Rozróżnia się następujące oznaczenia angielskie reaktorów [4]:
|
|
Większość światowych elektrowni jądrowych wyposażona jest w reaktory lekko-wodne LWR. Najbardziej rozpowszechnionymi z nich są reaktory typu PWR (WWER) [1],[6],[7]:
Tabela przedstawiająca ilość i moc pracujących oraz obecnie budowanych elektrowni jądrowych na świecie. Podział według typu [23].
Typ | Pracujące | Budowane | ||
Ilość | Całkowita moc | Ilość | Całkowita moc | |
- | MW | - | MW | |
ABWR | 2 | 2630 | 4 | 5329 |
AGR | 14 | 8380 | 0 | 0 |
BWR | 90 | 78017 | 1 | 1067 |
FBR | 3 | 1039 | 0 | 0 |
GCR | 12 | 2484 | 0 | 0 |
HWLWR | 1 | 148 | 0 | 0 |
LWGR | 17 | 12589 | 1 | 925 |
PHWR | 38 | 19150 | 8 | 3135 |
PWR | 213 | 203068 | 8 | 7681 |
WWER | 50 | 32926 | 10 | 8310 |
Suma: | 440 | 360431 | 32 | 26447 |
Opisy wybranych konstrukcji reaktorów jądrowych wykorzystywanych na świecie
PWR
Reaktor typu PWR (ciśnieniowy reaktor wodny) należy do grupy reaktorów lekkowodnych LWR. Wytworzone w nim ciepło doprowadza się do wytwornicy pary za pomocą wody pod wysokim ciśnieniem, co uniemożliwia wystąpieniu wrzenia w obiegu chłodzenia rdzenia. Lekka woda opływająca rdzeń jest jednocześnie chłodziwem, moderatorem i reflektorem. Skutecznie spowalnia neutrony, lecz ze względu na ich znaczne pochłanianie przez wodór, stosowanie jej jako moderatora narzuca konieczność użycia paliwa uranowego lekko wzbogaconego (3-4%235U), gdyż w przypadku użycia uranu naturalnego stan krytyczny byłby niemożliwy do osiągnięcia. Wadą wykorzystania wody jest jej silne oddziaływanie korozyjne, szczególnie w wysokich temperaturach.
Reaktor PWR pracuje w systemie dwubiegowym.
 |
Budowa elektrowni jądrowej z reaktorem wodnym ciśnieniowym [14] |
Podstawowymi elementami obiegu pierwotnego są: zbiornik reaktora wraz z rdzeniem, wytwornica pary, pompa wodna i stabilizator ciśnienia. Podstawowymi elementami obiegu wtórnego są natomiast: wytwornica pary, turbina parowa, skraplacz oraz pompa wody zasilającej.
Ze względu na ograniczone moce maksymalne pomp oraz konieczność zapewnienia odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa reaktora, obieg pierwotny podzielony jest zwykle na kilka równoległych pętli. Woda obiegu pierwotnego przepływa wewnątrz rurek w kształcie litery U (w układzie pionowym w reaktorach PWR – oraz poziomym w reaktorach WWER), które w wyniku emisji ciepła - zamieniają wodę obiegu wtórnego w parę. Wytworzona para nasycona wykonuje następnie pracę w turbinie parowej napędzając generator elektryczny. Tam ulega rozprężeniu, a następnie po skropleniu w skraplaczu, jest pompowana ponownie do wytwornicy pary.
W rdzeniu reaktora istnieje konieczność utrzymywania odpowiednio wysokiego ciśnienia wody, aby nie dopuścić do jej wrzenia, gdyż spowodowałoby to gwałtowny spadek wymiany ciepła i naraziło elementy paliwowe na przegrzanie oraz uszkodzenie.
BWR
Innym typem reaktora lekkowodnego jest reaktor BWR (reaktor wodny wrzący). Woda chłodząca reaktor pełni tu rolę zarówno moderatora, jaki i czynnika roboczego w cyklu parowo - wodnym. Jej odparowanie następuje bezpośrednio w rdzeniu reaktora, a po osuszeniu zostaje wykorzystana do napędzania turbin generatora. Ze względu na to, że reaktor elektrowni pełni również funkcję wytwornicy pary, układ pracy elektrowni nazywamy jednoobiegowym.
 |
Budowa elektrowni jądrowej z reaktorem wodnym wrzącym [14] |
Wadą pojedynczego obiegu wody elektrowni jest przechodzenie zanieczyszczonej izotopami wody chłodzącej poprzez wszystkie elementy obiegu. Zmusza to do zabezpieczenia urządzeń osłonami chroniącymi przed promieniowaniem, co znacznie utrudnia eksploatację.
Do reaktorów BWR zalicza się także lekkowodne reaktory kanałowe z moderatorem grafitowym RBMK, w których, w odróżnieniu od reaktorów zbiornikowych, pod wysokim ciśnieniem znajdują się jedynie kanały o niewielkiej średnicy, zawierające zestawy paliwowe, złożone z kilkunastu prętów. Rdzeń reaktora składa się z zespołu bloków grafitowych z osiowymi otworami na kanały paliwowe.
Reflektor neutronów oraz osłonę biologiczną stanowi tu gruba warstwa grafitu. Dodatkową osłonę biologiczną tworzy pierścieniowy zbiornik wodny (o grubości warstwy 1200 mm) otaczający reaktor oraz betonowa ściana zbiornika - studni (o grubości 2000 mm).
HWR
Reaktor PHWR (reaktor ciśnieniowy chłodzony i moderowany ciężką wodą) należy do grupy reaktorów ciężkowodnych HWR. Rolę moderatora i chłodziwa odgrywa w nim ciężka woda, która dzięki niewielkiemu przekrojowi czynnemu na pochłanianie neutronów, pozwala na użycie w reaktorze uranu naturalnego. Mimo, że rozwiązanie to nie wymaga budowy kosztownej instalacji wzbogacania uranu, to korzyści ekonomiczne, wynikające z zastosowania jako paliwa uranu naturalnego, są pomniejszone wskutek wysokich kosztów ciężkiej wody.
 |
Budowa elektrowni jądrowej z reaktorem ciśnieniowym chłodzonym i moderowanym ciężką wodą [14] |
Ze względu na konieczność stosowania dużych ilości ciężkiej wody w celu spowolnienia neutronów, reaktor PHWR musi posiadać duże wymiary rdzenia, kilkakrotnie większe niż w reaktorach lekkowodnych. Z tego względu stosunek ilości moderatora do paliwa jest 5 do 8 -krotnie większy niż w reaktorach lekkowodnych. Duże wymiary rdzenia pociągają za sobą konieczność zastosowania kanałowego chłodzenia paliwa. Zbiornik reaktora PHWR jest więc wypełniony moderatorem utrzymywanym pod niskim ciśnieniem, w temperaturze niewiele wyższej od temperatury otoczenia. Zestawy paliwowe umieszczone są w kanałach ciśnieniowych przechodzących przez zbiornik i oddzielonych od otaczającego je moderatora pierścieniową szczeliną wypełnioną gazem, pełniącym funkcję izolacji termicznej.
Typem reaktora PHWR jest reaktor skonstruowany i wytwarzany w Kanadzie, znany powszechnie jako reaktor typu CANDU. Jego rdzeń znajduje się w dużym, cylindrycznym, niskociśnieniowym zbiorniku stalowym, położonym na boku, zwanym kalandrią i wypełnionym ciężką wodą jako moderatorem. Typowe reaktory CANDU pracują w systemie dwuobiegowym, z ciśnieniowym obiegiem pierwotnym, podobnie jak reaktory PWR.
Innym typem reaktora PWR jest reaktor SGHWR (reaktor wrzący chłodzony lekką wodą, moderowany wodą ciężką). Jest to reaktor typu kanałowego z ciężkowodnym moderatorem i wrzącą lekką wodą w kanałach paliwowych. Po odseparowaniu wody, parę kieruje się bezpośrednio do turbiny, analogicznie jak w reaktorze z wrzącą wodą.
GCR, AGR i HTR
Reaktor GCR (reaktor chłodzony gazem z moderatorem grafitowym) charakteryzuje się prostą budową oraz wysoką niezawodnością. Do jego zalet należą również: niski stopień aktywowania się gazu, mały przekrój czynny na pochłanianie neutronów oraz stosunkowo niski koszt. Podstawową wadą tego typu reaktora są jednak niekorzystne właściwości cieplne gazu, wymagające dużych powierzchni wymiany ciepła oraz dużych mocy niezbędnych do przetłaczania gazu przez rdzeń.
W pierwszych reaktorach GCR chłodziwem był dwutlenek węgla, natomiast paliwem - metaliczny uran naturalny w użebrowanych koszulkach ze stopu magnezowego, zwanego Magnoksem. Rdzeń reaktora, wykonany z kształtek grafitowych z kanałami paliwowymi, jest umieszczony w sferycznym zbiorniku z betonu sprężonego i chłodzony dwutlenkiem węgla. Temperatura chłodziwa na wyjściu z rdzenia jest ograniczona wytrzymałością koszulki z Magnoksu. Czynnikiem roboczym w obiegu wtórnym jest otrzymywana w wytwornicy - para wodna.
Unowocześnioną wersją reaktora gazowo-grafitowego jest reaktor AGR. Rdzeń reaktora jest umieszczony w cylindrycznym zbiorniku z betonu sprężonego. W reaktorach tych koszulkę magnoksową zastąpiono koszulką ze stali nierdzewnej, co pozwoliło podwyższyć temperaturę CO2 na wyjściu z rdzenia do ok. 650°C i zastosować turbiny o parametrach typowych dla elektrowni konwencjonalnych. Dzięki dużej ogólnej sprawności elektrowni z reaktorami AGR, wynoszącej ok. 41%, koszty produkcji energii elektrycznej są stosunkowo niskie w porównaniu z innymi typami reaktorów.
 |
Budowa elektrowni jądrowej z reaktorem wodnym wrzącym [14] |
Kolejnym pokoleniem reaktorów gazowo-grafitowych, będących jednocześnie wynikiem dalszego ich rozwoju w sensie znacznego podwyższenia temperatury chłodziwa na wylocie z reaktora, są reaktory wysokotemperaturowe HTR, oznaczane również jako HTGR lub HTGCR.
Koncepcja tego typu reaktorów polega na połączeniu żaroodpornego paliwa z gazowym, chemicznie obojętnym chłodziwem w zintegrowanym układzie, zamkniętym w bloku ze sprężonego wstępnie betonu Jako paliwo stosuje się wysoko wzbogacony uran (do 93%) w postaci węglika uranu UC2, który tworzy mieszaninę z węglikiem toru ThC2, jako materiałem paliworodnym.
Paliwo dostarczone jest w postaci granulek o średnicy ułamka milimetra pokrytych kilkoma warstwami: porowatego grafitu pirolitycznego, litego grafitu, węglika krzemu i znów litego grafitu, które wspólnie spełniają funkcję koszulki. Granulki te są zaprasowane w matrycy grafitowej w formie cylindrów lub kul.
Temperatury panujące w rdzeniu (rzedu 1100°C) powodują, że funkcję materiałów konstrukcyjnych spełnia grafit, który jest jednocześnie moderatorem i reflektorem neutronów. Jako chłodziwo jest stosowany obojętny chemicznie hel, charakteryzujący się dobrymi właściwościami odprowadzania ciepła.
FBR
W przeciwieństwie do reaktorów termicznych, w których większość rozszczepień wywołują neutrony termiczne spowolnione w moderatorze, w reaktorach prędkich, większość procesów rozszczepienia paliwa jądrowego jest wywoływana przez neutrony prędkie, tj. neutrony o energiach rzędu MeV.
Najbardziej zaawansowanym w rozwoju spośród reaktorów prędkich powielających FBR jest reaktor chłodzony ciekłym sodem LMFBR. Reaktory sodowe mają trzy obiegi chłodzenia: pierwotny - zawierający sód radioaktywny, pośredni - zawierający sód nieaktywny, i wtórny (roboczy) obieg parowo-wodny. W pierwszych dwóch obiegach sodowych panuje niskie ciśnienie co zmniejsza wyraźnie prawdopodobieństwo uszkodzenia się wymiennika sód-sód i przedostania się radioaktywnego sodu do obiegu pośredniego. Ze względu na temperaturę topnienia sodu 98°C, urządzenia obu obiegów sodowych muszą być podgrzewane (także przy wyłączonym reaktorze), aby nie dopuścić do zestalenia się sodu.
Reaktory sodowe są wykonywane w dwóch odmianach konstrukcyjnych: basenowej i pętlowej. W układzie basenowym cały obieg pierwotny (z wymiennikami sód-sód i pompami obiegowymi) jest umieszczony w dużym zbiorniku (basenie) wypełnionym sodem. W układzie pętlowym elementy obiegu pierwotnego są natomiast wyodrębnione i umieszczone w osobnych zbiornikach (podobnie jak w reaktorach PWR).
Reaktory sodowe są wykonywane w dwóch odmianach konstrukcyjnych: basenowej i pętlowej. W układzie basenowym cały obieg pierwotny (z wymiennikami sód-sód i pompami obiegowymi) jest umieszczony w dużym zbiorniku (basenie) wypełnionym sodem. W układzie pętlowym elementy obiegu pierwotnego są natomiast wyodrębnione i umieszczone w osobnych zbiornikach (podobnie jak w reaktorach PWR).
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz