Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

44

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

Typy konstrukcyjne reaktorów jądrowych

1) Reaktory zbiornikowe

wylot
wody
podgrzanej

pręty
paliwowe

pręt
regulacyjny

wlot
wody
zasilającej

osłona
termiczna

rdzeń
reaktora

D

H

Wymiary zbiornika
D – do 6 m ; H – do 20 m
grubość ścianek 150

÷

300 mm

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

45

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

Charakterystyka reaktorów zbiornikowych

- prosta konstrukcja,

- małe wymiary na jednostkę mocy,

- niemożność zwiększenia mocy reaktora

(ograniczenie wytrzymałości ścian zbiornika
reaktora),

- kłopoty z wymianą elementów paliwowych,

- obniżenie ciśnienia do atmosferycznego,

- wychłodzenie reaktora (do kilkudziesięciu

o

C),

- otwarcie pokryw zbiornika,

- trudny do wykonania zbiornik ciśnieniowy.

Uwaga:

większość reaktorów na świecie

→

zbiornikowe

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

46

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

2) Reaktory kanałowe

chłodziwo

wylot
podgrzanego

chłodziwa

paliwo

moderator

( grafit, D O )

2

zbiornik

ciśnieniowy

kanał

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

47

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

Rozdzielenie ról moderatora i chłodziwa

Charakterystyka reaktorów kanałowych:

- eliminacja dużego zbiornika reaktora,
- możliwość zwiększenia mocy reaktora,
- wymiana elementów na bardziej wytrzymałe,
- dodanie elementów,
- możliwość wymiany paliwa bez wyłączania reaktora,
- prosta konstrukcja elementów paliwowych,
- niebezpieczne połączenie grafitu (moderator)i wody

(czynnik roboczy),

- konieczność stosowania paliwa o większym stopniu

wzbogacenia,

- duże rozmiary reaktora (konieczność stosowania

dużej ilości grafitu),

- możliwość produkcji plutonu (stosowana jedynie w

reaktorach RBMK –dawne ZSRR)

Obydwa typy reaktorów – zbiornikowe i kanałowe –

stosowane na skalę przemysłową

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

48

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

Typy reaktorów ze względu na zasadę działania

1. Reaktory na wodę wrzącą BWR.
2. Reaktory wodne ciśnieniowe PWR.
3. Reaktory z przegrzewem pary.
4. Reaktory ciężko wodne.
5. Reaktory Magnox
6. Reaktory gazowe AGR i AGCR.
7. Reaktory wysokotemperaturowe HTGR.
8. Reaktory powielające FBR.
9. Reaktory na neutrony prędkie chłodzone gazem

dysocjującym.

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

49

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

1) Reaktor na wodę wrzącą BWR (Boiling Water
Reactor)

osuszanie

pary

rdzeń

reaktora

(parowanie)

para nasycona osuszona

wytrącanie kropel

rozszerzenie przekroju

zmniejszenie prędkości

wytrącanie kropel

wody

zmiana kierunku

przepływu

para nasycona mokra

lustro wody

para

kosz rdzenia

paliwo

pręty paliwowe

woda zasilająca

(chłodna)

pręt regulacyjny

(węglik boru B C)

pompa obiegu

recyrkulacyjnego

(na zewnątrz

reaktora)

obieg

recyrkulacyjny

(przyspieszenie

porywania

pęcherzy

parowych)

pompa eżektorowa

- strumienica

(wewnątrz reaktora)

woda zasysana

zasilanie wodą pod

wysokim ciśnieniem

4

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

50

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

Reaktor wrzący Monticello (USA) o mocy 472 MW

e

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

51

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
Reaktorów jądrowych

Schemat cieplny siłowni z reaktorem BWR

BWR

Para nasycona

70 bar, 270 C

o

Prądnica

Turbina

Skraplacz

Podgrzewacz
regeneracyjny

Charakterystyka reaktorów BWR:

- prostota konstrukcyjna (jeden obieg),
- nieduże ciśnienie (~70 bar),
- niskie wzbogacenie uranu (~2,5%),
- duże wymiary zbiornika ciśnieniowego,

- pręty regulacyjne wprowadzone od dołu reaktora

(wada),

- skażenie promieniotwórcze układu przepływowego

turbiny (mimo iż większość produktów rozpadu
pozostaje w fazie ciekłej),

- radioaktywne produkty oddzielone w odgazowywaczu

→

do atmosfery,

- niebezpieczny system odprowadzania mieszaniny

para – woda (sytuacje awaryjne) do zbiorników z
zimną wodą.

Uwaga: produkowane wyłącznie w USA (General

Electric)do 1985 zainstalowano około 65 tys. MW

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

52

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

2. Reaktory wodno – ciśnieniowe

PWR (Pressure Water Reactor)

moderator

chłodziwo

WWER

(Wodianno – Wodiannyj Energetičeskij reaktor)

pręty

paliwowe

rdzeń

reaktora

woda
gorąca

woda
chłodna

reaktor PWR

(ciśnienie wyższe od

temperatury wrzenia)

pompa obiegu pierwotnego

obieg pierwotny

(skażony)

para nasycona

(do turbiny)

obieg wtórny

(nie skażony)

kondensat

wymiennik ciepła

(parownik)

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

53

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

Reaktor PWR

WWER – 440:
Ø = 3800 mm H

r

= 2500 mm

H = 11840 mm wsad uranu: 42 kg

Reaktor PWR Haddam Neck (USA)

( moc elektryczna 464 MW

e

)

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

54

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

Schemat elektrowni jądrowej z reaktorem WWER - 440

stabilizator

ciśnienia

do obiegu pierwotnego

podgrzewacze elektryczne

woda

para nasycona

wtrysk zimnej wody

( p )

( p )

1 – reaktor ; 2 – pręty regulacyjne; 3 – stabilizator ciśnienia; 4 –

wytwornica pary; 5 – pompa cyrkulacyjna; 6 – turbina; 7- generator ; 8 –
kondensator; 9 – woda chłodząca; 10 – pompa wody zasilającej

PR – podgrzewacz
regeneracyjny

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

55

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

System paliwowy reaktora WWER – 440

kaseta paliwowa – 126 prętów paliwowych
całość paliwa – 349 kaset paliwowych
regulacja mocy – 37 kaset regulacyjnych
kosz – możliwość demontażu do remontu

Paliwo U

238

U

235

– wzbogacenie 2.5

÷

4.5%

Charakterystyka reaktorów PWR

1. Istotna poprawa bezpieczeństwa (eliminacja

skażenia obiegu wtórnego – roboczego).

2. Znacznie większa średnia gęstość mocy w rdzeniu

– średnio:

80

÷

100 [kW/l]

(reaktory BWR – 50 [kW/l])

3. Znacznie większa średnia gęstość mocy w paliwie

~ 30 [kW/kg]

(reaktory BWR ~ 20 [kW/kg]

4. Znacznie mniejsza objętość reaktora przy tej samej
mocy

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

56

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

3. Reaktory z przegrzewem pary

Wada reaktorów PWR i BWR:

czynnikiem roboczym para nasycona

⇓

po każdym rozprężeniu pary pojawiają się krople wody

⇓

niebezpieczeństwo erozji

⇓

konieczność separacji kropel wilgoci

⇓

obniżenie sprawności obiegu

Poprawa sprawności poprzez przegrzew pary:

Wynik: możliwość zastosowania typowych

(wysokosprawnych) turbin energetycznych

wytwornica

pary

(BWR)

przegrzewacz

pary

t

n

temperatura
nasycenia

para
przegrzana
do turbiny

temperatura
przegrzewu

t

p

Dodatkowe

ciepło

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

57

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

Reaktor wrzący z przegrzewem pary, kanałowy typu

Biełojarsk

- Kanałowy:
- wrzący (obieg pierwotny)
- grafit – moderator; chłodziwo (woda, para)

Obieg pierwotny (wrzący) – 730 kanałów

Obieg wtórny (przegrzewu) – 268 kanałów

Grafit – 5% mocy cieplnej – temp 500

÷

750

o

C

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

58

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

Schemat kanału paliwowego reaktora Biełojarsk

60

00

wlot

chłodziwa

wlot

chłodziwa

wylot

czynnika

roboczego

sekcja

paliwa

grafit

wylot

czynnika

nagrzanego

stal

nierdzewna

paliwo

paliwo - stop uranu (wzbogacenie 1,3%) z molibdenem
i magnezem
moc pojedynczego kanału – 560 kW (Ø

≈

80 mm,

długość 6000 mm)
parametry czynnika roboczego 110 bar
510

o

C

moc – 200 MW

e

, 560 MW

c

Uwaga: zestawienie grafit – moderator tylko
woda – chłodziwo

w dawnym

r. kanałowe ZSRR
r. zbiornikowe z przegrzewem pary – USA

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

59

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

Przekrój rdzenia i kanału paliwowego reaktora

Biełojarsk

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

60

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

4. Reaktory ciężkowodne

D

2

O - moderator

σ

e

- przekrój na rozpraszanie neutronów

największy dla wszystkich materiałów

⇓

- bardzo małe rozmiary reaktora

σ

a

- przekrój na absorpcję neutronów

najmniejszy dla wszystkich moderatorów

⇓

możliwość stosowania uranu naturalnego

(niewzbogaconego)

moderator
CANDU
chłodziwo

możliwe H

2

O lub CO

2

ale: uran lekko
wzbogacony (ok. 1%)

CANDU - CANadian Deuterium Uranium
(rozwijane głównie w Kanadzie)

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

61

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

Reaktor CANDU w elektrowni Douglas Point

(Kanada)

Dziennie – wymiana 15 prętów

moderator

D O

2

chłodziwo

D O

2

cyrkon

kierunek

przesuwu
pręta

paliwowego

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

62

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

Schemat cieplny elektrowni CANDU

Reaktor

CANDU

250 C

o

o

o

110 bar 295 C

41 bar 250 C

~

D O

H O

2

2

wymiennik
ciepła

Charakterystyka reaktorów ciężkowodnych:

1. bezpieczeństwo (niewzbogacony uran)
2. możliwość zastosowania gazu jako chłodziwa

⇓

możliwość przegrzewania pary

⇓

możliwość zastosowania wysokosprawnych turbin na

parę przegrzaną

3. uniezależnienie od zakładów wzbogacania paliwa
4. wysoki koszt produkcji D

2

O (0,015% w wodzie

naturalnej) - elektroliza, destylacja
5. pogorszenie własności spowalniających D

2

O

niewielkimi domieszkami H

2

O - konieczność

zapewnienia szczelności obiegu D

2

O

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

63

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

5. Reaktory grafitowo-gazowe

Reaktory BWR i PWR:

- niskie parametry pary (para mokra)
- niska sprawność

⇓

konieczność podwyższania parametrów

Szansa: reaktory grafitowo-gazowe:
moderator - grafit
chłodziwo - gaz (CO

2

, He)

Możliwość zastosowania pary przegrzanej:

Reaktor

gazowy

(temp.

400 - 800 C)

o

podgrzany

gaz

przegrzana para

(do turbiny)

przegrzewacz pary

para nasycona

parownik

kondensat

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

64

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

5.1. Reaktory niskotemperaturowe (Magnox)

GCR - Gas Cooled Reactor

paliwo – uran naturalny (metaliczny)
koszulki – stop magnezu (magnox)

Reaktor

magnoksowy

o

o

CO 40 bar, 410 C

H O(para) 50 bar, 400 C

~

2

2

chłodzenie

skraplacza

Charakterystyka:

- duże rozmiary rdzenia (grafit do 4000 t)
- możliwość pracy na paliwie naturalnym (ale duża

masa paliwa - do 600 t)

- niższe niż w PWR i BWR ciśnienia w rdzeniu
- niska gęstość mocy w rdzeniu (0,5

÷ 1,2 kW/l)

- niska gęstość mocy w paliwie (3

÷ 12 kW/kg)

- rozwijane w Wielkiej Brytani (kanały paliwowe

pionowe) i Francji (kanały paliwowe poziome)

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

65

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

Reaktor magnoksowy Hinkley Point (W. Brytania)

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

66

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

5.2. Reaktory grafitowo-gazowe na paliwo

wzbogacone.

AGR, AGCR (Advanced Gas-Cooled Reactor)

Reaktory magnoksowe – max. temp. CO

2

→

410

o

C

(dopuszczalna temperatura magnox – koszulka)

Poprawa parametrów:

- zmiana materiału koszulki (stal nierdzewna, stop

cyrkonu),

- wzbogacenie paliwa (2

÷

4%) przykład: reaktor

AGCR – Dungeness (W. Brytania) moc 600 MW

e

Reaktor

AGCR

~

o

CO 34 bar, 675 C

2

H O(para) 160 bar, 566 C

o

2

chłodzenie

skraplacza

Uwaga:

możliwość zastosowania typowych

turbin energetycznych

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

67

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

Problem powielania paliwa

X

B

A

Y

D

C

N

izotop rodny

(nierozszczepialny)

izotop

rozszczepialny

(paliwo)

Miara efektywności procesu powielania paliwa,
stosunek powielania (uzysk paliwa):

L

2

G

−

−

η

=

η

- liczba neutronów powstających w wyniku

rozszczepienia (na 1 neutron ulegający absorpcji w
materiale rozszczepialnym),

L

– liczba neutronów tracona wskutek absorpcji w

materiale nierozszczepialnym i uciekających z
rdzenia (przypadająca na jeden neutron)

uzysk (powielanie) paliwa

L

2

0

G

+

>

η

⇒

>

⇒

największe wartości

η

:

- w zakresie neutronów termicznych:

(

)

28

,

2

U

233

=

η

- w zakresie neutronów prędkich:

(

)

53

,

2

Pu

239

=

η

⇓

możliwość zastosowania w procesach powielania

paliwa !!!

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

68

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

możliwe reakcje powielania:

neutrony termiczne

neutrony prędkie

233
92

232
90

U

Th

⇒

239
94

238
92

Pu

U

⇒

reaktory HTGR reaktory na neutrony
prędkie FBR

FBR (Fast Breeder Reactor)

Charakterystyka reaktorów FBR:
- brak ciśnieniowej obudowy reaktora,
- brak moderatora + efektywne chłodziwo,

⇓

- małe wymiary rdzenia: 0,5

÷

0,8 MW/l (FBR),

0,05

÷

0,08 MW/l (PWR),

- wysokie parametry pary (możliwość stosowania

turbin konwencjonalnych – sprawność do 40%, dla
PWR do 30%,

- dobre wypalenie paliwa
BWR - 27500 (MWd/t)
PWR - 33500 (MWd/t)
GCR - 3600 (MWd/t)
ciężkowodne - 12000 (MWd/t)
AGCR - 20000 (MWd/t)
HTGR - 100000 (MWd/t)

powielanie

FBR - 100000 (MWd/t)

paliwa

izotop
rodny

paliwo

izotop
rodny

paliwo

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

69

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

5.3. Reaktory wysokotemperaturowe HTGR

(High Temperature Gas Reactor)

moderator – grafit
chłodziwo – hel (dobre odprowadzanie ciepła)
paliwo- uran wysokowzbogacony (93%)

UC

2

(19%); ThC

2

(81%)

p

orowaty grafit pirolityczny

lity grafit pirolityczny

węglik krzemu

lity grafit pirolityczny

Tor – izotop rodny

233
92

232
90

U

Th

⇒

(nowy izotop rozszczepialny)

powielanie paliwa !

Przykład: reaktor Fort Saint Vrain (USA)

Reaktor

HTGR

~

o

He, 50 bar, 770 C

para, 165 bar, 565 C

o

chłodzenie

skraplacza

0,1

÷0,3 mm

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

70

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

Reaktor HTGR – elektrownia Fort Saint Vrain (USA)

(moc 330 Mwe)

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

71

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

1 element paliwowy – 210 kanałów paliwowych
- 108 kanałów chłodzenia

1 element – 570 kW

średnica rdzenia 5940 mm
Wsad paliwa - uran 936 kg
- tor 19500 kg

wymiana paliwa co dwa miesiące

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

72

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

6. Reaktory na neutronach prędkich (FBR)

energia neutronów w reaktorach prędkich

0,05

÷

0,1 MeV

⇓

brak moderatora

⇓

chłodziwo o małej zdolności spowalniania

(najczęściej sód)

⇓

paliwo o dużym wzbogaceniu

(25

÷

75%)

⇓

temperatura wrzenia sodu –833

o

C- brak zbiornika

ciśnieniowego (reaktor pracuje przy ciśnieniu

atmosferycznym)

⇓

sód w obiegu pierwotnym aktywizuje się

⇓

konieczność stosowania pośredniego

obiegu sodowego

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

73

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

Re

ak

to

r

~

para przegrza

na

p>16

0

bar

, t<550 C

o

ch

łodzeni

e

sk

ra

plac

za

o

Na,

500

600 C

o

N

a,

480

580 C

Sch

ema

t cie

pln

y si

ło

w

ni

nu

kle

ar

ne

j z

r

ea

kto

rem

F

BR

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

74

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

Przykład: reaktor Phenix (Francja), 1973 r
233 MWe, 563 MW mocy cieplnej
parametry pracy: 160 bar, 510

o

C

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

75

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

materiał rozszczepialny: UO

2

+ PuO

2

(19,2%)

materiał rodny: zubożony uran U

238

(0,51 U

235

)

- zubożenie o 0,2%

Część I - ENERGETYKA
JĄDROWA

76

ENERGETYKA

I

EKOLOGIA

Rozdział 3 - Przegląd konstrukcji
reaktorów jądrowych

7. Reaktory na neutrony prędkie chłodzone gazem

dysocjującym

proponowany czynnik:













−

+

+

⇔

−

⇔

kg

J

5

,

123

O

NO

2

kg

J

6

,

62

NO

2

O

N

2

2

4

2

ciepło dysocjacji

- duża pojemność cieplna:

7-krotnie większa niż Na i CO

2

2-krotnie większa niż He
- bardzo intensywne przejmowanie ciepła:

- 10

÷

15-krotnie większe niż dla N

2

, CO

2

, powietrza

- 3

÷

4-krotnie większe niż dla pary wodnej

- bardzo mały przekrój czynny na spowolnienie

neutronów (porównywalny z He)

- duża i zmienna z temperaturą stała gazowa

⇒

dwukrotne zmniejszenie zapotrzebowania energii na
sprężanie w porównaniu z He

- możliwość pracy w układzie z jednym obiegiem

(turbina gazowa)
- pięciokrotnie lżejsza turbina w porównaniu z
parową

Uwaga: w fazie badań