Typy konstrukcyjne reaktorów jądrowych

Transkrypt

1 44 Typy konstrukcyjne 1) Reaktory zbiornikowe pręt regulacyjny wylot wody podgrzanej H wlot wody zasilającej pręty paliwowe osłona termiczna rdzeń reaktora D Wymiary zbiornika D do 6 m ; H do 20 m grubość ścianek mm

2 45 Charakterystyka reaktorów zbiornikowych - prosta konstrukcja, - małe wymiary na jednostkę mocy, - niemożność zwiększenia mocy reaktora (ograniczenie wytrzymałości ścian zbiornika reaktora), - kłopoty z wymianą elementów paliwowych, - obniżenie ciśnienia do atmosferycznego, - wychłodzenie reaktora (do kilkudziesięciu o C), - otwarcie pokryw zbiornika, - trudny do wykonania zbiornik ciśnieniowy. Uwaga: większość reaktorów na świecie zbiornikowe

3 46 2) Reaktory kanałowe chłodziwo wylot podgrzanego chłodziwa paliwo moderator ( grafit, D2O ) zbiornik ciśnieniowy kanał

4 47 Rozdzielenie ról moderatora i chłodziwa Charakterystyka reaktorów kanałowych: - eliminacja dużego zbiornika reaktora, - możliwość zwiększenia mocy reaktora, - wymiana elementów na bardziej wytrzymałe, - dodanie elementów, - możliwość wymiany paliwa bez wyłączania reaktora, - prosta konstrukcja elementów paliwowych, - niebezpieczne połączenie grafitu (moderator)i wody (czynnik roboczy), - konieczność stosowania paliwa o większym stopniu wzbogacenia, - duże rozmiary reaktora (konieczność stosowania dużej ilości grafitu), - możliwość produkcji plutonu (stosowana jedynie w reaktorach RBMK dawne ZSRR) Obydwa typy reaktorów zbiornikowe i kanałowe stosowane na skalę przemysłową

5 48 Typy reaktorów ze względu na zasadę działania 1. Reaktory na wodę wrzącą BWR. 2. Reaktory wodne ciśnieniowe PWR. 3. Reaktory z przegrzewem pary. 4. Reaktory ciężko wodne. 5. Reaktory Magnox 6. Reaktory gazowe AGR i AGCR. 7. Reaktory wysokotemperaturowe HTGR. 8. Reaktory powielające FBR. 9. Reaktory na neutrony prędkie chłodzone gazem dysocjującym.

6 49 1) Reaktor na wodę wrzącą BWR (Boiling Water Reactor) para nasycona osuszona zmiana kierunku przepływu wytrącanie kropel osuszanie pary rozszerzenie przekroju zmniejszenie prędkości wytrącanie kropel wody para nasycona mokra lustro wody para rdzeń reaktora (parowanie) kosz rdzenia paliwo pręty paliwowe woda zasilająca (chłodna) pompa obiegu recyrkulacyjnego (na zewnątrz reaktora) obieg recyrkulacyjny (przyspieszenie porywania pęcherzy parowych) zasilanie wodą pod wysokim ciśnieniem pompa eżektorowa - strumienica (wewnątrz reaktora) woda zasysana pręt regulacyjny (węglik boru B 4C)

7 50 Reaktor wrzący Monticello (USA) o mocy 472 MW e

8 Reaktorów jądrowych Schemat cieplny siłowni z reaktorem BWR BWR Para nasycona 70 bar, 270 o C Turbina Prądnica 51 Podgrzewacz regeneracyjny Skraplacz Charakterystyka reaktorów BWR: - prostota konstrukcyjna (jeden obieg), - nieduże ciśnienie (~70 bar), - niskie wzbogacenie uranu (~2,5%), - duże wymiary zbiornika ciśnieniowego, - pręty regulacyjne wprowadzone od dołu reaktora (wada), - skażenie promieniotwórcze układu przepływowego turbiny (mimo iż większość produktów rozpadu pozostaje w fazie ciekłej), - radioaktywne produkty oddzielone w odgazowywaczu do atmosfery, - niebezpieczny system odprowadzania mieszaniny para woda (sytuacje awaryjne) do zbiorników z zimną wodą. Uwaga: produkowane wyłącznie w USA (General Electric)do 1985 zainstalowano około 65 tys. MW

9 52 2. Reaktory wodno ciśnieniowe PWR (Pressure Water Reactor) moderator chłodziwo WWER (Wodianno Wodiannyj Energetičeskij reaktor) para nasycona (do turbiny) obieg pierwotny (skażony) obieg wtórny (nie skażony) kondensat woda gorąca wymiennik ciepła (parownik) pręty paliwowe rdzeń reaktora woda chłodna reaktor PWR (ciśnienie wyższe od temperatury wrzenia) pompa obiegu pierwotnego

10 WWER 440: Ø = 3800 mm H = mm Reaktor PWR H r = 2500 mm wsad uranu: 42 kg 53 Reaktor PWR Haddam Neck (USA) ( moc elektryczna 464 MW e )

11 54 Schemat elektrowni jądrowej z reaktorem WWER wtrysk zimnej wody ( p ) stabilizator ciśnienia para nasycona woda podgrzewacze elektryczne ( p ) do obiegu pierwotnego PR podgrzewacz regeneracyjny 1 reaktor ; 2 pręty regulacyjne; 3 stabilizator ciśnienia; 4 wytwornica pary; 5 pompa cyrkulacyjna; 6 turbina; 7- generator ; 8 kondensator; 9 woda chłodząca; 10 pompa wody zasilającej

12 55 System paliwowy reaktora WWER 440 kaseta paliwowa 126 prętów paliwowych całość paliwa 349 kaset paliwowych regulacja mocy 37 kaset regulacyjnych kosz możliwość demontażu do remontu Paliwo U 238 U 235 wzbogacenie % Charakterystyka reaktorów PWR 1. stotna poprawa bezpieczeństwa (eliminacja skażenia obiegu wtórnego roboczego). 2. Znacznie większa średnia gęstość mocy w rdzeniu średnio: [kw/l] (reaktory BWR 50 [kw/l]) 3. Znacznie większa średnia gęstość mocy w paliwie ~ 30 [kw/kg] (reaktory BWR ~ 20 [kw/kg] 4. Znacznie mniejsza objętość reaktora przy tej samej mocy

13 56 3. Reaktory z przegrzewem pary Wada reaktorów PWR i BWR: czynnikiem roboczym para nasycona po każdym rozprężeniu pary pojawiają się krople wody niebezpieczeństwo erozji konieczność separacji kropel wilgoci obniżenie sprawności obiegu Poprawa sprawności poprzez przegrzew pary: t n temperatura nasycenia wytwornica pary (BWR) przegrzewacz pary Dodatkowe ciepło t p temperatura przegrzewu para przegrzana do turbiny Wynik: możliwość zastosowania typowych (wysokosprawnych) turbin energetycznych

14 57 Reaktor wrzący z przegrzewem pary, kanałowy typu Biełojarsk - Kanałowy: - wrzący (obieg pierwotny) - grafit moderator; chłodziwo (woda, para) Obieg pierwotny (wrzący) 730 kanałów Obieg wtórny (przegrzewu) 268 kanałów Grafit 5% mocy cieplnej temp o C

15 58 Schemat kanału paliwowego reaktora Biełojarsk wylot czynnika roboczego wlot chłodziwa stal nierdzewna wlot chłodziwa sekcja paliwa 6000 grafit wylot czynnika nagrzanego paliwo paliwo - stop uranu (wzbogacenie 1,3%) z molibdenem i magnezem moc pojedynczego kanału 560 kw (Ø 80 mm, długość 6000 mm) parametry czynnika roboczego 110 bar 510 o C moc 200 MW e, 560 MW c Uwaga: zestawienie grafit moderator tylko woda chłodziwo w dawnym r. kanałowe ZSRR r. zbiornikowe z przegrzewem pary USA

16 59 Przekrój rdzenia i kanału paliwowego reaktora Biełojarsk

17 60 4. Reaktory ciężkowodne D 2 O - moderator σ e σ a - przekrój na rozpraszanie neutronów największy dla wszystkich materiałów - bardzo małe rozmiary reaktora - przekrój na absorpcję neutronów najmniejszy dla wszystkich moderatorów możliwość stosowania uranu naturalnego (niewzbogaconego) CANDU moderator chłodziwo możliwe H 2 O lub CO 2 ale: uran lekko wzbogacony (ok. 1%) CANDU - CANadian Deuterium Uranium (rozwijane głównie w Kanadzie)

18 61 Reaktor CANDU w elektrowni Douglas Point (Kanada) moderator DO 2 cyrkon chłodziwo DO 2 kierunek przesuwu pręta paliwowego Dziennie wymiana 15 prętów

19 62 Schemat cieplny elektrowni CANDU o 110 bar 295 C 41 bar 250 C o Reaktor CANDU D O 250 o C H O 2 2 wymiennik ciepła ~ Charakterystyka reaktorów ciężkowodnych: 1. bezpieczeństwo (niewzbogacony uran) 2. możliwość zastosowania gazu jako chłodziwa możliwość przegrzewania pary możliwość zastosowania wysokosprawnych turbin na parę przegrzaną 3. uniezależnienie od zakładów wzbogacania paliwa 4. wysoki koszt produkcji D 2 O (0,015% w wodzie naturalnej) - elektroliza, destylacja 5. pogorszenie własności spowalniających D 2 O niewielkimi domieszkami H 2 O - konieczność zapewnienia szczelności obiegu D 2 O

20 63 5. Reaktory grafitowo-gazowe Reaktory BWR i PWR: - niskie parametry pary (para mokra) - niska sprawność konieczność podwyższania parametrów Szansa: reaktory grafitowo-gazowe: moderator - grafit chłodziwo - gaz (CO 2, He) Możliwość zastosowania pary przegrzanej: podgrzany gaz (temp. o C) Reaktor gazowy przegrzana para (do turbiny) przegrzewacz pary para nasycona parownik kondensat

21 5.1. Reaktory niskotemperaturowe (Magnox) 64 GCR - Gas Cooled Reactor paliwo uran naturalny (metaliczny) koszulki stop magnezu (magnox) CO 40 bar, 410 C 2 2 o HO(para) 50 bar, 400 C o Reaktor magnoksowy ~ Charakterystyka: chłodzenie skraplacza - duże rozmiary rdzenia (grafit do 4000 t) - możliwość pracy na paliwie naturalnym (ale duża masa paliwa - do 600 t) - niższe niż w PWR i BWR ciśnienia w rdzeniu - niska gęstość mocy w rdzeniu (0,5 1,2 kw/l) - niska gęstość mocy w paliwie (3 12 kw/kg) - rozwijane w Wielkiej Brytani (kanały paliwowe pionowe) i Francji (kanały paliwowe poziome)

22 65 Reaktor magnoksowy Hinkley Point (W. Brytania)

23 5.2. Reaktory grafitowo-gazowe na paliwo wzbogacone. AGR, AGCR (Advanced Gas-Cooled Reactor) 66 Reaktory magnoksowe max. temp. CO o C (dopuszczalna temperatura magnox koszulka) Poprawa parametrów: - zmiana materiału koszulki (stal nierdzewna, stop cyrkonu), - wzbogacenie paliwa (2 4%) przykład: reaktor AGCR Dungeness (W. Brytania) moc 600 MW e o CO 2 34 bar, 675 C HO(para) 160 bar, 566 o 2 C Reaktor AGCR ~ Uwaga: możliwość zastosowania typowych turbin energetycznych chłodzenie skraplacza

24 Problem powielania paliwa 67 N X B A Y D C izotop rodny (nierozszczepialny) izotop rozszczepialny (paliwo) Miara efektywności procesu powielania paliwa, stosunek powielania (uzysk paliwa): G = η 2 L η - liczba neutronów powstających w wyniku rozszczepienia (na 1 neutron ulegający absorpcji w materiale rozszczepialnym), L liczba neutronów tracona wskutek absorpcji w materiale nierozszczepialnym i uciekających z rdzenia (przypadająca na jeden neutron) uzysk (powielanie) paliwa największe wartości η : G > 0 η > 2 + L - w zakresie neutronów termicznych: U 233 ( η = 2,28) - w zakresie neutronów prędkich: Pu 239 ( η = 2,53) możliwość zastosowania w procesach powielania paliwa!!!

25 możliwe reakcje powielania: neutrony termiczne Th izotop rodny U92 paliwo reaktory HTGR FBR (Fast Breeder Reactor) neutrony prędkie U izotop rodny Pu94 paliwo 68 reaktory na neutrony prędkie FBR Charakterystyka reaktorów FBR: - brak ciśnieniowej obudowy reaktora, - brak moderatora + efektywne chłodziwo, - małe wymiary rdzenia: 0,5 0,8 MW/l (FBR), 0,05 0,08 MW/l (PWR), - wysokie parametry pary (możliwość stosowania turbin konwencjonalnych sprawność do 40%, dla PWR do 30%, - dobre wypalenie paliwa BWR (MWd/t) PWR (MWd/t) GCR (MWd/t) ciężkowodne (MWd/t) AGCR (MWd/t) HTGR (MWd/t) powielanie FBR (MWd/t) paliwa

26 5.3. Reaktory wysokotemperaturowe HTGR (High Temperature Gas Reactor) moderator grafit chłodziwo hel (dobre odprowadzanie ciepła) paliwo- uran wysokowzbogacony (93%) 69 0,1 0,3 mm UC 2 (19%); ThC 2 (81%) porowaty grafit pirolityczny lity grafit pirolityczny węglik krzemu lity grafit pirolityczny Tor izotop rodny Th90 U92 (nowy izotop rozszczepialny) powielanie paliwa! Przykład: reaktor Fort Saint Vrain (USA) o He, 50 bar, 770 C para, 165 bar, 565 o C Reaktor HTGR ~ chłodzenie skraplacza

27 Reaktor HTGR elektrownia Fort Saint Vrain (USA) (moc 330 Mwe) 70

28 1 element paliwowy 210 kanałów paliwowych kanałów chłodzenia 1 element 570 kw 71 średnica rdzenia 5940 mm Wsad paliwa - uran 936 kg - tor kg wymiana paliwa co dwa miesiące

29 6. Reaktory na neutronach prędkich (FBR) 72 energia neutronów w reaktorach prędkich 0,05 0,1 MeV brak moderatora chłodziwo o małej zdolności spowalniania (najczęściej sód) paliwo o dużym wzbogaceniu (25 75%) temperatura wrzenia sodu 833 o C- brak zbiornika ciśnieniowego (reaktor pracuje przy ciśnieniu atmosferycznym) sód w obiegu pierwotnym aktywizuje się konieczność stosowania pośredniego obiegu sodowego

30 73 Schemat cieplny siłowni nuklearnej z reaktorem FBR o Na, C o Na, C para przegrzana p>160 bar, t<550 o C Reaktor ~ chłodzenie skraplacza

31 Przykład: reaktor Phenix (Francja), 1973 r 233 MWe, 563 MW mocy cieplnej parametry pracy: 160 bar, 510 o C 74

32 75 materiał rozszczepialny: UO 2 + PuO 2 (19,2%) materiał rodny: zubożony uran U 238 (0,51 U 235 ) - zubożenie o 0,2%

33 7. Reaktory na neutrony prędkie chłodzone gazem dysocjującym 76 proponowany czynnik: J N2O4 2NO2 62,6 2NO + O2 kg + 123,5 J kg ciepło dysocjacji - duża pojemność cieplna: 7-krotnie większa niż Na i CO 2 2-krotnie większa niż He - bardzo intensywne przejmowanie ciepła: krotnie większe niż dla N 2, CO 2, powietrza krotnie większe niż dla pary wodnej - bardzo mały przekrój czynny na spowolnienie neutronów (porównywalny z He) - duża i zmienna z temperaturą stała gazowa dwukrotne zmniejszenie zapotrzebowania energii na sprężanie w porównaniu z He - możliwość pracy w układzie z jednym obiegiem (turbina gazowa) - pięciokrotnie lżejsza turbina w porównaniu z parową Uwaga: w fazie badań