Den trykkvannsreaktor (PWR akronym), også kalt vanntrykkreaktor eller PWR trykkvannsreaktor på engelsk, er atomreaktorsystemet mest vanlig i verden:Januar 2021To tredjedeler av de 444 kjernekraftreaktorer i drift i verden er PWR-teknologi, som er atomskip og ubåter .
Denne reaktoren består av tre kretser, som gjør det mulig å bruke energien som tilføres ved splittelsen av uranatomene som er inneholdt i sin "kjernekjerne".
I den primære kretsen bruker PWR vann som varmeoverføringsvæske og til å fungere som moderator , som klassifiserer dem i familien av lette vannreaktorer . Dette primære vannet - som kjøler reaktorkjernen - opprettholdes under høyt trykk (rundt 150 bar ) for å forbli i flytende form.
Den vann i sekundærkretsen fordampes ved nivået av dampgeneratorene - noe som ikke er tilfelle i kokende vann-reaktorer (BWR) der det er bare én krets.
De 56 franske produserende reaktorene er PWR-er. Dette er en teknologi av amerikansk opprinnelse utviklet av Westinghouse , Frankrike som frem til 1969 stolte på en annen teknologi, UNGG . Sistnevnte ble forlatt på grunn av lønnsomhet og sikkerhet etter starten av en kjernesmelting ved kjernekraftverket Saint-Laurent .
Den kjernebrensel av en PWR er svakt anriket uran oksyd : Andelen av fissilt U-235 -isotopen varierer fra 3 til 5%, avhengig av landet. Drivstoffet er i form av omtrent 272 små pellets (h = 1,35 cm ) stablet og holdt i zirkaloyskeder kalt stenger (h = 3,75 m ), under trykk med helium. 264 drivstoffstenger er anordnet i form av samlinger hvis mekaniske styrke er sikret av nett. Avhengig av PWR-modellene blir mellom 120 og 250 enheter lastet inn i reaktorbeholderen.
I den primære kretsen, vann (kalt lett vann , i motsetning til tungt vann D 2 O) under trykk er ansvarlig for å gjenvinne varmen som produseres av hjertet: det er dette varmeoverføringsfluidet som sirkulerer i samlingene mellom stengene der kjedereaksjonen finner sted. Produktene fra kjernefysiske reaksjoner ( fisjon og transuranprodukter ) er begrenset med uranoksydet inne i kappen på stengene for å forhindre spredning og forurensning av den primære kretsen.
Primærkretsvannet fungerer også som moderator: det har evnen til å bremse eller varme opp nøytroner for fisjon .
Som en hvilken som helst type termisk reaktor (kjernefysisk eller flamme), blir en PWR avkjølt av en stor strøm av kaldt vann pumpet fra en elv eller havet som utgjør den kalde kilden til den termodynamiske syklusen. De fleste reaktorer avkjølt fra elvvann er utstyrt med et kjøletårn som er beregnet på å fjerne varme fra den tertiære kjølekretsen til turbinkondensatorene.
Trykkvannsreaktoren (PWR) er en teknologi født i USA, som først ble brukt til fremdrift av ubåter . De første kjernekraftverkene som brukte denne typen reaktorer ble designet i USA av Westinghouse .
De første PWR-anleggene i Europa ble bygget under en Westinghouse-lisens av franskmenn og vesttyskere, før designen deres ble gradvis fransk.
Den siste utviklingen av europeiske PWR er EPR, eller europeisk reaktor under trykk . Den på Westinghouse er AP1000-reaktoren .
Russerne på sin side utformet en variant av den vann-modererende, kjølevæske-reaktoren kjent som VVER-reaktoren .
I Januar 2021antall PWR-reaktorer i drift i verden utgjør 302, dvs. to tredjedeler av de 444 reaktorene til all teknologi; deres installerte kapasitet nådde 287 GW , eller 72,8% av verdens totalt, inkludert de 56 reaktorene i Frankrike.
I en vannreaktor under trykk sikres reaksjonskontroll på kort sikt ved å sette inn eller trekke ut kontrollstenger i drivstoffsenhetene, og på mellomlang sikt ved å variere borkonsentrasjonen i vannet i den primære kretsen .
De typiske driftsparametrene for det primære kretsvannet som er gitt i tilfelle av 1.450 MWe N4-serien , den siste av de franske reaktorene, er som følger:
Ved utløpet av dampgeneratorene har den sekundære vanndampen følgende gjennomsnittlige egenskaper:
Vanndampen med høyt trykk utvides i turbinens høytrykkslegeme (HP), deretter overopphetes før den fortsetter å ekspandere i lavtrykkslegemene (LP). Turbinen driver en generator som produserer strøm .
Den samlede effektiviteten ved å konvertere varme til elektrisitet er omtrent 35,1% for N4-lageret og 33% for tidligere modeller.
Ved turbinens utløp passerer vanndampen gjennom en kondensator for å komme tilbake til flytende tilstand, for deretter å trekke ut visse ikke-kondenserbare gasser (for eksempel oksygen ) fra vannet. Dette vannet varmes deretter opp før det returneres til dampgeneratorene.
I de fleste elve- eller elvekraftverk overføres varmen fra vannet i sekundærkretsen til en tertiær krets, hovedsakelig bestående av et kjøletårn , der vannet fordeles i fine dråper, som på den ene siden tillater en god utveksling mellom vann og luft og bringer derfor vannet til en temperatur nær den omgivende luftens (se fuktig temperatur ) og på den annen side metter vannstrømmen med vanndamp. luft som strømmer fra bunnen til toppen i tårnet. En del av vannstrømmen fordamper i tårnet, (omtrent 500 til 1000 L / s avhengig av klimatiske forhold for øyeblikket, dvs. en massestrøm i en rekkefølge som kan sammenlignes med dampstrømmen produsert av dampgeneratorene til kontrollenheten) resten faller som regn i bassenget under tårnet der det pumpes og kommer tilbake for å avkjøle kondensatoren. Det fordampede vannet erstattes av vann som kommer fra elven eller elven. Tertiært vann som brukes til å kjøle ned kondensatorene til kraftverkets turbiner, pumpes oppstrøms kjøletårnet i elven eller elven.
Noen reaktorer blir avkjølt ved å trekke vann og tømme det direkte ut i en elv eller en elv , noe som betydelig øker temperaturen i disse elvene, noe som i varme perioder og / eller lav strøm av disse elvene kan føre til at operatøren senker kraftnivået, eller til og med for å stoppe dem.
Det er heller ingen luftkjøling for reaktorer avkjølt av sjøvann som øker temperaturen i det minste lokalt ved avvisning av 10 ° C omtrent.
Når det gjelder trykkvannsreaktoren, kan riktig valg av driftsforhold (temperatur for moderator og drivstoff) og av geometrien til nettverket i kjernen (detaljert tegning av drivstoff og moderatorkanaler) føre til selv- drift. stabil reaktor.
Eksempel: Reaktoren var i utgangspunktet i stabil drift ved 100% effekt, en reduksjon til 50% av kraften som turbinen krever, skjer ganske raskt (noen få minutter). Det resulterer i en reduksjon i den sekundære dampstrømmen som forårsaker en økning i den primære utløpstemperaturen til dampgeneratorene som forårsaker en økning i temperaturen til vannet i kjernen. Reduksjonen i reaktivitet forårsaket av økningen i temperaturen til moderatoren fører til en reduksjon i kraften til reaktoren. Primærflyten forblir konstant. Etter noen minutter oppnås en ny stabil tilstand:
Eksempel på en selvregulert forbigående kraft
|
med:
Tvap = damptemperatur
h = konstant
W = effekt
derav h = 4,444% / ° C
° C
I dette eksemplet oppnås effektreduksjonen fra 100% til 50% på bekostning av en økning i den gjennomsnittlige primære temperaturen på 11,7 ° C ved selvregulering av reaktoren uten noen manøvre av reaktivitetskontrollabsorbentene eller av endring av primæren. strømme. Utløpstemperaturen til hjertet er nesten uendret. Damptrykket økes med omtrent 28 bar. Ekspansjonen av primærvannet fører til at vann kommer inn i trykkgiveren.
I praksis gjør en handling på kontrollstengene det mulig å respektere det primære temperaturprogrammet (vanligvis litt økende med kraften) som unngår en overdreven økning i det sekundære damptrykket, begrenser vanninngangen til trykkapparatet og oppvarmingen. av tankens innløpstemperatur, men det kan tenkes at siden den naturlige reaksjonen fra reaktoren alene gjør det mulig å regulere kraften, blir operatørenes eller automatismenes virkning derved lettere.
Den eneste spaltbart materiale er antatt å være 235 U. Tallene som er oppgitt er størrelsesordener. 100 fisjoner av uran 235 frigjør i gjennomsnitt 250 nøytroner , noe som gir opphav til følgende reaksjoner:
Til enhver tid må kjedereaksjonen bringes under kontroll for å kunne kontrollere reaktorens kraft. Reaktorens termiske effekt produseres hovedsakelig ved spalting av de spaltbare drivstoffatomer (ca. 90%). Den andre delen frigjøres av radioaktive fisjonsprodukter (mindre enn 10%), som avgir varme og stråling når de går tilbake til en stabil tilstand.
Nedbrytningstiden til fisjonsproduktene kan ikke endres. Kraften til reaktoren blir derfor modifisert ved å øke eller redusere antall nøytroner som deltar i kjedereaksjonen. For å gjøre dette brukes to fysiske fenomener: moderering og fangst.
Fangst kan utføres ved å tilsette borsyre i vannet i primærkretsen. Ved å fange nøytronene som følge av forfallene, forhindres de i å opprettholde kjedereaksjonen ( nøytrongift ). Kontrollstengene, også nøytronabsorberende, kan settes inn eller trekkes ut i reaktoren for å fange opp mer eller mindre nøytroner. En automatisk avstengning av reaktoren er forårsaket av fallet av disse kontrollstavene.
Tilsetningen av borsyre til primærkretsen er relativt langsom (15 minutter) og tjener til å kompensere for langsomme fenomener, som for eksempel Xenon / Samarium-forgiftning eller drivstoffslitasje. Kontrollstenger (eller klynger) brukes til å justere kraften i hjertet under raskere transienter. Innføring av klyngene har den negative effekten at den forårsaker en betydelig deformasjon av strømmen (fordelingen av kraften til reaktoren som en funksjon av høyden).
For at kjedereaksjonen skal skje i en PWR-reaktor, er det nødvendig å termalisere nøytronene ved å bremse dem ned. Den modererende kraften til vann avhenger av temperaturen. Så innenfor en viss grense kan effekten endres ved å endre temperaturen.
Primære pumper og løkkerPrimære pumper er meget høy strøm Helico-sentrifugale pumper (nesten 7 MWe per pumpe) utvikler et hode på ca. 100 m ved nominell strømnings (rundt 24 000 m 3 / h ). 24.500 m 3 / t og 106 m manometrisk hode for lager N4. Dette er "utstoppede" pumper, siden motoreffekten er for høy til å tåle en våt rotor, fullforseglet design. Primære pumper har vanligvis en hastighet (rotasjon avhenger av nettverksfrekvensen i tilfelle en synkron motor ). Denne høye effekten brukes imidlertid til å varme opp primærkretsen fra kaldstenging til de foreskrevne divergensforholdene oppnås. De viktigste primærpumpene er utstyrt med et svinghjul beregnet på å moderere reduksjonen i strømningshastighet i tilfelle et elektrisk strømbrudd til pumpen, og gir dermed tiden som trengs for absorbentenes fall for å stoppe kjedereaksjonen. I tilfelle total stenging av primærpumpene sikres vannsirkulasjonen av temperaturforskjellen (og dermed tettheten) mellom den varme grenen, oppvarmet av kjernen og den kalde grenen, avkjølt av dampgeneratorene. Denne termosifonoperasjonen garanterer kjernekjøling i tilfelle feil på alle primærpumpene.
Primærsløyfene er rør med stor diameter (nesten 0,75 m ) og en tykkelse på rundt 7 cm som ikke viser mye fleksibilitet; utformingen av festene til dampgeneratorene og primærpumpene tåler utvidelse av løkkene.
DampgeneratorerDampgeneratorer er ofte fordampere med vertikale U-rør og resirkulering som produserer tørr mettet damp takket være et tørkeseparasjonstrinn i øvre del. Imidlertid er dampgeneratorer av Babcok- type rette rør og enkeltgang, og generatorene til russiske VVER- kraftverk har en horisontal akse, et gunstig arrangement fra jordskjelvmotstand.
PressurizerTrykkgiveren utgjør ekspansjonskaret til primærkretsen, som kompenserer for utvidelsen av vannet på grunn av dens termiske ekspansjon , og sørger for kontroll av trykket på 155 bar i primærkretsen. Vannets temperatur i trykkbeholderen opprettholdes på 345,80 ° C takket være en serie elektriske varmestenger plassert i den nedre delen (som vanlige varmtvannsberedere). Den er koblet til en varm sløyfe i primærkretsen. Den bærer også den primære kretsen sikkerhetsventiler .
En PWR er utstyrt med mange kretser beregnet på å utføre flere tilleggsfunksjoner som hovedfunksjonen for å utvinne varme fra kjernen og overføre den til dampgeneratorene. Disse kretsene er utpekt av grupper på tre bokstaver. De presenteres av kategoriene nedenfor.
KjølekretserVolumetrisk og kjemisk kontrollkrets (RCV); denne kretsen sørger spesielt for:
Ulike nivåer og moduser for redundans er blitt brukt over tid på kretsene og andre tilleggsfunksjoner, vel vitende om at i PWRer i drift i Frankrike er antall sikkerhetskøer på forhånd lik antall sløyfer (sikkerhetslinjene flyter faktisk tilbake til den kalde grenen nedstrøms fra primærpumpene, så med mindre det er spesielle bestemmelser, er det like mange sikkerhetsinjeksjonslinjer som det er sløyfer, men for eksempel kan det være to injeksjonspumper parallelt for samme funksjon på en linje).
I all sin allmenhet er problemet med permitteringer derfor komplisert. For å illustrere spørsmålet som eksempel: i visse tilfeller er de 4 injeksjonslinjene for visse prosjekter ikke dimensjonert for å sikre 100% av funksjonen, og vi snakker for eksempel om en redundans 4 ganger 50% for å sammenligne med en organisasjon ved 3 ganger 100%.
Vi viser oss derfor først et overordnet design basert på:
Under drift kan trykkvannsreaktoren være i en av følgende situasjoner:
De komparative egenskapene til de fire typene reaktorer som opereres i Frankrike er gitt i tabellen nedenfor.
Seksjon | Indikator | Enhet | 900 MWe | 1.300 MWe | 1450 MWe | EPJ |
---|---|---|---|---|---|---|
Makt | Netto elektrisk kraft | MW | 915 | 1320 | 1.450 | 1600 |
Brutto elektrisk kraft | MW | 965 | 1370 | 1.530 | 1700 | |
Nominell termisk kraft | MWt | 2,785 | 3,817 | 4.250 | 4.324 | |
Utbytte | % | 31,6 til 33,1 | 34,1 til 35 | 35,7 til 35,9 | 37 | |
Rotasjonshastighet for turbogeneratorsettet | rpm | 1500 | 1500 | 1500 | 1500 | |
Innkapsling | Type | enkel | dobbelt | dobbelt | dobbelt | |
Innvendig kapsling: forspent betong | Forspent betong | Forspent betong | Forspent betong | Forspent betong | ||
Tetter hud | med | uten | uten | med | ||
Innvendig diameter | m | 37 | 47.8 | 43.8 | 48 | |
Innvendig høyde i sentrum | m | 55,88 | 55,56 | 57,48 | 48 | |
veggtykkelse | m | 0,9 | 1.2 | 1.2 | 1.3 | |
Totalt bruttonasjonalvolum | m 3 | 58.000 | 83.700 | 86.000 | 90.000 | |
Utvendig kapsling: armert betong | Armert betong | Armert betong | Armert betong | |||
veggtykkelse | m | 0,55 | 0,55 | 1.3 | ||
Primær krets | Arbeids press | MPa | 15.5 | 15.5 | 15.5 | 15.5 |
Vanntemperatur ved innløpet til tanken | ° C | 286 | 292,8 | 292.2 | 295,6 | |
Vanntemperatur ved utløpet av tanken | ° C | 323.2 | 328,7 | 329,6 | 330,2 | |
Antall løkker | 3 | 4 | 4 | 4 | ||
Primær kretsvolum (med trykkvern) | m 3 | 271 | 399 | 406 | 460 | |
Tank | Innvendig diameter | mm | 4,003 | 4 394 | 4,486 | 4 885 |
Total høyde | m | 13.2 | 13.6 | 13.645 | 13.105 | |
Veggtykkelse på hjerte nivå | mm | 200 | 220 | 225 | 250 | |
Materiell stål | 16MND5 | 16MND5 | 16MND5 | 16MND5 | ||
Total tom masse | t | 332 | 435 | 462 | 520 | |
Damp-generator | Nummer | 3 | 4 | 4 | 4 | |
Damptrykk ved full belastning | bar abs | 58 | 64.8 | 72.8 | 77.4 | |
GV utløpstemperatur | ° C | 273 | 281 | 288 | 293 | |
Dampstrøm per storseil | t / t | 1.820 | 1.909 | 2164 | 2 197 | |
Bytt overflate | m 2 | 4 746 | 6,940 | 7,308 | 7 960 | |
Total høyde | m | 20.6 | 22.3 | 21.9 | 24.2 | |
Total masse (uten vann) | t | 302 | 438 | 421 | ||
Hjerte | Drivstoff: UO 2 sylindriske pellets | |||||
Aktiv høyde på blyanter | mm | 3,660 | 4,270 | 4,270 | 4200 | |
Pellets diameter | mm | 8.2 | 8.2 | 8.2 | 8.2 | |
Utvendig diameter på stengene | mm | 9.5 | 9.5 | 9.5 | 9.5 | |
Blyanter som kapper materialer | Zirkaloy | Zirkaloy | Zirkaloy | M5 | ||
Antall blyanter per samling | 264 | 264 | 264 | 265 | ||
Antall drivstoffsenheter i kjernen | 157 | 193 | 205 | 241 | ||
Gjennomsnittlig lineær effekt ved nominell effekt | B / cm | 178 | 170,5 | 179,6 | 155 | |
Reaktivitetskontroll | Antall kontrollklynger | 57 | 65 | 73 | 89 | |
Absorberende materiale | Ag.In.Cd | Ag.In.Cd og B4C hybridklynger | ||||
Primærpumpe | Nominell strømning per pumpe | m 3 / t | 21 250 | 23.325 | 24.500 | 27 195 |
Hot-mate kraft | kW | 5400 | 5.910 | 6600 | 8.000 | |
Total manometrisk høyde | m | 90,7 | 96.6 | 106 til 190,2 | 98.1 |
Et atomkraftverk utstyrt med PWR er organisert rundt flere bygninger, hvorav de viktigste er beskrevet nedenfor.
Innkapslingen, dannet av en dobbel betongvegg for 1300 og 1450 MWe-reaktorene, og av en enkelt betongvegg dekket av en metallhud på sin indre overflate for 900 MWe-reaktorene, deltar i inneslutningen av materialer. Radioaktiv. Som sådan blir det ofte referert til som den tredje inneslutningsbarrieren ; drivstoffkledningen (zirkaloy) og foringsrøret til den primære kretsen (stål) utgjør henholdsvis den første og den andre barrieren.
Festet til reaktorbygningen fungerer drivstoffbygningen hovedsakelig som tilgangsluftslås for drivstoffet.
Hoveddelen av denne bygningen er deaktiveringsbassenget . I sistnevnte lagres det brukte drivstoffet før det kastes. En regel er å la det som skjer alltid være nok plass i dette bassenget til å lagre alt drivstoff som kjernen inneholder (i tilfelle en hendelse eller ulykke).
Vannet i bassenget inneholder 2500 ppm av borsyre , for å fortsette å nøytralisere de nøytroner som utsendes av kjernene i spaltbare elementer, men som er for få til å opprettholde kjernefisjon. I tillegg plasseres hvert drivstoffelement i en celle, og avstanden mellom dem hindrer å oppnå en kritisk masse. Kjedereaksjonen kan derfor ikke starte på nytt i et svømmebasseng.
BAN er alltid festet til reaktorbygningen og drivstoffbygningen, og inneholder alle kretsene som er nyttige for drift av reaktoren (kjemi av det behandlede vannet, etc.) eller for behandling av de forskjellige utløpene som kan inneholde radioaktive produkter. Denne bygningen er derfor en kontrollert sone fra synspunkt av radioaktivitet (dynamisk tetting, filtrert ventilasjon, etc. ).
Denne bygningen inneholder også reservesystemer som brukes i tilfelle en hendelse eller ulykke (for 900 MW-enheter ).
For 900 MWe kraftverk deles denne bygningen av to enheter.
Denne bygningen inneholder alt elektrisk utstyr som er nødvendig for at en enhet og reserveapparatet skal fungere riktig.
Denne bygningen huser også hovedkontrollrommet, samt et reservepanel, som gjør at enheten kan stenges trygt hvis kontrollrommet ikke er tilgjengelig.
For 900 MWe kraftverk deles denne bygningen av to enheter. For trinnene P4, P'4 (1300 MWe ) og N4 (1450 MWe ) er det en bygning per seksjon.
Maskinrommet inneholder hele sekundærkretsen til enheten (turbinen, kondensatoren, varmerne, pumpene osv. ), Samt tilleggsutstyr (turbinsmøring osv. ).
For anlegg på 900 MWe med landing CP0 og CP1 deles maskinrommet av to tranjer; på den annen side er maskinrommet atskilt for CP2 kjernekraftverk (tilfelle Chinon , Cruas og Saint-Laurent ).
Denne bygningen eksisterer bare for 1.300 MWe (P4 og P'4) og 1.450 MWe (N4) trinn . Backupkretsene som brukes i tilfelle en ulykke er plassert der (RIS, EAS og ASG). Denne bygningen er plassert under BL. Den inkluderer deler i et kontrollert område og deler utenfor et kontrollert område
I en trykkvannsreaktor er mange systemer og utstyr (spesielt de som er viktige for sikkerheten) overflødige, spesielt de som er koblet til primær- og sekundærkretsene, for å redusere risikoen for feil.
De 28. mars 1979Da atomulykken på Three Mile Island (USA), forårsaket en rekke hendelser fusjonsdelen av hjertet av reaktoren nr . 2, noe som resulterte i frigjøring i miljøet av en liten mengde radioaktivitet. Ulykken ble klassifisert på nivå 5 på INES-skalaen .
Davis-Besse alvorlig hendelseI Mars 2002, oppdaget operatøren av Davis-Besse kjernekraftverk (USA), under en kontroll utført under en stansing av reaktoren, at borsyren som var tilstede i reaktorens primære krets hadde lokalt oppløst nesten hele tykkelsen på kryssene av tankdekselet. Et brudd kan ha oversvømmet reaktorkabinettet med radioaktivt vann, ødelagt utstyret og muligens forårsaket skade på drivstoffet ( delvis smelting ) gjennom tap av kjøling. Denne hendelsen ble klassifisert som 5 th farligste av NRC, som også klassifiseres det på nivå 3 på Ines skala. Etter reparasjoner og oppgraderinger som kostet 600 millioner dollar, ble reaktoren startet på nytt i 2004. FirstEnergy bøtelagt NRC 5 millioner dollar i 2005. Selskapet ble også pålagt å betale en andre bot på 28 millioner dollar av USAs justisdepartement .