Reactor cu apă clocotită
Un reactor cu apă fierbinte ( BWR ) este un tip de reactor nuclear cu apă ușoară (LWR în engleză), proiectat de General Electric la mijlocul anilor 1950 și în care apa obișnuită este folosită ca agent de răcire și moderator. Aceasta ajunge la fierbere în miez, formând abur care este folosit pentru a antrena turbina care mișcă generatorul electric .
Operațiune
Într-un reactor de tip BWR se folosește un singur circuit în care combustibilul nuclear (2) fierbe apa, producând abur. Acesta din urmă urcă la o serie de separatoare și uscătoare care îl separă de fluxul de apă de răcire, reducând conținutul de umiditate al aburului, ceea ce îi crește calitatea . Aburul uscat curge apoi în direcția turbinei (8, 9) care antrenează generatorul electric (10). După aceasta, aburul care iese din turbină trece printr-un condensator (12) care o răcește, obținând din nou apă lichidă, care este antrenată de pompele (15) înapoi în vasul (1) care conține miezul. Deoarece aburul curge din reactor, acesta se comportă ca un motor termic convențional . În interiorul vasului există separatoare de umiditate și uscătoare ca elemente interne pentru îndepărtarea umezelii din abur, prevenind erodarea palelor turbinei. [ necesită citare ]
Control
Puterea reactorului este controlată prin două metode:
Control prin bare de control
Varierea poziției tijelor de control cu bor (3) (prin scoaterea sau introducerea lor în combustibil) este metoda comună de control al puterii la pornirea reactorului și la funcționarea până la 70% din puterea reactorului. Pe măsură ce tijele de control sunt retractate, absorbția neutronilor în tijele de control este redusă, crescând în combustibil. Prin urmare, puterea reactorului crește. Pe de altă parte, prin introducerea tijelor de control, absorbția neutronilor în acestea crește și scade în combustibil în așa fel încât puterea din reactor să fie redusă.
Control prin debitul de apă
Varierea (creșterea sau scăderea) debitului de apă prin miez este cea mai comună metodă de control atunci când centrala funcționează între 70% și 96,89% din puterea reactorului. Pe măsură ce fluxul de apă prin miez crește, bulele de vapori ("cavitățile") sunt îndepărtate mai rapid din miez, crescând astfel cantitatea de apă lichidă din miez, crescând astfel moderarea neutronilor. Aceasta înseamnă că vor exista mai mulți neutroni care încetinesc și pot fi absorbiți de combustibilul fisionabil și, în consecință, puterea reactorului va crește. Când fluxul de apă prin miez scade, are loc procesul invers: cavitățile de vapori rămân în miez mai mult timp, cantitatea de apă lichidă din miez scade, moderarea neutronilor scade, deci sunt mai puțini neutroni care încetinesc și sunt absorbit de combustibil și, prin urmare, puterea reactorului este redusă. Aceasta este o caracteristică foarte relevantă a proiectării BWR pentru siguranța nucleară, deoarece, în general, o creștere necontrolată a puterii reactorului dă naștere la o fierbere mai mare a apei și, prin urmare, la o scădere a puterii reactorului, ceea ce o poate obține. oprit.
Design
Circuitul de apă/abur este la o presiune de aproximativ 75 de atmosfere și, prin urmare, apa fierbe în miez la o temperatură de aproximativ 285 °C. Presiunea menționată este relativ scăzută, în comparație cu cea a reactoarelor de tip apă sub presiune. Reactorul este proiectat să funcționeze cu 12-15% apă în partea superioară a miezului sub formă de abur, rezultând mai puțină moderare, eficiență neutroană mai mică și densitate de putere mai mică decât în partea inferioară a miezului. În schimb, în cazul unui reactor cu apă sub presiune (PWR), fierberea este cu greu permisă din cauza presiunii ridicate menținută în circuitul său primar (de aproximativ 158 de ori presiunea atmosferică).
Datorită faptului că apa care trece prin miezul unui reactor este întotdeauna contaminată cu urme de radioizotopi , este necesar ca turbina să fie ecranată în timpul funcționării normale, iar protecția radiologică este necesară și în timpul lucrărilor de întreținere a turbinei, în timp ce in restul tipurilor de reactoare necesita protectie doar in intretinerea reactorului. Costul crescut asociat cu operarea și întreținerea unui BWR este compensat de un design mai simplu și de o eficiență termică mai mare decât un PWR. Cea mai mare parte a radioactivitatii conținute în apa circuitului primar are o durată de viață scurtă (în cea mai mare parte este 16 N cu un timp de înjumătățire de 7 secunde), prin urmare este posibil să pătrundă în camera turbinei la scurt timp după oprirea reactorului.
Într-un BWR modern, fiecare element de combustibil este format din între 74 și 100 de bare de combustibil și există mai mult de 800 de astfel de elemente în miezul reactorului, însumând aproximativ 140 de tone de uraniu . [ citare necesară ] Numărul de elemente de combustibil dintr-un anumit reactor depinde de puterea care trebuie generată, de dimensiunea miezului și de densitatea de putere care este proiectată pentru reactorul respectiv.
În BWR, tijele de control trebuie introduse din fundul vasului reactorului.
Ca și în reactorul cu apă sub presiune, miezul reactoarelor BWR, odată ce reacția nucleară a fost oprită, are căldură reziduală prezentă în apa de răcire care trebuie îndepărtată prin răcire oprită. În cazul unui dezastru major, cu o situație de „panare” susținută (lipsa alimentării cu energie electrică mai mult de 2 ore, având deja folosit generatoarele diesel de urgență și bateriile de urgență), precum cea care a avut loc în accidentul de la Fukushima din 2011, ar putea cauza topirea totală sau parțială a miezului în cazul în care toate sistemele de siguranță s-au defectat și miezul nu a primit lichid de răcire. La fel ca PWR, reactorul cu apă clocotită are un coeficient de gol negativ (sau gol), adică puterea generată scade pe măsură ce raportul dintre abur și apă din miezul reactorului crește. Totuși, spre deosebire de ceea ce se întâmplă în PWR, care nu are o fază de vapori în miezul reactorului, o creștere a presiunii de vapori (cauzată, de exemplu, de obstrucția circulației vaporilor din reactor) va avea ca rezultat o scăderea bruscă a raportului dintre abur și apă din interiorul reactorului. Această creștere a apei va duce la o moderare suplimentară a neutronilor și, în consecință, la o creștere a puterii de ieșire a reactorului. Datorită acestui efect asupra BWR, componentele de lucru și sistemele de siguranță sunt proiectate astfel încât nicio defecțiune posibilă să nu provoace o creștere a presiunii și a puterii dincolo de capacitatea sistemelor de siguranță de a opri reactorul înainte ca acesta să se oprească. sau componentele care conțin lichidul de răcire.
Avantaje
- Vasul reactorului și componentele sale asociate funcționează la o presiune remarcabil de scăzută (de aproximativ 75 de ori presiunea atmosferică) în comparație cu un PWR (de aproximativ 158 de ori presiunea atmosferică).
- Vasul reactorului este supus la o iradiere semnificativ mai mică în comparație cu un PWR și, prin urmare, nu devine la fel de fragil odată cu vârsta.
- Funcționează cu o temperatură mai scăzută a combustibilului nuclear.
- Performanța acestui tip de reactor este puțin mai mare decât cea a reactoarelor PWR datorită eliminării schimbătorului de căldură dintre circuitele primar și secundar de care acesta din urmă are nevoie.
- Reactorul are un coeficient de feedback negativ al puterii dominat puternic de coeficientul de feedback al golului (fracția de abur din reactor). Aceasta are ca rezultat o caracteristică de siguranță intrinsecă a acestui tip de reactor în care un eveniment care ar avea ca rezultat o creștere a puterii în reactor ar avea ca rezultat o creștere a proporției de abur în reactor. Datorită coeficientului de gol negativ, aceasta ar duce la o tendință de reducere a puterii reactorului. Această caracteristică, adăugată la coeficientul de feedback de temperatură, care este, de asemenea, negativ, face ca reactoarele BWR să fie foarte stabile și controlabile.
Dezavantaje
- Calcule operaționale complexe pentru a gestiona utilizarea combustibilului nuclear în elementele de combustibil în timpul producției de energie din cauza fluxului bifazic (lichid și vapori) în zona superioară a miezului (abia o problemă cu computerele moderne), și sunt necesare mai multe instrumente în interiorul miezul.
- Este nevoie de un vas sub presiune mult mai mare decât un PWR de putere similară, ceea ce duce la costuri mai mari. (Cu toate acestea, costurile totale sunt reduse deoarece BWR-urile moderne nu au generatoare de abur și conductele asociate acestora)
- Contaminarea turbinelor cu produse de fisiune (nu este o problemă cu tehnologia modernă a combustibilului)
- Este necesar să se protejeze și să se controleze accesul la turbinele cu abur în timpul funcționării lor normale datorită nivelurilor de radiație provenite din abur, care intră direct din miezul reactorului. De asemenea, trebuie luate precauții suplimentare în timpul întreținerii turbinei în comparație cu PWR-urile.
- Tijele de control trebuie introduse de jos și, prin urmare, nu ar putea cădea în reactor sub propria greutate în cazul unei pierderi totale de putere (în majoritatea celorlalte tipuri de reactoare tijele de control sunt suspendate de sisteme mecanice de fixare, proiectate astfel că dacă există o pierdere totală a puterii ar cădea sub propria greutate). Sistemul de introducere a tijei de control sub reactor este conceput pentru a putea funcționa chiar și fără curent electric, prin intermediul unor arcuri capabile să ridice tijele imediat în cazul unor probleme la instalație. [ necesită citare ]
- Introducerea completă a tijelor de control oprește efectiv reacția nucleară primară. Cu toate acestea, combustibilul nuclear continuă să genereze căldură reziduală prin dezintegrare radioactivă la o rată de aproximativ 7% din puterea totală a reactorului, ceea ce necesită unul până la trei ani de pompare a lichidului de răcire pentru a stabiliza reactorul la temperatură scăzută. Dacă răcirea eșuează în momentul în care reactorul este oprit, reactorul se poate supraîncălzi la temperaturi de peste 2.200 de grade, ceea ce duce la descompunerea apei în hidrogen și oxigen. În acest scenariu există un risc mare de explozie, care poate amenința integritatea structurală a reactorului. [ necesită citare ]
