Jakich reaktorów jądrowych jest najwięcej na świecie? Poznajmy technologię PWR!

Obecnie na świecie funkcjonuje ok. 440 reaktorów jądrowych, z czego ponad 60% stanowią reaktory wodne ciśnieniowe (PWR - Pressurized Water Reactor). Pierwszy energetyczny reaktor tego typu uruchomiono w 1957 r. w Shippingport (USA). Ciekawostką jest fakt, że reaktory PWR były początkowo stosowane dla celów militarnych - napędzały okręty podwodne. Cóż, jest to przewrotne, ale ich główną zaletą jest bezpieczeństwo. Poznajmy technologię PWR!

Reaktory PWR wykorzystują zwykłą wodę jednocześnie jako moderator i chłodziwo. Zadaniem moderatora jest spowalnianie neutronów energii - neutronów prędkich do termicznych. Następuje ono w wyniku sprężystych zderzeń neutronów z jądrami moderatora. Spowolnienie neutronów powoduje wydajniejsze rozszczepienie jąder w paliwie jądrowym. Zadaniem chłodziwa jest odbieranie ciepła, natomiast reflektor odbija do wnętrza reaktora neutrony, które chcą się z niego wydostać. 

Ogólne informacje na temat budowy 

Elektrownie z reaktorami PWR składają się z dwóch odseparowanych obiegów zamkniętych, pierwotnego i wtórnego, nazywanego niekiedy parowym, oraz obiegu chłodzenia skraplacza. Pomiędzy obiegiem pierwotnym i wtórnym zachodzi jedynie wymiana ciepła, co ułatwia zapewnienie bezpieczeństwa takiego układu. W przypadku uwolnienia substancji promieniotwórczych z rdzenia reaktora do chłodziwa nie przedostają się one do obiegu parowego. Ponadto cały obieg pierwotny znajduje się wewnątrz obudowy bezpieczeństwa, co dodatkowo zabezpiecza przed wydostawaniem się substancji promieniotwórczych do otoczenia w sytuacjach awaryjnych. Pewną, choć niewielką wadą takiego rozwiązania jest nieznacznie niższa sprawność spowodowana stratami ciepła przy jego przekazywaniu. Trzeci obieg chłodzenia, zapewniający chłodzenie skraplacza, może być, podobnie jak w innych elektrowniach cieplnych zarówno obiegiem otwartym, wykorzystującym znajdujący się w pobliżu zbiornik wodny, jak i zamkniętym, wykorzystującym różnego rodzaju chłodnie kominowe. 

Obieg pierwotny 

Woda w obiegu pierwotnym jest utrzymywana pod wysokim ciśnieniem (ok. 15 MPa), tak aby nie dopuścić do wrzenia nawet w temperaturze nieco ponad 300°C. Wykorzystanie wody jako chłodziwa zalety takie jak: niska cena, wysoka dostępność, korzystne własności termodynamiczne, a także bezpieczeństwo takiego typu reaktora. Wadą jest konieczność utrzymywania jej pod wysokim ciśnieniem.

Na obieg pierwotny składają się zbiornik ciśnieniowy reaktora z umieszczonym w środku rdzeniem, wytwornice pary, pompy cyrkulacyjne, stabilizator ciśnienia, który ma za zadanie utrzymywać ciśnienie na ustalonym poziomie oraz łączące te elementy rurociągi. Obieg pierwotny jest najczęściej podzielony na kilka pętli, obejmuje komplet urządzeń połączonych rurociągiem. Zazwyczaj jest to od 2 do 4 pętli. Tego typu rozwiązanie wynika z ograniczonej maksymalnej mocy pomp, a także wielkości wytwornic pary. 

Wysokie ciśnienie w obiegu pierwotnym wymusza wykorzystywanie bardziej wytrzymałych materiałów do produkcji rurociągów, a także zbiornika. Dlatego jest on wykonywany ze stali ferrytycznej lub stopowej. Od wewnątrz wykłada się go stalą nierdzewną. Grubość zbiornika reaktora wynosi 20-25 cm, a waga może sięgać nawet 500 ton. 

• Zobacz również: Co emituje elektrownia jądrowa?

Stabilizator ciśnienia i wytwornica pary

Stabilizator ciśnienia jest cylindrycznym zbiornikiem, w którym nad lustrem wody znajduje się para. W jego dolnej części zainstalowany jest zestaw grzałek elektrycznych, natomiast w górnej – układ wtryskujący zimną wodę. Jeśli ciśnienie zaczyna być zbyt niskie, uruchomienie grzałki powoduje ogrzanie wody, co powoduje odparowanie części cieczy. Spowoduje to podniesienie ciśnienia w obiegu pierwotnym. Z kolei w sytuacji, gdy ciśnienie staje się za wysokie, następuje wtrysk zimnej wody. Powoduje to kondensację części pary, a zatem obniżenia ciśnienia poduszki parowej. W wyniku tego nastąpi obniżenie ciśnienia w całym obiegu.

Wytwornica pary jest spoiwem pomiędzy oboma obiegami – przekazuje ciepło z obiegu pierwotnego do wtórnego. W wytwornicy pary obiegu pierwotnego woda przepływa przez tysiące rurek, które mają kształt odwróconej litery „U”. 

Rdzeń reaktora 

W zbiorniku reaktora znajduje się rdzeń. To w nim zachodzi kontrolowana reakcja rozszczepienia ciężkich jąder. Składa się on z prętów paliwowych zgrupowanych w kasety paliwowe zbudowane z kilkuset prętów paliwowych. Pręty paliwowe składają się z pastylek z tlenku uranu wzbogaconego do 2-5 % o wymiarach 9x15 mm. Są one umieszczone wewnątrz koszulek paliwowych - rurek wykonanych ze stopu cyrkonu. Pręt paliwowy ma wysokość ok. 3,5 m. W jednym pręcie mieści się 230 pastylek, ok. 250 prętów tworzy kasetę paliwową, natomiast ok. 200 kaset tworzy cały rdzeń reaktora. Do rdzenia mogą być wsuwane pręty sterujące zbudowane z materiału pochłaniającego neutrony, które po wsunięciu zatrzymują reakcje rozszczepienia. W reaktorze PWR, w trakcie normalnej pracy są one wysunięte lub częściowo wsunięte. W przypadku braku zasilania mogą samoczynnie opaść, co spowoduje samoczynne zatrzymanie reakcji. 

Woda przepływa przez rdzeń reaktora, odbierając od niego ciepło. Następnie oddaje je z wytwornicy pary (wymienniku ciepła) do obiegu wtórnego. 

Obieg wtórny i chłodzący 

W obiegu wtórnym para wodna napędza turbinę, która z kolei napędza generator produkujący prąd elektryczny. Obieg wtórny funkcjonuje analogicznie do elektrowni konwencjonalnej. Jedyną różnicą są niższe parametry pary (dla bloku z reaktorem PWR to ok. 7 MPa i ok. 300°C) niż dla bloków węglowych czy gazowych, co przekłada się na niższą sprawność cieplną bloku. Sprawność typowego bloku z reaktorem PWR mieści się w okolicach 30-35%. Również rozmiary stosowanych urządzeń muszą być odpowiednio większe.

Zadaniem obiegu chłodzącego jest chłodzenie skraplacza tak, aby trafiająca do niego po przejściu przez turbinę para wodna była ponownie skraplana. Wymaga to odebrania z niej znaczących ilości ciepła. Analogicznie jak w przypadku elektrowni węglowych czy gazowych wykorzystać można do tego zarówno obieg otwarty, czyli wodę z pobliskiego zbiornika wodnego lub rzeki, jak i różnego rodzaju chłodnie kominowe lub wentylatorowe, które umożliwiają znaczną redukcję zapotrzebowania na wodę do chłodzenia takiego bloku.

Reaktory WWER 

Mówiąc o reaktorach PWR, warto wspomnieć o ich radzieckiej odmianie WWER (wodno-wodny reaktor energetyczny). Nazwa ta odnosi się do wykorzystania wody jako zarówno chłodziwa, jak i moderatora. Zasada działania nie różni się od “zachodnich” konstrukcji PWR, choć występują w nich pewne inne rozwiązania techniczne. W reaktorach WWER wykorzystuje się niekiedy ciężką wodę (deuter) jako moderator. Co więcej, ciśnienie w reaktorze WWER zazwyczaj jest niższe. Przekłada się to na inne rozwiązania technologiczne, związane z wytrzymałością. Produkowane były typy: WWER 210, WWER-365, WWER-440, WWER-1000, WWER-1200. 

Współcześnie budowane reaktory PWR

AP-1000

Reaktory AP-1000 zostały zapronowane przez amerykańską firmę Westinghouse Electric Company. Jest to stosunkowo nowa technologia, a pierwszy reaktor tego typu rozpoczął pracę w 2018 r. Cechuje się mniejszą ilością komponentów, co przekłada się na skrócenie czasu budowy, a także obniżenie kosztów. Zawiera: 50% mniej zaworów bezpieczeństwa, 35% pomp mniej, 80% mniej rur związanych z bezpieczeństwem, 70% mniej kabli, a ponadto 80% mniej jednostek wentylujących, ogrzewających i chłodzących. Dodatkowo objętość budynku sejsmicznego jest o 45% mniejsza. 

APR-1400

Kolejnym typem jest reaktor APR-1400. Został zaprojektowany przez Korea Electric Power Corporation (KECPO). Wyróżnia się na tle innych reaktorów pod względem bezpieczeństwa. Cechuje się dużą wytrzymałością na trzęsienia ziemi. Co więcej, wprowadzono specjalny układ pomieszczeń w budynku pomocniczym, który umożliwia radzenie sobie z zagrożeniami takimi jak: pożar, powódź i trzęsienie ziemi. Teoretyczny czas eksploatacji reaktora wynosi 60 lat. 

EPR

EPR (ang. European Pressurized Reactor) jest rozwijany głównie przez francuskie koncerny Framatome i Électricité de France, a także niemiecki - Siemens AG. Cechuje się lepszym wykorzystaniem paliwa, a także wyższą sprawnością cieplną. Do EPR wprowadzono również kilka udoskonaleń, które mają na celu zapobiegać awariom. Jednym z nich jest obudowa bezpieczeństwa, która chroni nie tylko przed uwalnianymi substancjami radioaktywnymi, ale także przed potencjalnymi zagrożeniami zewnętrznymi, takimi jak np. uderzenie samolotu. Kolejnym jest poczwórny system bezpieczeństwa, który jest rozmieszczony w czterech różnych miejscach elektrowni. Ewentualne uszkodzenie jednego z nich nie wpływa na działanie elektrowni. 

Źródła: Westinghouse, NCBJ, New Yorker, kepco-enc.com.
“Energetyka jądrowa – konieczność, a nie zagrożenie” Roman Domański

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Energetyków Jądrowych URANIUM, AGH.
Michał Mytkowski