Zmieniony: piątek, 30 lipca 2010 22:33

PHWR, CANDU/ACR

Najbardziej znanym przykładem reaktorów PHWR (Pressurized Heavy Water Reactor - ciśnieniowy reaktor ciężkowodny) jest opracowany w Kanadzie reaktor CANDU (ang. Canadian Deuterium Uranium). To reaktor, w którym rolę moderatora i chłodziwa pełni ciężka woda D₂O - z wyjątkiem wersji ACR (Advanced CANDU Reactor), gdzie chłodziwem jest zwykła woda.

Uproszczony schemat elekrowni jądrowej z reaktorem CANDU

Fot. 2. Elektrownia Jądrowa Embalse w Argentynie z blokiem CANDU-6 (fot. IAEA)

Typowe reaktory CANDU pracują w układzie dwuobiegowym, z ciśnieniowym obiegiem pierwotnym, podobnie jak reaktory PWR. Rdzeń znajduje się w dużym cylindrycznym, niskociśnieniowym zbiorniku stalowym zwanym kalandrią, wypełnionym ciężką wodą.

Przez zbiornik przechodzi kilkaset poziomych ciśnieniowych kanałów paliwowych, zawierających paliwo uranowe zanurzone w ciężkiej wodzie, która pełni tutaj funkcję czynnika chłodzącego. Chłodziwo, przepompowywane pod dużym ciśnieniem przez kanał, odbiera wytwarzane w paliwie ciepło i przenosi je poza rdzeń do wytwornic pary. Tam ciepło to jest oddawane do drugiego obiegu (wtórnego), zawierającego zwykłą (lekką) wodę. Zarówno konstrukcja wytwornic pary, jak i wyposażenie obiegu wtórnego są podobne do stosowanych w reaktorach PWR.

Reaktor typu CANDU może być zasilany uranem naturalnym co pozwala uniknąć kosztownego procesu wzbogacania uranu.

Fot. 3. Elektrownia jądrowa Pickering w Ontario w Kanadzie, 8 reaktorów CANDU-6 (fot. Ontario Power Generation)

Niestety to udogodnienie okupione jest koniecznością użycia ciężkiej wody (woda w której wodór zastąpiony jest deuterem) gdyż ma ona niższy przekrój czynny na pochłanianie neutronów niż zwykła woda. Koszty uzyskania ciężkiej wody zmniejszają oszczędności związane z pominięciem wzbogacania paliwa, ale po uruchomieniu elektrowni ciężką wodę odzyskuje się z przecieków i uzupełnia straty, co jest juz dużo tańsze. Poza tym ciężka woda jest gorszym moderatorem niż woda lekka. Wymusza to użycie większych ilości moderatora. Dlatego reaktory CANDU posiadają kilkukrotnie większe rdzenie niż reaktory lekkowodne, a stosunek ilości moderatora do ilości paliwa w reaktorach typu CANDU jest 5-8 razy większy niż w reaktorach lekkowodnych. W najnowszej wersji reaktora CANDU – ACR – paliwo jest bardziej wzbogacone (2,2%), a reaktor jest chłodzony lekką wodą, co zmniejsza wymiary rdzenia i poprawia wypalenie w kWh/kg UO₂.

Fot. 4. Wiązka paliwowa do reaktora CANDU

Paliwo ma postać pastylek ceramicznych, formowanych z dwutlenku uranu, zamkniętych szczelnie w koszulkach ze stopu cyrkonu. Pręty paliwowe łączone są w wiązki zawierające po kilkadziesiąt prętów. Wiązki prętów paliwowych są ładowane stopniowo coraz głębiej do kanałów paliwowych z obu stron rdzenia (dla wyrównania nierównomierności w wypalaniu paliwa), a usuwane z przeciwnych końców kanałów po drugiej stronie rdzenia. Załadunek i wyładunek odbywa się za pomocą maszyny przeładowczej. Każdy kanał zawiera dwanaście wiązek prętów ułożonych jedna za drugą. Załadunek i wyładunek paliwa odbywa się w sposób ciągły podczas normalnej pracy reaktora (średnio codziennie wymienia się 15 wiązek paliwa). Ciągła wymiana paliwa ma liczne zalety:

• znosi konieczność okresowego wyłączenia reaktora w celu wymiany zestawów paliwowych co ma miejsce w innych typach elektrowni jądrowych (teoretycznie reaktor mógłby pracować w ten sposób w nieskończoność)
• umożliwia to bardzo elastyczne planowanie przeglądów
• umożliwia natychmiastowe usuwanie uszkodzonej wiązki paliwowej (w reaktorach PWR konieczne jest w tym przypadku wyłączenie reaktora)
• powoduje minimalną nadwyżkę reaktywnosci rdzenia w kazdej chwili pracy reaktora - w przeciwieństwie do PWR, gdzie po naładowaniu swieżego paliwa i przeładowaniu starego istnieje ogromna nadwyżka reaktywnosci rdzenia, którą trzeba zniwelować ogromną iloscią trucizny neutronowej (kwasu borowego, który jest środkiem silnie korozyjnym)
• dzięki temu że wiązki paliwa wymieniane są w sposób ciągły można umieszczać w nich pierwiastki nierozszczepialne w celu napromieniowania neutronami i otrzymania nowych izotopów promieniotwórczych dla celów medycznych i przemysłowych (dlatego też Kanada jest jednym z największych na świecie producentów sztucznych źródeł promieniowania)
• umożliwia "dopalanie" zużytego paliwa z PWR/BWR
• umożliwia zastosowanie paliwa z domieszką toru
• inne zalety to modularność, prostota (malutkie kanały paliwowe, proste wiązki paliwowe), możliwość lokanej produkcji (np. wytwarzanie paliwa jądrowego w tym samym kraju, przykład Rumunii)

Istnieje kilka wersji reaktorów CANDU budowanych obecnie:

1. CANDU-6 o mocy 728 MWe (brutto), poszczególne bloki różnią się w zależności od stopnia modernizacji.
2. CANDU EC-6 o mocy 740 MWe (brutto), reaktor III generacji, ulepszona wersja CANDU-6.
3. CANDU-9 o mocy 936 MWe (brutto) – większa wersja CANDU-6, od której różni się głównie większą liczbą kanałów i wiązek paliwowych, urządzeń sterujących i bezpieczeństwa oraz większym zbiornikiem - kalandrią, a co za tym idzie - większą mocą.
4. ACR-1000 (Advanced Candu Reactor), reaktor generacji III+