Zmieniony: piątek, 30 lipca 2010 23:38

CANDU 6 (CANada Deuterium Uranium)

Blok CANDU-6 w elektrowni jądrowej Point Lepreau w Kanadzie (fot. AECL)

 

1. Wstęp.

Montaż kanałów paliwowych w reaktorze CANDU (fot. AECL)

Reaktor CANDU jest ciężkowodnym reaktorem kanałowym w którym rolę moderatora pełni ciężka woda- D₂O. Pierwsze reaktory tego typu zostały zaprojektowane we wczesnych latach pięćdziesiątych przez Kanadyjską korporację AECL.

Rdzeń reaktora CANDU składa się z cylindrycznego zbiornika stalowego o orientacji poziomej, tzw. Caladrii, przez który równolegle do jego osi przechodzą kanały ciśnieniowe, wewnątrz których znajdują się elementy paliwowe. Dzięki zastosowaniu ciężkiej wody jako moderatora możliwe jest stosowanie jako paliwa uranu naturalnego. Sama Caladria wypełniona jest również ciężką wodą znajdującą się pod ciśnieniem atmosferycznym lub ewentualnie pod niewielkim nadciśnieniem.

 

Fotografia obok przedstawia front reaktora w czasie budowy.

 

 

W kanałach paliwowych utrzymywane są z reguły następujące parametry czynnika:

• Temperatura na:

-dolocie 250^oC

-wylocie 295^oC

• Ciśnienie: 11,6 [MPa]

Przekrój kalandrii (fot. AECL). Kliknij by powiększyć

Jako że ze względów ekonomicznych, właściwym okazuje się dążenie do jak najwyższej temperatury czynnika roboczego, konieczne staje się zwiększanie ciśnienia panującego w kanałach paliwowych aby zapobiec wrzeniu. Jest to w tym przypadku ciśnienie równe w przybliżeniu 115 atmosferom.

2. Układ gospodarki paliwem.

Ogromną zaletą reaktorów tej konstrukcji jest możliwość wymiany paliwa w czasie ich pracy, niezależnie od aktualnego poziomu mocy i obciążenia reaktora. Dokonuje się tego za pomocą w pełni zautomatyzowanego systemu, który również zapewnia transport wypalonego paliwa do basenu przechowawczego.

Zdjęcie obok przedstawia maszynę przeładunku paliwowa skierowaną do rdzenia.

Baseny przechowawcze mogą pomieścić wypalone paliwo nawet z 7 lat pracy rektora. Po spędzeniu pewnego czasu w basenach przechowawczych (zwykle 5-10 lat) paliwo jest transportowane w specjalnych pojemnikach transportowych do składowiska tymczasowego, gdzie trzymane są do 100 lat w pojemnikach typu CASTOR. Dla reaktorów CANDU nie praktykuje się obecnie przerobu wypalonego paliwa, jednak możliwość ta jest rozważana przez niektóre kraje eksploatujące te reaktory.

Maszyna przeładunku paliwa reaktora CANDU (fot. AECL)

Reaktory CANDU cechuje zdolność do pracy z różnymi rodzajami paliwa, co zilustrowano na poniższym rysunku przedstawiającym przykładowy cykl paliwowy CANDU.

Schemat cyklu paliwowego CANDU (fot. AECL)

Zatem reaktory tego typu pracujące z reguły z uranem naturalnym, mogą pracować także z paliwem typu MOX (Mixed OXides fuel- paliwo będące kompozycją tlenku uranu UO₂ i plutonu PO₂) pochodzącego z przerobu wypalonego paliwa pochodzącego z reaktorów lekkowodnych. W przypadku reaktora CANDU możliwe jest także zastosowanie go do tzw. „spalania aktynowców” oraz pracy w cyklu torowym. W marcu 2010 roku w elektrowni Qinshan Phase III unit ... w Chinach, rozpoczęto testy zestawów paliwowych zawierających uran odzyskany z wypalonego paliwa pochodzącego z reaktorów lekkowodnych tzw. NUE (Natural Uranium Equivalent- równoważnik uranu naturalnego).

3. System transportu ciepła.

System ten za pomocą tzw. pomp cyrkulacyjnych wymusza przepływ ciężkiej wody przez kanały paliwowe w celu ich chłodzenia oraz odbioru ciepła generowanego podczas reakcji rozszczepienia. Ciepło to ciężka woda oddaje w przeciwprądowych, płaszczoworurowych, wymiennikach ciepła zwanych wytwornicami pary (steam generators). W wytwornicach pary następuje odparowanie wody lekkiej, znajdującej się pod niższym ciśnieniem niż ciężka woda w obiegu pierwotnym.

Wytwornica pary dla bloku CANDU-6 o mocy 700 MWe (fot. AECL)

Proces wymiany ciepła przedstawia się następująco:

Ciężka woda wpływając króćcem dolotowym (oznaczonym jako D₂O Inlet na rysunku) i przepływając rurami omywanymi z zewnątrz lekką wodą oddaje im swoją energię termiczną. Ostatnią sekcją w wytwornicy pary jest tzw. podgrzewacz wody zasilającej. Następnie ciężka woda opuszcza układ i poprzez układy usuwania zanieczyszczeń trafia znów do rdzenia. Lekka woda natomiast trafiając do wytwornicy pary poprzez króciec dolotowy wody zasilającej (Feedwater Inlet Nozzle) trafia na wyżej wspomniany podgrzewacz wody zasilającej, w którym to doprowadzana jest do stanu bliskiego wrzeniu, później kierowana na pozostałe sekcje wymiennika odbiera od nich ciepło, ogrzewa się i jest wypierana na powierzchnię gdzie ulega odparowaniu. Tak uzyskaną „parę” nazywamy mieszaniną parowo-wodną ze względu na zawartość kropel wody zawartych w parze wynoszącą ok. 10%. Kluczowym ze względu na pracę zespołów turbinowych jest usunięcie jak największej ilości wody z pary, aby nie dopuścić do jej korozyjnego i erozyjnego oddziaływania na łopatki turbinowe oraz na negatywny wpływ na sprawność wewnętrzną stopni turbinowych. Dokonuje się tego w urządzeniach zwanych cyklonami, w których najczęściej stosuję się kilkukrotne, gwałtowne zmiany kierunku przepływu mieszaniny parowo-wodnej skutkiem czego, za pomocą siły odśrodkowej, następuje oddzielenie fazy ciekłej i gazowej. Na króćcu wylotowym pary otrzymuje się zawartości wody w parze na poziomie nawet 0,01% czyli stopni suchości x=0,99.

4. Część konwencjonalna siłowni (ang. Conventional Island).

Terminem część konwencjonalna określa się często zespół współpracujących ze sobą, za pomocą wspólnego wału maszynowego, turbin parowych i generatora oraz skraplacza turbinowego i systemu regeneracji lekkowodnego czynnika roboczego.

Turbina elektrowni CANDU-6 jest jednostką składającą się z jednej, dwustrumieniowej części wysokoprężnej oraz trzech dwustrumieniowych części niskoprężnych. Część wysokoprężna od niskoprężnych oddzielona jest za pomocą dwóch separatorów pary zintegrowanych z przegrzewaczami parą świeżą (pochodzącą bezpośrednio z wymiennika ciepła). Takie rozwiązanie przedłuża znacznie linię ekspansji pary oraz poprawia warunki pracy pierwszych stopni turbin niskoprężnych, pracujących dzięki temu w obszarze pary przegrzanej.

Generator jest jednostką o mocy 828 MVA chłodzoną wodorem pod ciśnieniem. Przy prędkości obrotowej 1800 obr./min., zastosowane dwie pary biegunów magnetycznych skutkują częstotliwością napięcia wyjściowego równą 60 Hz (standardową m.in. w Kanadzie, USA i Japonii). Nominalne napięcie wyjściowe generatora to 22kV.

5. Systemy zapewniające bezpieczeństwo eksploatacji.

Systemy bezpieczeństwa siłowni CANDU są tak projektowane aby zapobiegać wszelkim możliwym niebezpiecznym sytuacjom, uwzględniając przy tym zawodność aparatury kontrolno-pomiarowej, możliwe błędy eksploatacyjne spowodowane przez personel czy nawet niebezpieczne zdarzenia zewnętrzne takie jak trzęsienia ziemi czy tornada.

Bezpieczeństwo eksploatacji elektrowni zapewniane jest przez:

a.) System barier fizycznych zatrzymujących produkty rozszczepienia wewnątrz obiektu elektrowni nawet w przypadku ciężkich awarii.

b.) Filozofie projektowania i konstrukcji siłowni podczas których zapewnia się wysoką jakość stosowanych materiałów i wbudowane cechy bezpieczeństwa (taki dobór materiałów i geometrii rdzenia aby wszelkie nieprzewidziane zmiany i sytuacje powodowały obniżenie mocy lub wyłączenie reaktora).

c.) Systemy kontroli i bezpieczeństwa pracujące podczas normalnej pracy reaktora, zapewniające stabilną pracę reaktora oraz jego wyłączenie we wszelkich nieprzewidzianych sytuacjach a także odbiór ciepła powyłączeniowego.

d.) Specjalne systemy bezpieczeństwa (pracujące tylko w przypadkach awaryjnych). Należą do nich:

-System wyłączenia reaktora nr 1 (SDS1), składający się z prętów absorbujących neutrony, które w razie sytuacji awaryjnej z dużą prędkością spadają do rdzenia i zatrzymują reakcję rozszczepienia w ciągu kilku sekund.

-System wyłączenia reaktora nr 2 (SDS2), który w razie sytuacji awaryjnej wstrzykuje do zbiornika Caladrii ciecz zawierającą absorbent neutronów (najczęściej kwas borowy), który pochłaniając neutrony powoduje zatrzymanie reakcji rozszczepienia.

-System awaryjnego chłodzenia rdzenia (ECC), zapobiegający przegrzaniu elementów paliwowych w najgorszym możliwym scenariuszu, tj utracie chłodziwa (awaria typu LOCA).

- obudowa bezpieczeństwa (containment), otaczająca cały reaktor, budowana jest jako niezwykle wytrzymały, odporny na trzęsienia ziemi czy nawet uderzenia samolotu budynek. Jest ona ostatnią barierą bezpieczeństwa odpowiedzialną za utrzymanie produktów rozszczepienia wewnątrz w przypadku gdy zawiodą wszystkie pozostałe systemy.

 

 

Autor: Mariusz Przybylski

 

Bibliografia:

1. CANDU 6 Technical Sumary, Prepared by CANDU 6 Program Team Reactor Development Business Unit June 2005.
2. Podstawy Energetyki Jądrowej, Z. Celiński, A. Strupczewski, WNT 1984.
3. http://www.aecl.ca/