Tryckvattenreaktor

Konstruktion av ett kärnkraftverk med tryckvattenreaktor, synlig den primära kretsen (röd i inneslutningen ), den sekundära kretsen till maskinhuset och den tertiära kretsen till floden och kyltornet

Den tryckvattenreaktor ( PWR ; engelska tryckvattenreaktorn , PWR ) är en kärnreaktor typ, i vilken vatten som en moderator används och kylmedel. Till skillnad från kokvattenreaktorn väljs vattentrycket så högt att det inte kokar vid den avsedda driftstemperaturen. Bränslestavarna därför jämnt fuktade, värmefördelningen på sin yta är jämn, och ångan fasen med sin speciella korrosiv effekt elimineras. Den jämna värmefördelningen orsakar ett smidigt reglerbeteende med bra utnyttjande av den frigjorda energin.

Vattnet som värms upp i reaktorkärnan ( primärkrets ) avger värmen i en ånggenerator till en separat vatten-ångkrets, sekundärkretsen . Den sekundära kretsen är fri från radioaktivitet från nötnings- och korrosionsprodukter, som z. B. underhållet av ångturbinen underlättas mycket.

Mestadels lätt vatten (H 2 O) används som ett kylmedium för bränslestavarna , dvs som ett transportmedium för värmeenergi som vunnits. Dessa reaktorer tillhör därför lättvattenreaktorerna . Enligt International Atomic Energy Agency finns det cirka 279 av dessa reaktorer över hela världen (från och med 2015). Användningen av tungt vatten (D 2 O) är också möjlig, men används endast i cirka 10 procent av alla reaktorer världen över (se tungvattenreaktor ). Sammantaget är tryckvattenreaktorer den vanligaste reaktortypen över hela världen. de har en andel på 68% av den totala kärnkraftsproduktionen.

historia

Alvin Weinberg var uppfinnaren av tryckvattenreaktorn (förkortning PWR) i början av 1950-talet. Den första delvis kommersiellt drivna tryckvattenreaktorn var belägen i kärnkraftverket Shippingport i USA. Det startade sin verksamhet 1957. Utvecklingen baserades på förarbeten från US Navy för fartygets framdrivningssystem.

teknisk beskrivning

Primär krets

Reaktorkärl med angiven kärna av en PWR

En variabel mängd borsyra tillsätts till kylvätskan . Bor är en effektiv neutronabsorberare ; reaktorns utgång kan därför långsamt regleras med hjälp av borsyrakoncentrationen och anpassas till den gradvisa förbränningen av bränslet. De styrstavar som används för snabb effektstyrning och justering belastning . En automatisk effektstabilisering är ett resultat av det fysiska beroendet av reaktiviteten på bränsle- och kylvätsketemperaturen, eftersom en temperaturökning i reaktorn betyder:

  • Ökad bränsletemperatur: Detta ökar tendensen hos uranisotopen 238, som inte kan klyvas av termiska neutroner , att absorbera dessa neutroner (se Doppler-koefficient ).
  • Ökad kylvätsketemperatur, lägre densitet: Detta minskar kylvätskans moderationseffekt så att färre termiska neutroner är tillgängliga för klyvning av uran-235-kärnor.

Dessa effekter minskar reaktiviteten och därmed reaktorns prestanda.

I den primära kretsen passerar kylvätskan genom reaktorkärnan under ökat tryck på upp till 160 bar , där den absorberar värmen som genereras av kärnklyvning och värms upp till 330 ° C. Därifrån rinner den in i ånggeneratorn, som är utformad som en rörbuntvärmeväxlare . Efter att värmen har överförts pumpas kylvätskan tillbaka in i reaktorkärnan av centrifugalpumpar . Detta har fördelen jämfört med kokvattenreaktorn att kylvätskan, som alltid är något radioaktivt förorenad, alltid är inne i inneslutningen . Därför är inga strålskyddsåtgärder nödvändiga i maskinhuset .

För att uppnå en radiell temperaturfördelning som är så enhetlig som möjligt, sker den första belastningen med bränslepatroner med en ökande grad av anrikning från insidan till utsidan. Efter slutet av den första bränslecykeln (cirka 1 år) ersätts endast den yttre tredjedelen av inventeringen med nya bränsleelement, som flyttas från utsidan till insidan under följande cykler. Förutom detta mål om enhetlig fördelning av radiell effekttäthet kan andra kärnbelastningar antingen öka utbränningen av bränsleelementen eller uppnå ett lägre neutronflöde i närheten av reaktortryckkärlets vägg.

Sekundär krets

Vattnet i sekundärkretsen är under ett tryck på cirka 70 bar, varför det endast avdunstar på ånggeneratorns värmerör vid 280 ° C. I ett kärnkraftsanläggning med en elektrisk effekt på 1400 MW, vilket är vanligt i Tyskland, är mängden ånga som genereras för alla ånggeneratorer tillsammans cirka 7000 ton per timme. Den vattenånga är matas genom rören in i en ångturbin , som genererar elektricitet via den anslutna generatorn . Ångan kondenseras sedan i en kondensor och matas tillbaka till ånggeneratorerna som vatten med matningspumpen .

Kondensorn kyls i sin tur med kylvatten, vanligtvis från en flod. Beroende på initialtemperatur och flodflöde måste kylvattnet kylas ner innan det återförs till floden. För detta ändamål avdunstas en del av kylvattnet i ett kyltorn. Detta skapar vita moln över kyltornen under vissa väderförhållanden .

Tryckvattenreaktorer har en verkningsgrad på 32–36% (om urananrikningen ingår), så mycket liknande värden som en NPP av reaktortypen med kokande vatten. Effektiviteten kunde ökas med några procentenheter om ångtemperaturen kunde höjas till över 500 ° C, som i koleldade kraftverk . Den maximala temperaturen för det primära kylmediet är begränsat av principen med superkyld kokning som används till temperaturer under den kritiska punkten och sålunda kan sådana levande ångtemperaturer inte uppnås i en konventionell tryckvattenreaktor.

Exempel på tryckvattenreaktorn är konvojen som byggdes av Siemens i Tyskland på 1980- talet , N4 byggd av Framatome i Frankrike och den sovjetiska VVER . Areva NP bygger för närvarande en europeisk reaktor för tryckvatten (EPR) i Olkiluoto ( Finland ) , en vidareutveckling av konvojen och N4- kärnreaktorerna .

Tryckvattenreaktorer har redan en lång teknisk utveckling bakom sig. Denna typ av reaktor byggdes ursprungligen i stort antal för att driva krigsfartyg som Nimitz-klassen . Den första ansökan för fredliga ändamål var kärnkraftverket Shippingport , USA, färdigt 1957 med en effekt på 68 MW.

Säkerhetsbehållare

Reaktortryckkärlet i en tryckvattenreaktor omges av en eller flera kapslade säkerhetsbehållare (inneslutningar). Inneslutningen har ingen operativ funktion utan tjänar till att stänga av olika operativa områden från varandra och från utsidan.

Under de normala eller speciella driftsförhållanden som beaktas vid konstruktionen (se designolycka ) begränsar den inre inneslutningen utsläpp av radioaktiv ånga eller radioaktiv gas till minsta möjliga kvantitet. Den yttre inneslutningen är avsedd att förhindra yttre påverkan på reaktorn. Säkerhetsbehållarna är utformade enligt teoretiska modeller för respektive driftsförhållanden. Varje inneslutning är dimensionerad för ett visst maximalt tryck från insidan och för en viss maximal effekt (impulsbelastning) från utsidan.

Äldre kärnkraftverk hade endast en driftbyggnad som förhindrar vädret från att påverka anläggningen, men ger inget skydd mot utsläpp av ånga, eller skydd mot explosivt ökat tryck eller mot stötar från en missil. Sådana system är inte längre i drift i Västeuropa idag (2016).

Last efter operation

För de flesta tyska kärnkraftverk (KKW) var förmågan att arbeta i en lastsekvens ett designkriterium som bestämde konceptet. Av denna anledning var kärnövervakningen och reaktorkontrollen redan utformade när reaktorerna konstruerades så att ingen efterföljande uppgradering av systemen för lastföljande drift är nödvändig. På begäran svarade den bayerska statsregeringen att alla bayerska NPP: er är konstruerade för lastföljande drift. Tyska PWR: er som kördes (eller kommer att köras) i lastföljande läge är t.ex. Exempel: Emsland , Grafenrheinfeld och Isar 2 .

För tyska PWR är minsta uteffekt 20, 45 eller 50% av den nominella uteffekten och utgångsgradienterna är 3,8 till 5,2 eller 10% av den nominella uteffekten per minut. Med effektökningar och effektreduceringar är lastförändringar på 50% av den nominella effekten möjliga inom högst en kvart. En ännu högre belastning efter kapacitet finns över 80% av den nominella effekten med effektgradienter på upp till 10% av den nominella effekten per minut.

För kärnkraftverket Isar 2 specificerades följande prestationsgradienter i bruksanvisningen: 2% per minut för förändringar i produktionen i området från 20 till 100% av den nominella effekten, 5% per minut i området från 50 till 100% av den nominella effekten och 10% per minut i området 80 upp till 100% av den nominella effekten.

PWR styrs av förlängning och indragning av styrstänger . PWR har två typer av styrstänger för detta ändamål: styrstänger som används för effektreglering ( D-Bank ) och styrstänger som alltid förblir i högsta möjliga läge i kärnan under kraftdrift och därmed fungerar som avstängning reserv ( L-Bank ). För en effektökning begränsas effektgradienten bland annat av den tillåtna effekttätheten i reaktorkärnan. En effektreduktion är möjlig i praktiskt taget vilken önskad hastighet som helst.

I PWR sätts styrstavarna in i reaktorkärnan uppifrån, medan det i kokvattenreaktorn görs underifrån. De hålls elektromagnetiskt i en position ovanför reaktorkärnan. I händelse av en reaktoravstängning faller PWR: s styrstavar i kärnan på grund av tyngdkraften.

Reaktorkärnans beteende under belastningsförändringar påverkas av olika faktorer såsom B. Bränsletemperatur, kylvätsketemperatur, kylvätskedensitet, koncentration på 135 xenon (se Xenonförgiftning ) och andra parametrar bestäms.

litteratur

  • A. Ziegler, H.-J. Allelein (Hrsg.): Reaktortechnik : Fysisk-tekniska grunder . 2: a upplagan, Springer-Vieweg, Berlin, Heidelberg 2013, ISBN 978-3-642-33845-8 .
  • Dieter Smidt: Reaktorteknik . 2 volymer, Karlsruhe 1976, ISBN 3-7650-2018-4
  • Günter Kessler: Hållbar och säker kärnklyvningsenergi. Teknik och säkerhet för snabba och termiska kärnreaktorer . Springer 2012, ISBN 978-3-642-11989-7
  • Richard Zahoransky: Energiteknik, system för energiomvandling, kompakt kunskap för studier och arbete med 44 tabeller , 5: e, reviderad. och exp. Upplaga, Vieweg Teubner, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-1207-0 .

Se även

webb-länkar

Commons : Schematiska ritningar av tryckreaktorer  - insamling av bilder, videor och ljudfiler
Wiktionary: tryckvattenreaktor  - förklaringar av betydelser, ordets ursprung, synonymer, översättningar

Individuella bevis

  1. ↑ Den fasdiagram av vatten visas i den nedre delen av följande figur, från vilken ledningen mellan trippelpunkten och de kritiska punktresulterar i mycket lägre kokpunkt tryck i samband med driftstemperaturen. Se fasdiagram . Skillnaden mellan tryckvatten och kokvattenreaktorer ger ett exempel på vad som kallas Gibbs fasregel : I tryckvattenreaktorn är antalet frihetsgrader f = 2 ; Arbetstryck och arbetstemperatur kan ställas in oberoende av varandra och ligger helt inom vätskeområdet i fasdiagrammet. Å andra sidan, i fallet med kokvattenreaktorn, är koktrycket och koktemperaturen ömsesidigt fixerade, och operationen rör sig exakt på gränsen mellan vätske- och ångfaserna ovan. I det här fallet är f = 1 .
  2. ↑ a b IAEA: s statistik över reaktorer världen över , tillgänglig den 10 2015 (engelska)
  3. ↑ ENSI- beskrivning av driftsättet för olika kärnreaktorer. (PDF; 21 kB) s. 6 , arkiverad från originalet den 14 juli 2011 ; Hämtad 22 december 2013 .
  4. ↑ Lätta vattenreaktorer. Hämtad den 7 juli 2011 . Information från Österrikes kärnkraftsförening
  5. ↑ Energimarknaden i fokus - kärnenergi - specialutgåva för årsutgåvan 2010 (PDF; 2,1 MB; s. 10) BWK DAS ENERGIE-FACHMAGAZIN, maj 2010, nås den 27 maj 2015 .
  6. ↑ a b c Holger Ludwig, Tatiana Salnikova och Ulrich Waas: Lastförändrande kapacitet hos tyska NPP. (PDF 2,4 MB s. 2–3) (Inte längre tillgänglig online.) Internationale Zeitschrift für Kernenergie, atw Volym 55 (2010), utgåva 8/9 augusti / september, arkiverat från originalet den 10 juli 2015 ; Hämtad 26 oktober 2014 . Info: Arkivlänken infogades automatiskt och har ännu inte kontrollerats. Kontrollera original- och arkivlänken enligt instruktionerna och ta bort detta meddelande. @ 1@ 2Mall: Webachiv / IABot / de.areva.com
  7. ↑ a b c d Matthias Hundt, Rüdiger Barth, Ninghong Sun, Steffen Wissel, Alfred Voß: Kompatibilitet mellan förnybar energi och kärnenergi i produktionsportföljen - tekniska och ekonomiska aspekter. (PDF 291 kB, s. 3 (iii), 10) University of Stuttgart - Institute for Energy Economics and Rational Energy Use, October 2009, nås den 23 juli 2015 .
  8. ↑ a b c d Skriftlig fråga från MP Ludwig Wörner SPD från 16 juli 2013 - reglerbarhet för bayerska kärnkraftverk. (PDF; 15,1 kB) (Inte längre tillgänglig online.) Www.ludwig-woerner.de, 16 juli 2013, arkiverad från originalet den 24 maj 2016 ; nås den 27 maj 2015 . Info: Arkivlänken infogades automatiskt och har ännu inte kontrollerats. Kontrollera original- och arkivlänken enligt instruktionerna och ta bort detta meddelande.  @ 1@ 2Mall: Webachiv / IABot / www.ludwig-woerner.de
  9. ↑ a b kärnenergi. RWE , nås den 27 maj 2015 .
  10. ↑ Stor flexibilitet gör Emslands kärnkraftverk till en pålitlig partner för förnybar energi. RWE, 15 augusti 2014, nås den 28 maj 2015 .
  11. Nuclear Kärnkraftverk Isar 2 för 10: e gången världsklass. (Inte längre tillgänglig online.) E.ON , 5 maj 2014, arkiverad från originalet den 24 september 2015 ; nås den 27 juli 2015 . Info: Arkivlänken infogades automatiskt och har ännu inte kontrollerats. Kontrollera original- och arkivlänken enligt instruktionerna och ta bort detta meddelande.  @ 1@ 2Mall: Webachiv / IABot / www.eon.com
  12. ↑ a b c LADDNING FÖLJANDE DRIFT OCH PRIMÄR KONTROLL - UPPLEVELSE MED REAKTORENS UPPTAG - Kärnkraftverket Isar. (PDF; 743 kB; s. 1, 7–8) E.ON, nås den 5 augusti 2015 .
  13. Hund M. Hundt, R. Barth, N. Sun, S. Wissel, A. Voß: Fördröjer en förlängning av kärnkraftverkens livslängd utbyggnaden av förnybar energi? (PDF 1,8 MB, s. 25) (Inte längre tillgänglig online.) University of Stuttgart - Institute for Energy Economics and Rational Energy Use, 16 februari 2010, arkiverad från originalet den 23 september 2015 ; nås den 23 juli 2015 . Info: Arkivlänken infogades automatiskt och har ännu inte kontrollerats. Kontrollera original- och arkivlänken enligt instruktionerna och ta bort detta meddelande.  @ 1@ 2Mall: Webachiv / IABot / www.bdi.eu
  14. React Tryckvattenreaktor (PWR). GRS , nås den 3 augusti 2015 .