Reaktor med trykkvann

Bygging av et atomkraftverk med trykkvannsreaktor, synlig primærkretsen (rød i inneslutningen ), sekundærkretsen til maskinhuset og den tertiære kretsen til elven og kjøletårnet

Den trykkvannsreaktor ( PWR ; engelsk trykkvannsreaktor , PWR ) er en atomreaktor type, hvor vann som moderator anvendes og kjølemiddel. I motsetning til kokevannsreaktoren er vanntrykket til vannet valgt så høyt at det ikke koker ved den tiltenkte driftstemperaturen. Brenselstavene blir derfor jevnt fuktet, varmefordelingen på deres overflate er jevn, og dampfasen med sin spesielle korroderende virkning er eliminert. Jevn varmefordeling forårsaker en jevn kontrollatferd med god utnyttelse av frigitt energi.

Vannet som er oppvarmet i reaktorkjernen ( primærkrets ) avgir varmen i en dampgenerator til en separat vanndampkrets, den sekundære kretsen . Den sekundære kretsen er fri for radioaktivitet fra slitasje- og korrosjonsprodukter, som z. B. vedlikehold av dampturbinen blir mye lettere.

For det meste lys vann (H 2 O) brukes som et kjølemedium for brenselstaver , dvs. som et transportmedium for den varmeenergi som oppnås. Disse reaktorene tilhører derfor lettvannsreaktorene . I følge International Atomic Energy Agency er det rundt 279 av disse reaktorene over hele verden (fra 2015). Bruk av tungt vann (D 2 O) er også mulig, men brukes bare i rundt 10 prosent av alle reaktorer over hele verden (se tungtvannsreaktor ). Samlet sett er trykkvannsreaktorer den vanligste reaktortypen over hele verden; de har en andel på 68% av den totale kjernekraftproduksjonen.

historie

Alvin Weinberg var oppfinneren av trykkvannsreaktoren (forkortelse PWR) tidlig på 1950-tallet. Den første delvis kommersielt opererte trykkvannsreaktoren var lokalisert i Shippingport atomkraftverk i USA. Den startet i 1957. Utviklingen var basert på forarbeid fra US Navy for fremdriftssystemer for skip.

teknisk beskrivelse

Primær krets

Reaktorbeholder med angitt kjerne av en PWR

En variabel mengde borsyre tilsettes til kjølevannet . Bor er en effektiv nøytronabsorber ; Reaktorens utgang kan derfor sakte reguleres ved hjelp av borsyrekonsentrasjonen og tilpasses den gradvise oppbrenningen av drivstoffet. De kontrollstaver benyttes for rask effektstyring og last justering . En automatisk kraftstabilisering skyldes den fysiske avhengigheten av reaktiviteten på drivstoff- og kjølevæsketemperaturen, fordi en temperaturøkning i reaktoren betyr:

  • Økt drivstofftemperatur: Dette øker tendensen til uranisotopen 238, som ikke kan spaltes av termiske nøytroner , til å absorbere disse nøytronene (se Doppler-koeffisient ).
  • Økt kjølevæsketemperatur, lavere tetthet: Dette reduserer kjølevæskens moderasjonseffekt, slik at færre termiske nøytroner er tilgjengelige for oppdeling av uran-235-kjerner.

Disse effektene reduserer reaktiviteten og dermed ytelsen til reaktoren.

I den primære kretsen føres kjølevæsken gjennom reaktorkjernen under økt trykk på opptil 160 bar , der den absorberer varmen som genereres ved kjernefisjon og varmes opp til 330 ° C. Derfra strømmer den inn i dampgeneratoren, som er designet som en rørbuntvarmeveksler . Etter at varmen er overført pumpes kjølevæsken tilbake i reaktorkjernen av sentrifugalpumper . Dette har fordelen i forhold til kokevannreaktoren at kjølevæsken, som alltid er noe radioaktivt forurenset, alltid er inne i inneslutningen . Derfor er ingen stråleverntiltak nødvendige i maskinhuset .

For å oppnå en radiell temperaturfordeling som er så jevn som mulig, foregår den første belastningen med drivstoffsenheter med økende grad av anrikning fra innsiden til utsiden. Etter slutten av den første drivstoffsyklusen (rundt 1 år) erstattes bare den ytre tredjedelen av varelageret med nye drivstoffelementer som flyttes fra utsiden til innsiden i løpet av de følgende syklusene. I tillegg til dette målet om jevn fordeling av radial effekttetthet, kan andre kjernelaster enten øke oppbrenningen av drivstoffelementene eller oppnå en lavere nøytronstrøm i nærheten av veggen til reaktortrykkbeholderen.

Sekundær krets

Vannet i sekundærkretsen er under et trykk på rundt 70 bar, og derfor fordamper det bare på oppvarmingsrørene til dampgeneratoren ved 280 ° C. I en kjernekraftverkblokk med en elektrisk effekt på 1400 MW, som er vanlig i Tyskland, er mengden damp som genereres for alle dampgeneratorer til sammen rundt 7000 tonn i timen. Den vanndamp blir matet gjennom rør inn i en dampturbin , som genererer elektrisitet via den tilkoblede generatoren . Dampen kondenseres deretter i en kondensator og føres tilbake til dampgeneratorene som vann med matepumpen .

Kondensatoren blir i sin tur avkjølt med kjølevann, vanligvis fra en elv. Avhengig av starttemperaturen og strømmen av elven, må dette kjølevannet kjøles ned igjen før det returneres til elven. For dette formål fordampes en del av kjølevannet i et kjøletårn. Dette skaper hvite skyer over kjøletårnene i noen værforhold .

Trykkvannsreaktorer har en virkningsgrad på 32–36% (hvis urananriking er inkludert), så veldig like verdier som en NPP av reaktortypen med kokende vann. Effektiviteten kan økes med noen få prosentpoeng hvis damptemperaturen kan økes til over 500 ° C, som i kullkraftverk . Maksimumstemperaturen for det primære kjølevæsken er begrenset av prinsippet med superkjølt kokepunkt som brukes til temperaturer under det kritiske punktet, og slike levende damptemperaturer kan således ikke oppnås i en konvensjonell trykkvannsreaktor.

Eksempler på trykkvannsreaktoren er konvoien bygget av Siemens i Tyskland på 1980-tallet , N4 bygget av Framatome i Frankrike og sovjetiske VVER . Areva NP bygger for tiden en europeisk trykkvannsreaktor (EPR) i Olkiluoto ( Finland ) , en videreutvikling av konvoien og N4 - atomreaktorene .

Trykkvannsreaktorer har allerede en lang teknisk utvikling bak seg. Denne typen reaktorer ble opprinnelig bygget i stort antall for å drive krigsskip som Nimitz-klassen . Den første søknaden for fredelige formål var atomkraftverket Shippingport , USA, ferdigstilt i 1957 , med en effekt på 68 MW.

Sikkerhetscontainer

Reaktortrykkbeholderen i en trykkvannsreaktor er omgitt av en eller flere nestede sikkerhetsbeholdere (inneslutninger). Inneslutningen har ikke en operativ funksjon, men tjener til å stenge forskjellige operasjonsområder fra hverandre og fra utsiden.

I de vanlige eller spesielle driftsbetingelser tas i betraktning i utforming (se designbasis ulykke ), idet det indre inneslutnings begrenser utslipp av radioaktive damp eller radioaktiv gass til de minst mulige mengder. Den ytre inneslutningen er ment å forhindre ytre påvirkninger på reaktoren. Sikkerhetsbeholderne er utformet i henhold til teoretiske modeller for de respektive driftsforholdene. Hver inneslutning er dimensjonert for et visst maksimalt trykk fra innsiden og for en viss maksimal effekt (impulsbelastning) fra utsiden.

Eldre NPP hadde bare en driftsbygning som forhindrer været i å påvirke anlegget, men gir ingen beskyttelse mot utslipp av damp, eller beskyttelse mot eksplosivt økt trykk eller mot støt fra et rakett. Slike systemer er ikke lenger i drift i Vest-Europa i dag (2016).

Last etter operasjonen

For de fleste tyske atomkraftverk (KKW) var evnen til å operere i en lastsekvens et designkriterium som bestemte konseptet. Av denne grunn var kjerneovervåking og reaktorkontroll allerede designet da reaktorene ble konstruert slik at ingen etterfølgende oppgradering av systemene for lastefølgende drift er nødvendig. Når det ble spurt, svarte den bayerske statsregeringen at alle bayerske NPPer er designet for lastefølgende drift. Tyske PWRer som ble (eller vil bli kjørt) i last-følgende modus er f.eks. For eksempel: Emsland , Grafenrheinfeld og Isar 2 .

For tysk PWR er minimumsutgangen 20, 45 eller 50% av den nominelle effekten, og utgangsgradientene er 3,8 til 5,2 eller 10% av den nominelle effekten per minutt. Med kraftøkninger og kraftreduksjoner er lastendringer på 50% av nominell effekt mulig innen maksimalt et kvarter. En enda høyere belastning etter kapasitet eksisterer over 80% av den nominelle effekten med effektgradienter på opptil 10% av den nominelle effekten per minutt.

For kjernekraftverket Isar 2 ble følgende ytelsesgradienter spesifisert i bruksanvisningen: 2% per minutt for endringer i produksjonen i området fra 20 til 100% av den nominelle effekten, 5% per minutt i området fra 50 til 100% av den nominelle effekten og 10% per minutt i området 80 til 100% av den nominelle effekten.

PWR styres av forlengelse og tilbaketrekking av kontrollstenger . PWR har to typer kontrollstenger for dette formålet: kontrollstenger som brukes til kraftregulering ( D-Bank ) og kontrollstenger som alltid holder seg i høyest mulig posisjon i kjernen under kraftdrift og dermed fungerer som en utkobling reserve ( L-Bank ). For en kraftøkning er effektgradienten blant annet begrenset av den tillatte effekttettheten i reaktorkjernen. En kraftreduksjon er mulig i praktisk talt hvilken som helst ønsket hastighet.

I PWR settes kontrollstavene inn i reaktorkjernen ovenfra, mens dette i kokevannsreaktoren gjøres nedenfra. De holdes elektromagnetisk i en posisjon over reaktorkjernen. I tilfelle reaktoravstengning faller kontrollstavene til PWR i kjernen på grunn av tyngdekraften.

Reaktorkjernens oppførsel under lastendringer påvirkes av forskjellige faktorer som f.eks B. Drivstofftemperatur, kjølevæsketemperatur, kjølevæsketetthet, konsentrasjon på 135 xenon (se Xenonforgiftning ) og andre parametere bestemmes.

litteratur

  • A. Ziegler, H.-J. Allelein (Hrsg.): Reaktortechnik : Fysisk-tekniske grunnleggende . 2. utgave, Springer-Vieweg, Berlin, Heidelberg 2013, ISBN 978-3-642-33845-8 .
  • Dieter Smidt: Reaktorteknologi . 2 bind, Karlsruhe 1976, ISBN 3-7650-2018-4
  • Günter Kessler: Bærekraftig og sikker kjernefysisk fisjonenergi. Teknologi og sikkerhet for raske og termiske kjernefysiske reaktorer . Springer 2012, ISBN 978-3-642-11989-7
  • Richard Zahoransky: Energiteknologi, systemer for energiomdannelse, kompakt kunnskap for studier og arbeid med 44 tabeller , 5., revidert. og eksp. Utgave, Vieweg Teubner, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-1207-0 .

Se også

weblenker

Commons : Skjematiske tegninger av trykkvannsreaktorer  - samling av bilder, videoer og lydfiler
Wiktionary: reaktor med trykkvann  - forklaringer på betydninger, ordopprinnelse, synonymer, oversettelser

Individuelle bevis

  1. ↑ Den fasediagram av vann er vist i den nedre del av figuren nedenfor, hvorfra linjen mellom trippelpunktet og den kritiske punkt resulterer i mye lavere koke trykk forbundet med driftstemperaturen. Se fasediagrammer . Forskjellen mellom trykkvann og kokevannreaktorer gir et eksempel på det som er kjent som Gibbs 'faseregel : I trykkvannsreaktoren er antall frihetsgrader f = 2 ; Driftstrykk og driftstemperatur kan stilles uavhengig av hverandre og ligger helt innenfor væskeområdet til fasediagrammet. På den annen side, når det gjelder kokevannsreaktoren, er koketrykket og koketemperaturen innbyrdes faste, og operasjonen beveger seg nøyaktig på grensen mellom væske- og dampfasene gitt ovenfor. I dette tilfellet er f = 1 .
  2. ↑ a b Statistikk over IAEA om reaktorer over hele verden , tilgjengelig den 10. 2015 (engelsk)
  3. ↑ ENSI beskrivelse av driftsmåten til forskjellige atomreaktorer. (PDF; 21 kB) s. 6 , arkivert fra originalen 14. juli 2011 ; Hentet 22. desember 2013 .
  4. ↑ Reaktorer med lett vann. Hentet 7. juli 2011 . Informasjon fra det østerrikske kjernefysiske samfunnet
  5. ↑ Energimarkedet i fokus - kjernekraft - spesialutgave for 2010-utgaven (PDF; 2.1 MB; s. 10) BWK DAS ENERGIE-FACHMAGAZIN, mai 2010, åpnet 27. mai 2015 .
  6. ↑ a b c Holger Ludwig, Tatiana Salnikova og Ulrich Waas: Last skiftende evner til tyske NPPer. (PDF 2.4 MB s. 2–3) (Ikke lenger tilgjengelig online.) Internationale Zeitschrift für Kernenergie, atw Volume 55 (2010), Issue 8/9 August / September, arkivert fra originalen 10. juli 2015 ; Hentet 26. oktober 2014 . Info: Arkivkoblingen ble satt inn automatisk og har ennå ikke blitt sjekket. Kontroller originalen og arkivlenken i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne meldingen. @1@ 2Mal: Webachiv / IABot / de.areva.com
  7. ↑ a b c d Matthias Hundt, Rüdiger Barth, Ninghong Sun, Steffen Wissel, Alfred Voß: Kompatibilitet mellom fornybar energi og kjernekraft i produksjonsporteføljen - tekniske og økonomiske aspekter. (PDF 291 kB, s. 3 (iii), 10) University of Stuttgart - Institute for Energy Economics and Rational Energy Use, October 2009, åpnet 23. juli 2015 .
  8. ↑ a b c d Skriftlig spørsmål fra MP Ludwig Wörner SPD fra 16. juli 2013 - regulerbarhet for bayerske atomkraftverk. (PDF; 15,1 kB) (Ikke lenger tilgjengelig online.) Www.ludwig-woerner.de, 16. juli 2013, arkivert fra originalen 24. mai 2016 ; åpnet 27. mai 2015 . Info: Arkivkoblingen ble satt inn automatisk og har ennå ikke blitt sjekket. Kontroller originalen og arkivlenken i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne meldingen.  @1@ 2Mal: Webachiv / IABot / www.ludwig-woerner.de
  9. ↑ a b kjernekraft. RWE , åpnet 27. mai 2015 .
  10. ↑ Stor fleksibilitet gjør Emsland kjernekraftverk til en pålitelig partner for fornybar energi. RWE, 15. august 2014, åpnet 28. mai 2015 .
  11. ↑ Isar to kjernekraftverk for 10. gang i verdensklasse. (Ikke lenger tilgjengelig online.) E.ON 5. mai 2014, arkivert fra originalen 24. september 2015 ; åpnet 27. juli 2015 . Info: Arkivkoblingen ble satt inn automatisk og har ennå ikke blitt sjekket. Kontroller originalen og arkivlenken i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne meldingen.  @1@ 2Mal: Webachiv / IABot / www.eon.com
  12. ↑ a b c BELASTNING FØLGENDE DRIFT OG PRIMÆRE KONTROLL - OPPLEVELSE MED REAKTORENS OPPTAK - Atomkraftverket Isar. (PDF; 743 kB; s. 1, 7–8) E.ON, åpnet 5. august 2015 .
  13. Hund M. Hundt, R. Barth, N. Sun, S. Wissel, A. Voß: Sakte en forlengelse av kjernekraftverkens levetid på utvidelsen av fornybar energi? (PDF 1,8 MB, s. 25) (Ikke lenger tilgjengelig online.) University of Stuttgart - Institute for Energy Economics and Rational Energy Use, 16. februar 2010, arkivert fra originalen 23. september 2015 ; åpnet 23. juli 2015 . Info: Arkivkoblingen ble satt inn automatisk og har ennå ikke blitt sjekket. Kontroller originalen og arkivlenken i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne meldingen.  @1@ 2Mal: Webachiv / IABot / www.bdi.eu
  14. ↑ vannsreaktor under trykk (PWR). GRS , åpnet 3. august 2015 .