebo země provozovatele, protože bezpečnost je jen jediná. Důležitým aspektem je také účast na mezinárodních konferencích nebo seminářích, a to jak pro mladé pracovníky, tak i „protřelé“ experty. Kromě toho, že se prezentují výsledky dané organizace a tím se získává mezinárodní renomé, tak mladí mohou během několika dnů získat přehled o současném stavu znalostí v daném oboru, zatímco pro seniorní experty jsou důležitější „kuloární“ diskuze, kdy se mohou dozvědět mnohem více nejnovějších informací, které se dosud nepublikují, pokud vůbec. Současně během těchto diskuzí získají účastníci i informace o možných kontraktech nebo výzkumných projektech. A například do evropských projektů se bez obecného povědomí o organizaci nemáte šanci dostat.

RK: Cestováni zní velmi poeticky a lákavě, ale mohou se někdy vyskytnout i nečekané potíže? Máte nějakou zkušenost s nedobrovolným setrváním v místě služební cesty?
Samozřejmě, cestování s sebou přináší příjemné i ty méně příjemné zážitky. Mezi pozitivní patří samozřejmě návštěvy zajímavých míst nebo přírodních scenérií, pokud se před nebo po konferenci našel volný čas. Mezi ty moje nejzajímavější patří např. vodopády Iguazú na pomezí Argentiny a Brazílie v parném létě nebo Yellowstonský park v lednových teplotách -30° C a potom bangladéšská Dháka se 40°C a monzunovým deštěm. Situace se také podstatně mění – před padesáti lety jsem se o půlnoci bezpečně procházel po Rio de Janeiro, zatímco dnes to nebývá zcela bezpečné ani na Copacabaně v pravé poledne. Stejně tak před 30 lety nebyl problém ani v noci v Bombaji, zatímco při poslední návštěvě Bhabha Institutu mě samotného nepustili ani do města zařídit si letenky. Na druhé straně, řada navštívených konferencí nebo komisí ASME a ASTM se koná v USA, kdy přesun z Prahy zabere celý den a přesun přes Atlantik trvá zpravidla 10 až 12 hodin. A někdy doletíte na místo a zavazadla v nedohlednu – při změně letadel např. při zpoždění, kdy nechytnete přípoj, letiště většinou nejsou schopna rychle reagovat, zavazadlo zůstane na letišti a potom nastane jeho hledání. Takto jsem se několikrát musel spokojit i tři dny jen s příručním zavazadlem. i tři dny jen s příručním zavazadlem. Poučení je proto následující – notebook a konferenční materiály, léky, holení a hygienické potřeby s sebou do letadla. Stejně i potom zůstanete i tři dny v cestovním s jednou košilí s čímž mám bohaté zkušenosti – cca jednou za 5 let. Při návratech domů mám frekvenci ztrát zavazadel ještě vyšší. Obvykle aspoň jednou za rok nestihnou v Paříži nebo Amsterdamu včas přeložit kufr, který vám potom doručí až domů následující den. Díky počasí můžete občas uvíznout na letišti i celý den, a potom se těžko hledají náhradní spoje. V současné době je k dispozici většinou velké množství spojů, a tak se v rozumné době najde náhradní spojení. Vzpomínám, že v osmdesátých letech nám v Moskvě Aeroflot zrušil rezervaci, jelikož potřeboval poslat domů prioritně nějaké poslance, a tak se nám pobyt protáhnul o tři dny. Při jiném letu z Moskvy s mezipřistáním v Bratislavě jsme kvůli špatnému počasti v Praze dvakrát nalétávali na letiště v Praze, abychom nakonec zůstali v Bratislavě – osvobodil nás náš speciál, letící z Košic, jinak jsme už spoléhali na jízdenku na vlak do Prahy.

RK: Většina Vaší kariéry je spojena s výzkumem a vývojem v Řeži u Prahy. Společnost ÚJV Řež, dříve Ústav jaderného výzkumu Řež, vloni oslavila 65 let od svého založení. Jaká je jeho aktuální role v procesu hodnocení ozářených materiálů jaderných elektráren?
MB: Od svého založení byl Výzkumný ústav v Řeži klíčovým prvkem v rozvoji jaderné energetiky v Československu. Z tohoto důvodu fungovala prakticky od začátku také úzká spolupráce s výzkumem Škoda JS, jako výrobcem jaderných zařízení na hodnocení konstrukčních materiálů reaktorů. Nejdříve pro elektrárnu A-1 s přechodem na reaktory typu VVER, čehož jsem se aktivně zúčastnil, a nakonec vyústilo mým nástupem do ÚJV Řež. Pro zajištění potřebných podkladů pro dlouhodobý provoz reaktorů je nadále důležitou součástí celého procesu hodnocení, jelikož disponuje jako jediný subjekt ve střední Evropě rozsáhlou experimentální infrastrukturou nutnou pro analýzy materiálů reaktorů, tzv. „horkými a polohorkými“ komorami („horký“ v tomto kontextu značí vysoce radioaktivní). Tyto laboratoře jsou zcela klíčové pro realizaci zkoušek mechanických vlastností ozářených materiálů, které je nutné provádět v stíněném prostředí, prostřednictvím dálkově ovládaných manipulátorů. Úspěšné provedení zkoušek mechanických vlastností nicméně není jediným nutným prvkem v celém procesu hodnocení. Na provedené výsledky zkoušek navazují další činnosti, potřebné pro hodnocení integrity provozovaných zařízení, kupříkladu termohydraulické analýzy, výpočty pevnosti a výpočty neutronových polí v reaktoru. Podstatný vliv při hodnocení životnosti hrají i zkušenosti a znalosti získané za 35 let práce ve výzkumu ŠKODA JS, kde jsem získal unikátní znalosti o výrobní technologii reaktorů VVER, včetně vlastností jejich materiálů za různých podmínek. Proces hodnocení životnosti tlakových nádob reaktorů je tak výsledkem spolupráce rozsáhlých multidisciplinárních týmů.

RK: Je kromě rozsáhlé experimentální infrastruktury ÚJV Řež ještě něčím unikátní?
MB: Veškeré činnosti realizované v rámci procesu hodnocení životnosti jaderných reaktorů jsou založeny bezesporu také na dlouhodobých zkušenostech a know-how. ÚJV Řež se zcela jistě může mezi svými zaměstnanci pochlubit značným podílem expertů, pro které byla Řež prvním zaměstnáním hned po ukončení studií a zároveň jediným, protože jaderná energetika se stala, dá se říci, jejich celoživotním posláním. Toho je nyní možné s výhodou využít pro přenos znalostí mezi stávajícími experty a nastupující generací výzkumných a vědeckých pracovníků. Úspěšné zvládnutí přenosu vědomostí a zkušeností je klíčové pro zachování dostatečné základny pracovníků, zběhlých v oblasti hodnocení životnosti komponent jaderných elektráren.

RK: Hodnocení životnosti provozovaných takových nádob je poměrně komplexní soubor experimentálních aktivit a výpočtových analýz, nicméně značná část pozornosti je věnována zkouškám materiálových charakteristik ozářených materiálů. Kde se ozářené materiály pro tyto potřeby získávají?
MB: Odběr dostatečného objemu ozářeného materiálu z provozované komponenty, nutného pro realizaci standardních zkoušek mechanických vlastností, by byl značně komplikovaný, z hlediska možného nežádoucího ovlivnění integrity a funkce hodnocené komponenty. Pro zajištění zkušebních těles pro experimenty jsou v provozovaných reaktorech realizovány tzv. svědečné programy tlakových nádob reaktorů. Ty jsou založeny na ozařování zkušebních těles, které jsou vyrobeny ze stejných materiálů jako hodnocená tlaková nádoba reaktoru. Tato zkušební tělesa jsou umístěna v daném reaktoru blíže aktivní zóně, než je stěna hodnocené tlakové nádoby reaktoru, a tak jsou vystavena vyššímu neutronovému toku, což má za následek rychlejší míru degradace vlastností hodnoceného materiálu. Na základě toho je možné predikovat budoucí chování konstrukčních materiálů reálně provozované komponenty. Další využívanou metodou zajištění ozářených materiálů je realizace ozařovacích programů v experimentálních jaderných reaktorech. Pro potřeby hodnocení životnosti českých jaderných elektráren je nejvíce využíván experimentální reaktor LVR-15 v Řeži.

RK: Existuje ještě nějaký možný způsob, jak rozšířit objem experimentálních dat potřebných pro zajištění bezpečného a dlouhodobého provozu reaktorů?
MB: Částečným omezením pro experimentální hodnocení materiálů reaktorů je, v návaznosti na aktuální trend prodlužování životnosti průmyslových komponent, omezená dostupnost originálních archivních materiálů, které byly použity k výrobě komponent a které jsou využívány v rámci svědečných programů. V poslední době je tak věnována značná pozornost využití konstrukčních materiálů z již vyřazených jaderných elektráren. Vzhledem k rozdílným materiálovým charakteristikám a odlišnému chemickému složení připadají v úvahu pro hodnocení českých elektráren pouze reaktory typu VVER a materiály reaktorů „západního“ typu je možné využít velmi omezeně. Tak byly již v minulosti odebrány konstrukční materiály z odstavené jaderné elektrárny typu VVER-440 Greifswald v Německu, které je možné dále využít pro rozšíření souboru výsledků analýz použitelných pro hodnocení životnosti jaderné elektrárny Dukovany. Výhodou tohoto postupu je, že pro některé konstrukční prvky byla na obou elektrárnách použita při výrobě v Škoda JS zcela totožná tavba materiálu. Aktuálně se jako velmi slibná jeví možnost také podobného využití materiálů v rámci probíhajícího vyřazování prvního a druhého bloku jaderné elektrárny Jaslovské Bohunice na Slovensku.

RK: Jaká je podle Vás budoucnost jaderné energie nejen v České republice?
MB: To je spíše otázka politická než technická. V nedávné době byl vypsán tendr na dostavbu dvou bloků v lokalitě jaderné elektrárny Temelín, nicméně byl bohužel zrušen. Nyní je očekáváno zahájení přípravy dostavby dalšího bloku jaderné elektrárny Dukovany, takže je evidentní, že je v rámci ČR s jadernou energetikou nadále počítáno do budoucna. Když se podíváme na kupříkladu blízké evropské země, tak situace není tak jednoznačná, nicméně je stále mnoho zemí, kde je jaderná energetika nezastupitelnou součástí energetického mixu. Především například Francie a další země, jako Polsko a Nizozemí nově plánují výstavbu jaderných elektráren pro snížení produkce skleníkových plynů. S vývojem reaktorů nové generace je v budoucnosti počítáno se zapojením nových inovativních prvků, např. uzavřeného palivového cyklu, který přispěje k výraznému snížení objemu radioaktivního odpadu v podobě vyhořelého paliva. Rozvoj jaderné energetiky je tedy spojen se zvyšováním efektivity provozu a bezpečnosti, současně s minimalizací dopadů na životní prostředí. Věřím tedy, že v České republice budeme nadále směřovat tímto směrem a bude využito pevných základů tuzemského jaderného výzkumu a vývoje.

Ing. Radim Kopřiva, Ph.D.
vedoucí oddělení Mechanické vlastnosti, ÚJV Řež

RNDr. Milan Brumovský, CSc.,
expert hodnocení životnosti jaderných elektráren, Divize Integrita a technický inženýring, ÚJV Řež

Článek vyšel v časopise Československý časopis pro fyziku č. 6/2020 (https://ccf.fzu.cz) a je publikován s laskavým svolením vydavatele.

RNDr. Milan Brumovský, CSc.
vystudoval v letech 1953–58 Matematicko-fyzikální fakultu Univerzity Karlovy v Praze v oboru Jaderná fyzika. V roce 1970 mu byla udělena vědecká hodnost kandidáta fyzikálně-matematických věd v oboru Experimentální fyzika v Moskevském inženýrském a fyzikálním institutu (MIFI). V letech 1958–92 pracoval ve výzkumně-vývojové základně závodu Jaderné strojírenství ŠKODA v Plzni. Tady se na pozici vedoucího oddělení Životnost jaderných elektráren věnoval oblasti zkoušení velkorozměrných těles materiálů tlakových nádob, radiačního poškození materiálů reaktorů a hodnocení životnosti jaderných zařízení. Od roku 1993 pracuje v ÚJV Řež v divizi Integrita a technický inženýring jako expert a manažer projektů. Vedl celou řadu mezinárodních projektů, jak v rámci EU, tak i pro Mezinárodní agenturu pro atomovou energii (MAAE). Byl iniciátorem evropského projektu VERLIFE – Hodnocení životnosti komponent jaderných elektráren (JE) typu VVER. Předsedá IV. sekci Normativně technické dokumentace Asociace strojních inženýrů (NTD A.S.I.). Rozsáhlá publikační činnost RNDr. Milana Brumovského zahrnuje více než 300 článků, příspěvků a dalších odborných děl pro českou i mezinárodní platformu. Je také spoluautorem řady publikací MAAE v oblasti radiačního poškození materiálů zařízení JE, stárnutí a řízení stárnutí JE a hodnocení integrity zařízení JE.