Artykuły

PWR

Reaktor wodny ciśnieniowy (PWR)

Reaktor typu PWR (Pressurized Water Reactor - reaktor wodny ciśnieniowy) jest najpowszechniej stosowany w elektrowniach jądrowych na świecie. Występują tu dwa obiegi chłodzenia - pierwotny z wodą przechodzącą przez reaktor oraz wtórny z wodą i parą napędzającą turbozespoły. Moderatorem i chłodziwem (czynnikiem roboczym) jest tutaj lekka woda (czyli zwykła woda destylowana).

 

Schemat PWR

Schemat bloku z reaktorem typu PWR (źródło: www.tvo.fi). Kliknij by powiększyć.

 

Objaśnienie schematu:

1. Stabilizator ciśnienia
2. Pompa obiegu pierwotnego
3. Pętla obiegu pierwotnego
4. Zbiornik ciśnieniowy reaktora
5. Pętla obiegu wtórnego
6. Pręty paliwowe, regulacyjne i bezpieczeństwa
7. Wytwornica pary
8. Turbina wysoko-, średnio- i niskociśnieniowa
9. Generator prądu (stąd energia elektryczna trafia poprzez transformator do sieci krajowej)
10. Skraplacz pary
11. Pompa ujęcia wody ze zbiornika wodnego (rzeki, jeziora, morza)
12. Pompa obiegu wtórnego

Woda w zbiorniku ciśnieniowym przepływając przez rdzeń osiąga temperaturę do 330oC, jednak nie wrze z powodu bardzo wysokiego ciśnienia (ok. 15 MPa), utrzymywanego na równym poziomie dzięki stabilizatorowi ciśnienia.

Schemat PWR Westinghouse
Schemat JUWP (Jądrowego Układu Wytwarzania Pary) bloku z reaktorem PWR II generacji firmy Westinghouse. Reaktory takie pracują obecnie na całym świecie, przede wszystkim w USA ale również w Europie (Belgia, Hiszpania, Wielka Brytania). Kliknij by powiększyć.

Następnie woda kieruje się do wytwornicy pary, gdzie przekazuje część swojego ciepła do wody z obiegu wtórnego, przy czym nie ma fizycznego kontaktu obu obiegów, więc chłodziwo z obiegu pierwotnego nawet w przypadku ewentualnego skażenia produktami rozszczepienia z rdzenia nie może zanieczyścić obiegu wtórnego - oznacza to, że w tym miejscu wszystkie niebezpieczne dla otoczenia produkty rozpadu jąder uranu są ponownie kierowane do reaktora.

 

Opis schematu z reaktorem PWR II generacji firmy Westinghouse:

1 - Zbiornik ciśnieniowy reaktora (reactor pressure vessel)
2 - Wytwornica pary (steam generator)
3 - Pompa cyrkulacyjna (coolant pump)
4 - Stabilizator ciśnienia (pressurizer)
5 - Doprowadzenie wody
6 - Odprowadzenie pary

 

Woda z obiegu pierwotnego wraca więc do reaktora, utraciwszy część ciepła (temperatura spada poniżej 300oC). Natomiast woda z obiegu wtórnego po odebraniu części ciepła z wody obiegu pierwotnego zaczyna wrzeć ponieważ ma niższe ciśnienie - ok. 7,5 - 7,9 MPa w zależności od typu reaktora. Zamienia się bardzo szybko w parę, która jest kierowana rurami do turbin.

Para naciska łopaty turbin i wywołuje ich ruch obrotowy. Turbiny połączone są z generatorem (np. za pomocą wspólnego wała napędowego), który zamienia energię ruchu obrotowego na energię elektryczną, która następnie jest przekazywana do sieci energetycznej.

Para z generatora kierowana jest do skraplacza gdzie przechodzi w stan ciekły co znacznie redukuje jej objętość i powoduje powstanie różnicy ciśnień niezbędnej do napędzania turbiny. Skroplona para - czyli woda - wraca do wytwornicy pary, gdzie znowu odbiera ciepło z wody obiegu pierwotnego. Skraplacz oddaje ciepło albo do wież chłodniczych (chłodni kominowych) albo do ujęcia wody (np. dużej rzeki, jeziora albo morza). W przypadku wykorzystania chłodni kominowych ubytki wody uzupełnia się poborem z rzeki lub jeziora - w tym przypadku zbiornik wodny nie musi być tak duży jak w przypadku chłodzenia bez pomocy chłodni. Jednak chłodzenie w zamkniętym cyklu obniża sprawność elektrowni i zwiększa pobór energii na własne potrzeby (zwłaszcza, jeśli stosuje się wentylatory generujące ciąg powietrza w chłodniach).

Elektrownia Jadrowa Ohi w Japonii
4 bloki PWR w elektrowni jądrowej Ohi w Japonii (fot. Kansai Electric Power Co.). Kliknij aby powiększyć

Ciecze są praktycznie nieściśliwe, dlatego małe zmiany objętości wywołane zmianami temperatury (w wyniku np. zmiany obciążenia) mogłyby powodować znaczne zmiany ciśnienia wody w szczelnie zamkniętym obiegu pierwotnym i stworzyć niebezpieczeństwo jego rozszczelnienia. Zmniejszenie ciśnienia z kolei może prowadzić do lokalnego wystąpienia wrzenia wody i znacznego pogorszenia warunków odbioru ciepła. Aby zapobiec wahaniom ciśnienia, do obiegu pierwotnego podłącza się wspomniany wcześniej stabilizator ciśnienia, mający za zadanie amortyzowanie zmian objętości wody w obiegu pierwotnym wywołanych zmianami jej temperatury oraz utrzymywanie ciśnienia na ustalonym poziomie. Stabilizator jest wykonany zwykle w postaci cylindrycznego, wysokociśnieniowego zbiornika podłączonego do „gorącej” (tj. wyprowadzającej podgrzaną w rdzeniu wodę ze zbiornika reaktora) części rurociągu obiegu pierwotnego. W dolnej części stabilizatora znajduje się woda, w górnej para pod ciśnieniem. W dolnej części zbiornika zamontowano, zanurzony w wodzie, zestaw nurnikowych grzałek elektrycznych, a pod kopułą zbiornika umieszczono zestaw dysz wtrysku wody, połączony z zimniejszą częścią rurociągu obiegu pierwotnego.

W zilustrowaniu działania stabilizatora może być pomocne prześledzenie jednego z wielu możliwych stanów przejściowych w elektrowni jądrowej, np. spadku obciążenia turbiny w wyniku zmniejszenia poboru energii elektrycznej przez system elektroenergetyczny. Prowadzi to do wzrostu temperatury i objętości wody w obiegu pierwotnym reaktora. Podnosi się poziom wody w zbiorniku stabilizatora, wzrasta ciśnienie sprężonej pary nad powierzchnią wody, co powoduje uruchomienie dysz zraszających, wtryskujących wodę pobraną z zimniejszej części rurociągu obiegu pierwotnego. Część pary skrapla się, ciśnienie spada i układ wraca do równowagi. Odwrotnie wzrost obciążenia elektrycznego elektrowni prowadzi do zmniejszenia objętości wody i spadku ciśnienia w obiegu pierwotnym. Uruchamiane są wówczas grzałki nurkowe i część wody ulega odparowaniu, zwiększa się objętość pary, wzrasta ciśnienie w obiegu pierwotnym, po czym układ powraca do równowagi.

Każda pętla obiegu pierwotnego jest wyposażona w osobną wytwornicę pary i w jedną lub dwie pompy obiegowe, natomiast jeden stabilizator ciśnienia zapewnia stabilizację ciśnienia we wszystkich pętlach obiegu pierwotnego. Najczęściej instaluje się 4 pętle obiegu pierwotnego, jednak ich liczba może dochodzić do 6 (np. w reaktorach WWER 440/213, które miały pracować w elektrowni w Żarnowcu).

Na świecie pracuje ok. 270 reaktorów typu PWR (licząc razem z ich rosyjskimi odpowiednikami znanymi pod nazwą WWER) w elektrowniach oraz kilkaset ich mniejszych wersji używanych do napędzania okrętów (okrętów podwodnych, lotniskowców, lodołamaczy).

 

Obecnie producenci oferują kilka modeli reaktorów typu PWR:

 

 

Powyższy tekst zawiera fragmenty artykułu prof. Zdzisława Celińskiego (Politechnika Warszawska) Reaktory jądrowe - typy i charakterystyki, zaprezentowanego na II Szkole Energetyki Jądrowej, 3-5 listopada 2009, Warszawa

Gościmy

Odwiedza nas 120 gości oraz 0 użytkowników.

Energetyka jądrowa na Facebooku

SARI

Zwiedzanie EJ