Tlakovodni reaktori najrasprostranjenija su vrsta reaktora na svijetu i od otprilike 440 komercijalnih reaktora na svijetu, velika većina ih je tlakovodnog tipa. Naziv “tlakovodni reaktor” (Pressurized Water Reactor”) dobili su po primjeni obične vode pod tlakom u primarnom krugu koja niti u jednom trenutku normalnog pogona ne bi trebala ključati. Povijesno gledano, razlikujemo američki tip pod nazivom PWR kojeg su razvijali Westinghouse u Americi, Framatome - Siemens u Europi te Mitsubishi u Japanu i sovjetski, odnosno kasnije ruski tip pod nazivom VVER (Vodno-Vodyanoi Energetichesky Reactor) koji se u načelu rada i građi ponešto razlikuje od američkog tipa reaktora. Oba tipa reaktora hlađena su i moderirana običnom vodom, a kao gorivo koriste slabo obogaćeni uran.

Prednosti korištenja obične vode kao moderatora i hladioca jesu što su tlakovodni reaktori relativno mali po volumenu moderatora u jezgri i imaju veliku gustoću proizvedene termalne snage. S termodinamičke strane gledano mana korištenja vode u tlakovodnom reaktoru jest njena upotreba pri niskoj temperaturi vrelišta zbog čega je potreban visok tlak kako bi se spriječilo njeno kipljenje. Uz korištenje obične vode kao moderatora u tlakovodnom reaktoru potrebno je koristiti obogaćeni uran, slabog obogaćenja (3-5%) kako bi se postigla kritičnost. Prednosti korištenja obogaćenog urana su ugradnja viška reaktivnosti u reaktor i izmjena goriva u većim vremenskim periodima nego kod reaktora koji koriste prirodni uran, dok je mana visoka cijena pripreme goriva. Osim navedene velike gustoće snage koja također omogućava i skaliranje reaktora na razinu pogona nuklearnih podmornica i brodova te dug vremenski period pogona bez izmjene goriva (12 do 24 mjeseca), tlakovodne reaktore krasi i velika pogonska stabilnost.

Primarni krug tlakovodnog reaktora

Osnovne dijelove primarnog kruga tlakovodnog reaktora čine reaktor i više rashladnih petlji, dok su glavni dijelovi tipične rashladne petlje: jedan parogenerator (steam generator) i jedna cirkulacijska pumpa (primary coolant pump), dok se u na jednoj od rashladnih petlji nalazi i tlačnik (pressurizer). Uloga parogeneratora jest zagrijavanje sekundarne vode (feed water) i njeno pretvaranje u zasićenu paru (steam to turbine) koja u sekundarnom krugu poput tradicionalne termoelektrane pokreće parnu turbinu koja pokreće generator, koji proizvodi električnu energiju. O temeljnom načelu rada primarnog i sekundarnog kruga kod PWR i BWR elektrane detaljnije je moguće pročitati u mom prethodnom postu “Sve me nešto pitaju kako radi ta nuklearna elektrana?“. Dizajn parogeneratora kod PWR reaktorskog tipa jest vertikalni, kako bi se omogućila cirkulacija sekundarne vode u skladu s prirodnom te dizajnim kontejnmenta o čemu će detaljnije riječi biti kasnije. Drugi važan dio rashladne petlje predstavlja pumpa koja osigurava protok rashladnog sredstva (tipično Q = 6 m³/s) i redovno napajanje reaktora primarnim rashladnim sredstvom (primary coolant). Razlika temperature na ulazu i izlazu rashladne petlje je otprilike 40 kelvina, dok je tipska snaga jedne rashladne petlje 300 MW, tako da se i prema zapadnim standardima grade elektrane standardnih snaga od 300 MW, 600 MW, 900 MW ili 1200 MW, u skladu s brojem petlji. Na jednoj od rashladnih petlji nalazi se i tlačnik čija je uloga održavanje konstantnog tlaka u primarnom krugu (oko 15 MPa) te kompenzacija promjene volumena vode uslijed promjene njene temperature.

Za razliku od PWR reaktorskog tipa VVER reaktor u prvoj izvedbi VVER 400 nije imao zaštitnu posudu koja je djelomično nadomještena parnim komorama i komorama za kondenzaciju pare, dok noviji VVER 1000 ima zaštitnu posudu. Prvotni model također je imao 6 rashladnih petlji koje je bilo moguće izolirati ventilima čega kod PWR reaktora nema, a izvedba parogeneratora kod VVER tipa za razliku od zapadnog modela je u oba slučaja horizontalna. Noviji model, VVER 100, reducirao je broj rashladnih petlji na 4 i povećao im snagu.

Dijelovi tlakovodnog nuklearnog reaktora

Dijelove jezgre nuklearnog reaktora čine unutarnja i vanjska reaktorska posuda (reactor pressure vessel), reaktorska jezgra (core) s gorivim elementima, kontrolne šipke (control rods) te ukupan sadržaj moderatora i rashladnog fluida (u našem slučaju vode).

Vanjska reaktorska posuda

Vanjska reaktorska posuda sadrži jezgru reaktora s rashladnom vodom i sastoji se od dva dijela: donjeg većeg dijela s polukružnim dnom te gornjeg, manjeg dijela koji predstavlja poklopac reaktora (reactor vessel head). Dva dijela reaktorske posude međusobno su povezana vijcima i zabrtvljena elastičnom prstenastom metalnom brtvom. Posuda se izrađuje od niskolegiranih čelika s primjesama molibdena i mangana koji joj daju žilavost i čvrstoću horizontalnim zavarivanjem kovanih prstenova kako bi se smanjio utjecaj radijacijskih oštećenja, a iznutra je presvučena oko 5 -7 mm debelim slojem nerđajučeg čelika koji joj pruža antikorozivnu zaštitu. Na donjem dijelu posude nalaze se ulazni i izlazni priključci cijevi (reactor coolant inlet/outlet nozzle) koji su kod PWR reaktora u istoj razini. Tijekom rada reaktorska je posuda izložena bombardiranju neutronima i gama zrakama (fotonima) koji mijenjaju njena svojstva (smanjuju žilavost i povećavaju tvrdoću čelika) te pomiču točku krtog loma prema višim temperaturama i ugrožavaju integritet posude. Kako bi se moglo proučiti stanje reaktorske posude na njenim bokovima nalaze se uzorci materijala od kojih je napravljena koji se tijekom remonta testiraju na lomnu čvrstoću. Tipična visina reaktorske posude je oko 13 metara, promjer 4-5 metara, a težina oko 350 do 400 tona.

Unutarnja reaktorska posuda

Unutarnja reaktorska posuda (na slici desno pod 3) je posuda u posudi čiji je cilj podržavanje i pričvršćivanje gorivih elemenata, nošenje vodilica kontrolnih šipki koje ulaze odozgo u reaktorsku posudu (reactor cluster control guide tube) i detektora neutronskog toka koji ulaze odozdo te usmjerava tok rashladnog medija (pratiti strelice) kroz reaktorsku posudu uz rub vanjske i unutarnje posude, kroz perforirano dno reaktorske posude, uz gorive elemente do izlaznog priključka cijevi. Ovakav način protjecanja omogućen je zahvaljujući profiliranosti unutarnje reaktorske posude u skladu s vanjskom. Oko donjeg dijela unutarnje reaktorske posude u razini reaktorske jezgre nalazi se neutronski štit (pod 4), a dodatni štit čini i voda koja utječe u reaktorsku posudu. Regulacijske šipke (pod 6) pričvršćene su vodilicama uz gornji dio reaktorske posude, a kreću se uz pomoć nosećih motki u tlačnim kućištima i niže cijevima. Potporu unutarnje posude čini prirubnica (pod 2) kojom je povezana za vanjski dio posude te sekundarna potpora koja se nalazi ispod dna posude.

Reaktorska posuda VVER reaktora manjeg je promjera, smanjen joj je razmak između unutarnje i vanjske posude, a ulazi i izlazi su izvedeni na dvije različite razine.

Gorivi elementi

O gorivim elementima već je nešto bilo priče u postu o izmjeni goriva u nuklearnom reaktoru, a sastoji se od gorivih šipki (fuel rods) i kostura elementa. Gorive šipke čine cijevi od cirkonijeve legure (najčešće Zircaloy), promjera oko centimetara, debljine stijenke oko pola milimetra te duljine oko 3,6 metara ispunjene tabletama uranova oksida (UO₂). Između tablete i obloge nalazi se zazor debljine od par milimetara. Kako su gorive šipke izuzetno dugačke s obzirom na svoj promjer što ih čini vrlo elastičnima, potreban je kostur elementa koji bi ih pridržavao.

Kostur elementa sastoji se od gornjeg i donjeg zaglavka (lijevi i desni kraj elementa), duž visine ravnomjerno raspoređenih elastične rešetke od inkonela i cirkonijevih cijevi koje učvršćuju element. Tipični profili su 15×15 i 17×17, dok Krško iznimno ima 16×16 matricu gorivog elementa (vidi presjek elementa). Osim gorivih elemenata u matricu ulaze i već spominjane kontrolne šipke te detektori neutronskog toka. U gorivom elementu NE Krško od ukupno 256 mjesta, 235 mjesta zauzimaju gorivi elementi, 20 mjesta kontrolne šipke i 1 mjesto detektor neutronskog toka.

Kontrolne šipke

Sve kontrolne šipke unutar gorivog elementa povezane su na zajednički regulacijski sklop i sve se kreću kao cjelina, budući da su na vrhu povezane nosećom motkom (slika desno). U gorivi elementu 16×16 ulazi 20 kontrolnih šipki dok u gorivi element 17×17 njih 24. Svaka šipka sastoji se od cijevi od nerđajučeg čelika, a ispunjena je legurom srebra (80%), indija (15%) i kadmija (5%). Izlaskom iz jezgre kontrolni sklop se kreće kroz vodilice kontrolnih šipaka koje se nalaze u gornjoj dijelu reaktorske posude. Noseće motke izlaze u tlačna kučišta koja su također u gornjem dijelu i nastavljaju se na tlačne cijevi. Motke su pokretane elektromagnetima po principu magnetske dizalice, a spušta se i podiže u koracima od oko centimetar i po, brzinom koja ovisi o dobivenom signalu. Prilikom nestanka električne energije (napajanja elektromagneta), prestaje njihovo djelovanje i šipke pod utjecajem gravitacije upadaju u jezgru. Masa regulacijskog sklopa (control rod drive mechanism) je otprilike 100 kilograma, a vrijeme pada je otprilike dvije sekunde.
Sklopovi regulacijskih šipki dijele se na regulacijske i zaustavne. Zaustavne šipke osiguravaju sigurnu potkritičnost nuklearnog reaktora i nisu povezane s regulacijskim sustavom nuklearne elektrane, dok su regulacijske šipke povezane s automatskom regulacijom koja igra ulogu tijekom rada. Iako je u sve gorive elemente moguće umetnuti regulacijski sklop, kod tipičnih elektrana snaga 900 do 1500 MW na 160 do 200 gorivih elemenata dolazi tek 50 - 70 kontrolnih sklopova. U Krškome, koje ima 121 gorivi element, nalaze se tek 33 regulacijska i zaustavna sklopa. Kontrolne šipke ne djeluju nezavisno, već se povezuju u regulacijske skupine (banke), što je posebice bitno kod regulacijskih šipki (u Krškom 4 regulacijske banke), dok se zaustavne šipke pokreću samo prilikom pokretanja (izvlače) i gašenja reaktora (uvlače). Raspored regulacijskih sklopova simetričan je s obzirom na prostorni raspored elemenata u jezgri.

Dijelovi rashladne petlje

Parogenerator

Parogeneratori su u načelu izmjenjivači topline koji toplinsku energiju primarnog kruga prebacuju u sekundarni krug. Primarni fluid (primary coolant) predstavlja rashladni fluid reaktora čija su ulazna i izlazna temperatura približno jednaka izlaznoj i ulaznoj temperaturi reaktora, dok je sekundarni rashladni fluid (feedwater) voda koja struji sekundarnim krugom, u parogeneratoru izmjenjuje toplinu s primarnom vodom, isparava i u obliku zasićene pare izlazi iz parogeneratora. Temperaturna razlika između primarnog i sekundarnog fluida je mala, ali zato je površina prijelaza topline (4000 U-cijevi ukupne površine 4000 m2, na sl. lijevo pod br. 3 i 4). Cijevi su izrađene od legure Inconel 600 ili Incalloy 800, malenog promjera, malene debljine stijenke, u visinu oko 10 metara. Plašt parogeneratora (lower, middle, upper shell, transition cone) izrađen je od niskolegiranog čelika. Funkcionalne cjeline parogeneratora su ulazna i izlazna komora primarnog fluida (primary coolant inlet/outlet nozzle), cijevni snop (na sl. 3 i 4), isparivačka sekcija (na sl. pod 2) i parni prostor (u gornjem dijelu - upper shell). Primarni fluid struji kroz ulaznu komoru i cijevni snop te izlazi kroz donju komoru. Sekundarni fluid ulazi kroz cijev u gornjem dijelu (feedwater inlet nozzle), struji uz stijenku parogeneratora, isparava u dodiru s cijevnim snopom, prolazi kroz separator vlage (na sl. br. 2) i sušionik pare (na sl. br. 1.) kako bi kroz izlaz na vrhu parogeneratora prostrujao u vidu zasićene pare pri tlaku od 6 MPa, sa sadržajem vlage od svega 0,25%. Visina tipičnog parogeneratora u PWR reaktoru je 21 metar, donji dio je širok 3,5 m, gornji 4,5 m, a ukupna težina reaktorske komponente preko 300 tona.

Tlačnik

Tlačnik je reaktorska komponenta čiji je zadatak elastično održavanje tlaka u primarnom krugu, kompenzacija promjene volumena vode s temperaturom te održavanje razine vode u normalnom pogonu. Glavni dijelovi tlačnika su ubrizgavanje vode (na samom vrhu), sigurnosni i rasteretni ventil (na vrhu lijevo i desno), grijač (žuto u dnu tlačnika) te spoj na rashladnu petlju (cijev u dnu grijača). Tlačnik u osnovi radi kao električni bojler u kojem se do neke razine nalazi voda, a iznad nje vodena para. Prilikom porasta temperature i smanjenja gustoće primarne vode razina vode i tlak u tlačniku. Tlak se može smanjiti smanjenjem snage grijača ili ubrizgavanjem vode u tlačnik. U slučaju smanjenja temperature, pak dolazi do povećanja gustoće primarne vode i smanjenja razine vode u tlačniku, a samim time i tlaka, što dovodi do dodatnog ispravanja vode u tlačniku koje povećava tlak koji se dodatno može povećati pojačavanjem grijača. Volumen tlačnika varira između 40 i 60 m3, promjera je 2 do 2,5 metra i debljine stijenke 10 cm, dok je snaga grijača 1 do 2 MW, što čini poprilično jak bojler. :-)

Pumpa primarnog kruga

Maksimalana temperatura rashladnog sredstva u reaktoru je ograničena, a srednja temperatura nastoji biti što bliže, što je jedino moguće postići smanjenjem razlike u temperaturi rashladnog sredstva na ulazu i izlazu reaktora, što se postiže povećanjem protoka. Za protok je odgovorna pumpa primarnog kruga koja savladava otpor strujanja, a snaga potrebna da bi se ono ostvarilo proporcionalna je s kubom brzine strujanja (P ~ v³). Što je veća snaga pumpe to je i bolje termički stupanj djelovanja reaktora. Tipične pumpe primarnog kruga PWR reaktora su izvedene kao jednostupanjske centrifugalne s instaliranim protokom Q = 6 m³/s i snage približno 6 do 7 MW. Zbog specifičnih uvjeta rada postoje i posebni zahtjevi na njihovu izvedbu. Propuštanje rashladnog fluida kroz osovinu mora biti minimalno, budući da se primarna rashladna voda kontaminirana radioaktivnošću što se postiže brtvljenjem protutlakom (ubrizgavanjem nekontaminirane vode između motora i pumpe pod tlakom većim od vode primarnog (> 15 MPa), što spriječava prodor kontaminirane rashladne vode pored motora i osovine, dok se s druge strane njen prodor spriječava trima serijski postavljenim brtvama (br. 8, 9 i 17)). Drugi zahtjev je da se podmazivanje donjeg ležaja pumpe (br.7) realizira bez klasičnih maziva kako se ne bi kontaminirao rashladni fluid što je riješeno tako da je donji ležaj izveden od grafita s vodenim podmazivanjem. Zbog izrazite kompleksnosti pumpe, navest ću samo glavne dijelove: zamašnjak (br. 1), gornji ležaj pumpe (br.2), osovina i stator motora (br. 4 i 5), donji ležaj pumpe (br. 7), osovina pumpe (br.10), ulaz i izlaz primarnog hladioca (br. 13 i 12), hladnjak (br. 21) i rotor pumpe (br. 23).

Zaključak

Ovaj članak je tek uvod u ispit “Nuklearne elektrane” kojeg moram položiti za nešto malo više od tjedan dana, tek toliko da osjetite koliko je ovo područje zapravo kompleksno, a meni je poslužio za ponavljanje nekih osnovnih dijelova reaktorskog primarnog kruga. Stvari sam pokušao prezentirati maksimalno jednostavno i zdravorazumski kako bih i sebi olakšao ponavljanje.

Literatura

• Predavanja iz predmeta “Nuklearne elektrane” na FER-u, VIII. semestar
• Feretić, Čavlina, Debrecin - “Nuklearne elektrane”, Sveučilište u Zagrebu, 1995.

Picture credits

Notice: This is not a commercial webpage/weblog and I do not make money for writing articles here, I am only using this pictures for non-profit educational purpouses for promoting nuclear energy and informing people in Croatia on how the nuclear powerplants work. Every single picture used in this article is credited below, and in case of the copyright breach, please inform me so I could remove the picture from the article.

• Hong Kong Observatory - Nuclear Reactor and Primary Coolant System
• Mitsubishi Heavy Industry - Reactor Vessel and Internals
• Doo Jeong Lee, Kaeri Nuclear Training Center - Reactor Coolant System
• Wikipedia - Nuclear Fuel
• NDT.net, Joseph Samman - THE E’NDE AND THE STAKES OF EDF
• Mitsubishi Heavy Industry - High Performance Compact Steam Generator
• Nuclear Tourist - Reactor Cooling Systems (PWR/BWR) (courtesy of Westinghouse Inc.)

Povezani članci

• Zašto gradnja europskog nuklearnog reaktora (EPR) u Finskoj toliko kasni?
• Sve me nešto pitaju kako radi ta nuklearna elektrana?
• Greifswald - tragom najnesigurnije nuklearne elektrane u Europi
• Svjedočanstva Černobila (2) - Put u unutrašnjost sarkofaga
• Nuklearci na putovanju: NE Mochovce - Bratislava - Beč
• Svjedočanstva Černobila (1) - “Kronike okrutnih dana” Vladimira Ševčenka