Nuklearna elektrana

Nuklearna elektrana je elektrana koja kao izvor energije koristi toplinu dobivenu u nuklearnom reaktoru, a po svemu ostalom se ne razlikuje bitno od termoelektrane koja koristi fosilno gorivo.

Nuklearne elektrane se razlikuju prema tipu nuklearnog reaktora od kojih je najčešći reaktor hlađen i moderiran običnom vodom pod tlakom. Takva je i nuklearna elektrana Krško u čijoj je izgradnji sudjelovala i Hrvatska.

PWR reaktor

Tlakovodni ili PWR (Pressurized water reactor) reaktor pripada drugoj generaciji nuklearnih reaktora koji koristi običnu vodu kao rashladno sredstvo i neutronski moderator. Prvotno je razvijen u Oak Ridge National Laboratory, a bio je namijenjen za pogon nuklearnih podmornica. Danas je postoji više od 230 PWR reaktora u nuklearnim elektranama i nekoliko stotina u podmornicama i brodovima na nuklearni pogon. Izvedba nuklearnih elektrana s reaktorom sa vodom pod tlakom (PWR – pressurized water reactor) zasniva se na principu dvaju odvojenih rashladnih krugova; rashladnog kruga reaktora – primarnog kruga, i rashladnog kruga parogeneratora – sekundarnog kruga. Općenito, nuklearne elektrane se u osnovi međusobno razlikuju po izvedbi reaktorskog postrojenja, dakle po izvedbi primarnog rashladnog kruga.

Shema elektrane sa PWR reaktorom

Dizajn PWR reaktora

Rashladno sredstvo

Obična voda ulazi na dnu reaktora pri temperaturi od 275 °C te se strujeći prema gore kroz reaktorsku jezgru zagrijava do 315 °C. Voda ostaje u tekućem stanju unatoč visokoj temperaturi zbog visokog tlaka u primarnom rashladnom krugu, obično oko 155 bara. Visoki tlak u primarnom krugu osigurava odvojeni kompresor spojen u primarni krug koji je djelomično napunjen vodom zagrijanom uronjenim električnim grijačima do temperature zasićenja za željeni tlak. Zbog postizanja tlaka od 155 bara temperatura u kompresoru se održava na 345 °C, što daje minimalnu temperaturnu razliku od 30 °C. Kako bi se postigao maksimalni prijenos topline temperatura, tlak i protok u primarnom krugu su podešeni tako da se pothlađeno mjehurasto isparivanje događa kada voda prelazi preko uranskih štapova. Nakon što pokupi toplinu prolazeći kroz reaktorsku jezgru, voda iz primarnog kruga predaje toplinu u generatoru pare vodi iz niskotlačnog sekundarnog kruga, koja isparavanje u zasićenu paru tlaka 6.2 MPa i temperature 275 °C (u većini izvedbi), koje se zatim koristi u parnoj turbini. Nakon što preda toplinu, voda iz primarnog kruga se pumpa natrag u reaktor pomoću snažnih pumpi koje mogu dostizati snagu od 6 MW svaka.

Dakle, tipični parametri rashladne vode reaktora su:

Tlak: 150 do 160 Mpa

Prosječna temperatura: 570K do 590 K

Promjena temperature vode u reaktoru i parogeneratoru: 30 do 50 K

Proroćni volumen po rashladnoj petlji: oko 6 m3/sek

Moderator

Kako bi se održavala lančana reakcija u nuklearnom reaktoru brzi fisijski neutroni se moraju usporiti. U PWR reaktoru rashladna voda se koristi kao neutronski moderator tako da neutroni prolaze kroz višestruke sudare sa laganim atomima vodika pri čemu gube brzinu. Ovo usporavanje neutrona će biti to češće što je voda gušća. Korištenje vode kao moderatora je važna sigurnosna karakteristika PWR reaktora. Naime, svakim povišenjem temperature u reaktoru smanjuje se gustoća vode, samim time i broj usporenih neutrona. Zbog toga, ukoliko je reaktivnost u reaktoru iznad normalne, reducirani broj usporenih neutrona uzrokovat će usporenu lančanu reakciju, time generirajući manju količinu topline. Ovo svojstvo, poznato kao negativni temperaturni koeficijent reaktivnosti, čini PWR reaktore vrlo stabilnima. Veličina jezgre reaktora i broj gorivnih elemenata u njoj ovise o snazi. Radi što višeg stupnja standardizacije nuklearne opreme primarnog kruga, elektrane se izvode u nekim određenim područjima snaga (600 do 700, 900 do 1000 i 1200 MW). Na taj način je omogućeno da se reaktori hlade sa više rashladnih petlji, odnosno krugova od kojih svaki odgovara polovici, trećini ili četvrtini snage reaktora. Svaka je rashladna petlja projektirana za 300 do 400 MW električne snage elektrane (što predstavlja oko 1 toplinski gigavat). Komponente nuklearne opreme (parogeneratori, pumpe) u svakoj rashladnoj petlji su iste. Budući da su rashladni krugovi u reaktoru povezani hidraulički, dovoljan je samo jedan tlačnik (regulator tlaka primarnog kruga) za sve rashladne krugove (petlje). U bivšem Sovjetskom savezu za potrebe energetike razvijeni su reaktori VVER. Tipske snage nuklearnih elektrana sa tim reaktorim su 440 MW (stariji tip sa 6 rashladnih petlji), te 1000 MW (noviji tip sa 4 rashladne petlje).

Kontejnment

Komponente primarnog rashladnog kruga smještaju se u veliku zaštitnu posudu koja se naziva kontejnment. Kontejnment je projektiran za tlak koji bi u njoj nastao u slučaju pucanja komponente primarnog kruga (najčešće se pretpostavlja lom primarnog cjevovoda). U tom slučaju bi naglo pao tlak u primarnom krugu i voda bi isparila. Para bi zajedno sa dijelom radioaktivnih nuklida koji se nalaze u primarnom krugu ispunila kontejnment i povisila u njoj tlak na 0,3 do 0,4 MPa. Na taj tlak je kontejnment i projektiran. Opisani kvar se tretira kao najveći projektom predviđeni kvar (Design Basis Accident - DBA). Oblik kontejnmenta i smještaja komponenata reaktorskog postrojenja s PWR-om unutar kontejnmenta se razlikuje projektima različitih proizvođaća nuklearne opreme (Siemens/Westinghouse/KWU/Mitsubishi/Hitachi/Framatome/Areva itd.) Npr, prema projektu tvrtke KWU, primjer je postrojenja s četiri rashladne petlje sa osnovnim obilježjem kuglastog oblika kontejnmenta (kuglasti oblik tlačne posude bolje izdržava unutarnji tlak od valjkastog oblika). Kuglasta zaštitna posuda kod date visine osigurava veći unutarnji prostor a time i mogućnost smještaja bazena za ozračeno gorivo unutar posude. Unutarnji pak smještaj bazena omogućuje bolju zaštitu ozračenog goriva od vanjskih utjecaja.

Jezgra reaktora NE Krško

Jezgra NE Krško sadrži 121 gorivni element prosječnog obogaćenja od 4.3 % U-235. Svaki element je građen od 235 gorivnih šipki razmještenih u matričnoj formi 16x16 u kojoj se još nalazi 20 lokacija za kontrolne šipke te jedna instrumentacijska. U prvih 7 ciklusa rada reaktora NE Krško koristili su se standardni Westinghouse (STD) 16x16 gorivni elementi sa oblogom gorivnih šipki od Zircaloya-4. Od 7 do 11 radnog ciklusa uvodi se noviji tip dizajna, Vantage5 koji koristi gorive tablete od prirodnog uranija obogaćenja 0.74 w/o U-235 pri čemu su implementirane neke od karakteristika Vantage5 serije gorivnih elemenata poput uvođenja aksijalnih zona od prirodnog urana čime je poboljšana ekonomičnost iskorištenja termičkih neutrona, korištenje integriranih gorivih apsorbera (IFBA-Integrated Fuel Burnable Absorbers) te visok stupanj odgora (do 60 GWd/tU). U 11. ciklusu se uvode novine u smislu naprednije i poboljšane izvedbe Zircaloy-4 obloge gorivnih šipki. Sa početkom 15 radnog ciklusa jezgre reaktora sa regijom 17 započinje uvođenje standardne serije Westinghouse 16x16 (STD) gorivnih elemenata VANTAGE sa gorivim tabletama anularnog obogaćenja od 2.6 w/o U-235. Glavna razlika u odnosu na VANTAGE5 seriju je u materijalu obloge gorivnih šipki. U ovom slučaju se koristi slitina ZIRLO čije su glavne karakteristike povećana otpornost prema koroziji i smanjen utjecaj neutronskog ozraćivanja. Pri svakom punjenju jezgre na početku novog radnog ciklusa jedan dio gorivih elemenata sadrži sagorive apsorbere koji smanjuju reaktivnost svježeg goriva, poboljšavaju raspodjelu snage i smanjuju koncentraciju borne kiseline na početku ciklusa. U NE Krško se upotrebljavaju Westinghouse integralni sagorivi apsorberi koji sadrže gorive tablete naparene tankim slojem cirkonijevog diborida sa linearnom gustoćom u od . Vanjske dimenzije gorivne šipke koje sadrže IFBA-u u odnosu na one koje ne sadrže su identične. Jedina razlika je u početnoj širini zazora i tlaku helija u zazoru (1.379 u odnosu na 1.896 ). Gorivne tablete sa IFBA-om se nalaze u centralnom dijelu gorivne šipke u ukupnoj dužini od 305 cm. Važno je za napomenuti da se Westinghouseove gorivne šipke sa IFBA-om koriste od 1987. godine. Parametri kojima se karakteriziraju pojedini dizajni gorivnih elemenata koji sadrže gorivne šipke sa IFBA-om su kao što je navedeno linearna gustoća u cirkonij diboridu, zatim broj šipki koje sadrže IFBA-u te njihov raspored u gorivnom elementu. Broj IFBA gorivnih šipki po gorivnom elementu obično varira od nule do 60% ukupnog broja gorivnih šipki u elementu (npr. za 16 x 16 matričnu formu broj IFBA šipki može varirati od 0 do 141). Broj gorivnih šipki sa IFBA-om po gorivnom elementu za 16x16 formu može biti 20, 32, 48, 64, 80, 92, 116 ili 148.

Prednosti

PWR reaktori su vrlo stabilni zbog njihove tendencije proizvodnje manje snage kako temperatura raste; ovo čini rad sa PWR reaktorima lakšim sa gledišta stabilnosti.
PWR reaktori mogu raditi sa jezgrom sa manje fisijskog nego što je potrebno za kritičnu reakciju. Ovo svojstvo uvelike smanjuje šansu da će reaktor izmaći kontroli, što ih čini relativno sigurnim od kritičnih nesreća.
Zbog toga što koriste obogaćeni uran kao gorivo PWR reaktori mogu raditi sa običnom vodom kao moderatorom umjesto znatno skuplje teške vode.
Primarni i sekundarni krug su odvojeni pa voda u sekundarnom krugu nije onečišćena radioaktivnim tvar.

Nedostatci

Visoki tlak rashladne vode zahtjeva čvršće cijevi i kućište reaktora, što povećava troškove same konstrukcije. Visoki tlak može povećati posljedice curenja rashladne vode.
Većina PWR reaktora ne mogu biti dopunjeni za vrijeme rada što smanjuje vrijeme upotrebe reaktora a samim time i financijske gubitke.
Prirodni uran sadrži samo 0.7% U-235 izotopa potrebnog za nuklearnu reakciju. Zbog toga je potrebno umjetno obogaćivati uran, što poskupljuje samo gorivo.
Zbog toga što se koristi voda kao neutronski moderator nije moguće sagraditi brzi neutronski reaktor u PWR izvedbi.