Nuklearne elektrane s tlakovodnim reaktorom

19.11.2005

Zbog njihovih pozitivnih osobina (mali volumen, velika gustoća snage, nije potreban kisik za izgaranje, relativno tihi pogon) prvobitna primjena tlakovodnog tipa reaktora bila je za propulziju plovnih objekata (podmornica, brodova, nosača aviona). Dobra svojstva vode za usporavanje neutrona su njena raspoloživost, niska cijena i učinkovito usporavanje neutrona. Nedostaci vode očituju se u relativno velikoj vrijednosti udarnog presjeka za apsorpciju termičkih neutrona u vodiku, a s termodinamičkog stajališta i u niskoj temperaturi vrelišta, što zahtijeva primjenu visokog tlaka kako bi se spriječilo ključanje vode pri temperaturama koje još osiguravaju prihvatljiv toplinski stupanj djelovanja kružnog procesa. Primjerice, pri tlaku od 155 bara voda na temperaturi od 320°C ne ključa.

Dobro usporavanje neutrona u vodi dopušta gradnju reaktora s malim volumenom moderatora u jezgri, odnosno s gusto pakiranim gorivnim šipkama čime se postiže velika gustoća proizvedene termičke snage (reda veličine 100 MW/m3). Mali omjer moderacije obične vode ne dopušta pak primjenu prirodnog urana kao nuklearnog goriva, jer se u takvom reaktoru ne bi mogla postići kritičnost. Reaktori s vodom kao moderatorom moraju imati slabo obogaćeno gorivo (3-5%). Nepovoljna strana uporabe obogaćenog urana je u višoj cijeni goriva. Međutim, uporaba obogaćenog urana kao nuklearnog goriva ima i značajnih prednosti. To se prije svega ogleda u mogućnosti ugradnje većeg viška radioaktivnosti u reaktor, što dopušta da se gorivo može izmjenjivati u dužim vremenskim intervalima (od jedne do dvije godine). Time se znatno pojednostavljuje pogon energetskog objekta i povećava raspoloživost. Nasuprot tome, u reaktorima koji imaju prirodni uran kao gorivo mora se, zbog male reaktivnosti jezgre, kontinuirano mijenjati gorivo tijekom pogona.

Izvedba nuklearne elektrane s tlakovodnim reaktorom zasniva se na principu dvaju odvojenih rashladnih krugova: rashladnog kruga reaktora (primarni krug) i rashladnog kruga parogeneratora (sekundarni krug). Jezgra reaktora izvor je toplinske energije u primarnom krugu elektrane, a čine je gorivni elementi, regulacijske i zaustavne šipke, moderator, rashladni fluid i konstrukcijski elementi. Dakle, svi materijali i sklopovi potrebni za ostvarenje samoodržavajuće lančane reakcije, njenu kontrolu i odvod generirane topline. Veličina jezgre reaktora i broj gorivnih elemenata u njoj ovise o snazi reaktora.

Reaktor se hladi s više rashladnih krugova (na slici s dva rashladna kruga), sastavljenih od parogeneratora, pumpi i primarnih cjevovoda. Parogeneratori, su izmjenjivači topline specijalne izvedbe čije je zadatak toplinsku energiju nastalu u primarnom krugu prenijeti na sekundarni krug, odnosno na radni medij u turbinskom ciklusu. Sekundarni fluid u parogeneratoru je kipuća voda. Voda ulazi u parogenerator s temperaturom nešto nižom od temperature zasićenja, u njemu se dogrijava i zatim isparava.

Tlačnik je u osnovi električni bojler kod kojeg volumen pare iznad razine vode elastično održava tlak u primarnom krugu. Budući su rashladne petlje hidraulički povezane dovoljan je samo jedan regulator tlaka, tzv. tlačnik, za sve rashladne krugove. Cjevovodi primarnog kruga povezuju reaktor, parogeneratore i primarne pumpe. Sastoje se od triju grana: tople (između reaktora i parogeneratora), hladne (između pumpe i reaktora) i poprečne (između parogenratora i pumpe). Komponente primarnog kruga smještaju se u veliku zaštitnu (rektorsku) zgradu koja je dimenzionirana da izdrži tlak koji bi u njoj nastao pri većem lomu komponente primarnog kruga (redovito se pretpostavlja lom jednog od primarnih cjevovoda).

Igor Vuković
19.11.2005.