centrale nucleare 312

8/10/2019 centrale nucleare 312

1/16

Capitolul 4

CENTRALE NUCLEARE

4.1. EVOLUIE I PERSPECTIV

Fade perspectiva epuizrii resurselor clasice de energie, energetica nucleareste privitca o alternativvalabiltehnic pentru perioada imediat urmtoare.

Descoperirea fisiunii nucleare, pe lng oferirea posibilitii de verificareexperimentala teoriilor ensteiniene cu privire la relaia dintre masi energie, a oferito nouperspectivde obinere a necesarului de energie a omenirii.

Descoperirea neutronului n 1932 de ctre James Chadwick a dat posibilitatealui Enrico Fermi i apoi lui Otto Hahn, Lise Meitner i Fritz Strassmann sncerce sobinnoi elemente artificiale radioactive prin iradierea neutronic.

n 1940 Erwin Mattison i Glen Seaborg obin primele elemente transuraniene,neptuniul i plutoniul.

Hahn i Strassmann descoper n 1939 fisiunea nuclearprin bombardarea cuneutroni a nucleului de uraniu. Imediat L.Meitner i nepotul ei Otto Frish interpreteazteoretic fenomenul de fisiune nuclear. Joliot Curie, Halban i Kowarski evideniazicei 2 3 neutroni eliberai dup fisiunea nuclear pe lng cele dou fragmente defisiune deja depistate.

Fermi, Dunning i Szilard obin rezultate nc din 1939 privind reacia defisiune n lanautontreinut.

n 2 decembrie 1942 sub tribunele stadionului Stagg Field al Universitii dinChicago, Enrico Fermi reuete s aduc n stare funcional primul reactor nuclearconinnd 400 t de grafit, 6 t de uraniu i 50 t de oxid de uraniu pentru o putereefectivde 2 kW.

La universitatea din Columbia, Dunning realizeaz succese n obinerea deuraniu mbogit prin difuzie gazoas.

Ca de multe ori n istoria umanitii, considerente militare captprioritate. Din1942 se preconizeazproducerea i testarea bombei atomice.

Sub conducerea lui Oppenheimer n 1943 i 1944 la Los Alamos se construieteprima bombnuclearexperimentatla 16 iulie la Alamogordo.Dup faza construciei reactorilor nucleari de cercetare clasici, n 1946 la Los

Alamos intr n exploatare primul reactor cu neutroni rapizi folosind Pu-239. Sedemonstreaz astfel posibilitatea reproducerii combustibilului nuclear i deci ioportunitatea producerii de energie electric.

Prima centralnuclearo-electricechipatcu reactori cu uraniu mbogit i apsub presiune ca agent de rcire intr n funciune la Shippingport, Pensylvenia, la 2decembrie 1957, realiznd o putere de 60 MW.


2/16

Centrale nucleare - 462

La 1 ianuarie 1988 erau n funciune 417 reactori energetici n 26 de ri cu oputere instalatde 29700 MWe, iar n construcie ali 120 de reactori. La nivelul anilor1995, n trei ri ponderea energiei electrice produse de CNE depete 50%, iar n altenouri se situeazntre 25 50%.

Ponderea energiei electrice produse n CNE se apreciaz la 20% n 1990 nbalana mondiala producerii energiei.

4.2. PROCESE ENERGETICE N REACTORUL

NUCLEAR

4.2.1. Radiaii nucleare

nelegerii fenomenelor dintr-un reactor nuclear i sunt suficiente conceptele destructur ale atomilor la nivelul de electroni, protoni i neutroni ca particulefundamentale. Neutronul i protonul se gsesc i sub denumirea genericde nucleoni.

DacN este numrul de neutroni al unui nucleu atomic, Z cel de protoni, deciA=Z+N este numrul de nucleoni. Z reprezentnd i numrul de electroni egal cu celal protonilor se va numi numrul atomic, iar A numrul de mas.

O modalitate de a evidenia izotopii unui element chimic X prin redarea

numrului de protoni Z i cel de nucleoni A este ZAX . Pentru uraniu aceastsituaie se

prezintn natur, prin existena a trei izotropi:92234U aflat n propor ie de 0,0006 %,92

235U n propor ie de 0,712 % i92238U n propor ie de 99,282 %.

Nucleele stabile conin aproximativ acelai numr de protonii neutroni. Dacexist un exces de neutroni n nucleu, cnd se depete o anumit limit, nucleuldevine instabil. Starea de instabilitate depit se manifest prin dezintegrriradioactive i emiterea de radiaii nucleare, fenomen evideniat n 1896 de H.Becquerel i aprofundat apoi de Marie Curie. Radioactivitatea se manifestprin emisiede particule , (- sau +) i captura unui electron orbital. Aceste manifestri pot saunu sfie nsoite i de radiaii . Producerea radioactivitii este determinatn esende raportul N/Z care caracterizeazgradul de instabilitate al nucleului i relaia mas-energie existentntre nucleul iniial i particulele emise.

Radiaiile sunt reprezentate de nucleele de heliu emise de izotopul radioactivatunci cnd raportul N/Z are valori mici. O particul este ncrcatpozitiv i esteformatdin doi protoni i doi neutroni. Particulele emise au o energie mare.

Radiaiile sunt formate din electroni ejectai din nucleele instabile. Aceste ra-diaii sunt caracteristice pentru nucleele cu exces de neutroni, acetia transformndu-sen protoni. Radiaiile se caracterizeaz prin emisii cu energie continu ntr-unspectru foarte larg. Existo diferenntre nivelul de energie teoretic i cel existent n


3/16

4.2. Procese energetice n reactorul nuclear 63

particulele emise, diferen preluat de particulele neutrino (). Aceste particule

provin din trecerea unui neutron ntr-un proton i electron: ++ 011

11

0 epn

Radiaiile sunt emise de nucleele excitate i sunt radiaii electromagnetice.Nucleele excitate dupemiterea de fotoni pot reveni n stri energetice fundamentale.

Captura K caracterizeaz nucleele care nu se stabilizeaz prin emisie deprotoni, cu un deficit de neutroni i n consecinaceste nuclee capteazun electron depe statul K, cel mai apropiat nucleului.

Legea fundamental care guverneaz radioactivitatea se refer la constana ntimp a probabilitii de dezintegrare a unui radionuclid. Notnd cu aceast

probabilitate, aceast lege se scrie Ndt

dN= cu soluia t0eNN

= , unde N0 este

numrul de nuclee la t=0. Timpul necesar ca numrul de nuclee s se reduc lajumtate prin dezintegrare se numete timp de njumtire.

Neutronii i fotonii, neutrii electric, pot interaciona cu nuclee chiar i fr aavea energii excesiv de mari.

Reaciile neutronice sunt cele ce au loc ntre neutroni i nuclee, cea maiimportantfiind reacia de fisiune nuclear. n acest caz, sub impactul unui neutronaccelerat nucleul se sparge n dou fragmente de fisiune. Are loc i o eliberare de doi,trei neutroni rapizi, ct i o cantitate mare de energie.

Fisiunea unui kilogram de U235elibereazo cantitate energie de 2.930.000 orimai mare dect energia obinutprin arderea unui kilogram de combustibil clasic.

Schematic, reacia de fisiune nuclearse reprezintn fig.4.1.

Fig.4.1. Reacia de fisiune nuclear. nucleu iniial, nucleu compus, Sr-stroniu, Xe-xenonul

Produsele de fisiune sunt radioactive i au timpul de njumtire cuprins ntremicrosecunde i mii de ani. Dintre neutronii de fisiune peste 99% sunt neutroniprompi, adic eliberai n 10-4s, iar cei n proporie de 1% sunt neutroni ntrziai.Acetia din urm sunt de o importan deosebit n comportarea dinamic areactorului.

Pentru evidenierea cantitativa interaciunii dintre radiaiile nucleare i mediuse introduc mrimi fundamentale ca:

- Activitatea. Caracterizeaz intensitatea sursei radioactive i se exprim prinnumrul de dezintegrri n unitatea de timp. Are ca uniti de msur1 Bq (becquerel) = 1 dezintegrare/s sau 1 Ci (curie) = 3,71010dezintegrri/s.


4/16


- Doza absorbit. Definete cantitatea de energie transferat unei uniti dematerial absorbant de radiaii. Are ca uniti de msur1 Gy (grey) = 1 J/kg sau 1 rad= 100 erg/g, deci 1 Gy = 100 rad.

Debitul dozei absorbite se obine prin raportarea dozei la timpul expunerii laradiaie.

- Echivalentul de doz. Pentru c radiaiile nucleare produc efecte biologicediferite pentru aceeai doz absorbit se va evidenia factorul de calitate al radiaieiincidente. Ca unitate de msurse folosete Sievertul (Sv) reprezentnd echivalentulde dozpentru esutul expus radiaiei, avnd factor de calitate unitar atunci cnd doza

absorbit este de 1 Gy. Se mai folosete ca unitate de msur i rem-ul (roentgenequivalent man) cu relaia: 1 Sv = 100 rem.-Seciunea nuclear. Msurarea sau calculul probabilitii de producere a unei

reacii nucleare se exprimprin seciunea nuclearsau seciunea eficace nuclear.

4.2.2. Fisiunea nuclearn lan

Numrul mediu de neutroni emii la fisiunea izotopului U235este de 2,43. Daccel puin unul din acetia va determina o altreacie de fisiune vor rezulta ali neutronicare pot ntreine n continuare reacia, care devine reacie de fisiune n lan. Eaconstituie fenomenul esenial dintr-un reactor nuclear.

Se poate calcula energia produs prin fisiune nuclear n lan din fisiuneatuturor nucleelor aflate ntr-un gram de U235tiind cfisiunea unui nucleu elibereazcca. 200 MeV. Numrul lui Avogadro, egal cu 6,0221023, reprezint numrul denuclee existente ntr-un atom gram. Deci nucleele existente ntr-un singur gram alizotopului U235 vor fi 6,02210

23/235 = 2,561021. Deci energia eliberat este2,561021200 MeV, ceea ce corespunde aproximativ la 1 MW produs n 24 de ore.

Aceeai energie s-ar obine ntr-o termocentralprin arderea a 2570 kg crbune.Cantitatea minimde material fisionabil care poate asigura o fisiune nuclearn

lan autontreinut se numete mas critic. Pentru U235 masa critic variaz ntre1 kg i 200 kg funcie de caracteristicile reactorului, dimensiunile lui i de dinamicaneutronilor. Aceasta din urmse poate caracteriza prin factorul de multiplicare dat de

raportul neutronilor produi ntr-o generaie i cel din generaia precedent. Pentru ofisiune nuclear staionar densitatea neutronilor este constant, factorul demultiplicare este deci unitar i se spune creactorul a atins starea critic. Generaia deneutroni definete mulimea neutronilor existeni n reactor ntre dou fisiunisuccesive. Viaa neutronilor n reactor este de ordinul microsecundelor. Pentru a evitaposibilitile de scpare a neutronilor din reactor, acesta va fi prevzut spre exteriorullui cu un reflector realizat dintr-un material slab absorbant de neutroni. La reactorulCANDU reflectorul este realizat dintr-o zoncircularde apgrea.


5/16


4.2.3. Moderarea neutronilor

Moderarea reprezintprocesul de ncetinire a neutronilor ultrarapizi rezultai nurma fisiunii nucleare. Aceast ncetinire are loc pn la o vitez a neutronilorcorespunztoare emiterii de ctre acetia a energiei termice. Un neutron moderat semai numete i neutron termic.

Moderarea neutronului este urmarea ciocnirilor elastice i neelastice ale acestuiacu nucleele mediului moderator aflat n zona activa reactorului.

Prin moderare, energia neutronului scade de la 2 MeV la aproximativ 0,025 eV.Pentru creterea pierderii de energie a neutronului moderatorul va trebui sfie format

din nuclee uoare. Materialele folosite ca moderatori i probeaz calitile prinputerea de moderare, proporional cu decrementul logaritmic mediu al energieineutronului, i coeficientul de moderare, rezultat prin raportarea puterii de moderare laseciunea efectiv nuclearmacroscopica neutronilor.

Dintre substanele moderatoare se remarc apa grea, D2O, avnd cel mai buncoeficient de moderare i necesitnd circa 36 de ciocniri ale neutronului rapid pnlatermizarea lui. Reactorii CANDU folosind combustibil nuclear uraniul natural au camoderator apa grea, aceasta avnd i seciunea nuclear de absorbie a neutronilorfoarte mic.

Grafitul, cu un coeficient de moderare bun, este folosit la reactorii de tipul GCR(Gas Cooled Reactor reactor rcit cu gaz) i AGR (Advanced Gas Cooled Reactor reactor avansat, rcit cu gaz). Grafitul determin termizarea neutronului dup 115

ciocniri succesive.Apa uoar are proprieti bune pentru moderarea neutronilor, dar produce

absorbii parazite de neutroni. n consecin va fi folosit numai n reactoriifuncionnd cu uraniu mbogit de tipul PWR (Pressurized Water Reactor reactor cuap sub presiune), BWR (Boilling Water Reactor reactor cu ap n fierbere) sauVVER (Vodo Vodianoi Energheticeskii Reactor reactor energetic ap-ap). Apauoarreuete termizarea neutronului dup20 de ciocniri succesive.

Se folosesc ca moderatori i beriliul (Be) sau oxidul de beriliu (BeO).Neutronii eliberai n urma fisiunii nucleare i aflai n reactor constituie un gaz

de netroni. Cunoaterea comportrii acestui gaz de netroni, distribuia lui n zonaactiv a reactorului este foarte important n evoluia reaciei de fisiune i deproducere a puterii n reactor.

4.2.4. Arderea combustibilului nuclear

Arderea combustibilului nuclear este un proces bazat pe reaciile de fisiunenucleari pe reacii de transmutan. Acest lucru este condiionat de:

- consumarea nucleelor de U235prin fisiunea cu neutronii termici;- consumarea nucleelor de U238 prin fisiunea cu neutronii rapizi i

transformarea lor n nuclee de Pl239(plutoniu);- consumarea nucleelor de U239prin fisiunea cu neutronii termici.


6/16


Arderea combustibilului modific condiiile de criticitate datorit schimbriicompoziiei i concentraiei de nuclee fertile i fisionabile. Fluxul de neutroni estemaxim la nceput n zona centrala reactorului. Aici atinge un maxim transformareamaterialului fertil n unul fisil i deci i un maxim de producere a samariului ixenonului. Aceste douaspecte duc la micorarea fluxului iniial de neutroni i deci latransferarea locului de maxim al reaciei de fisiune. Fenomenul de ardere alcombustibilului nuclear determinmeninerea condiiilor de criticitate a reactorului.

Sunt necesare o ncrcare i distribuire a combustibilului proaspt n zona activa reactorului.

Dar pn la obinerea formei i compoziiei necesare pentru a fi introdus nreactor, combustibilul nuclear trece prin mai multe faze pregtitoare.

Produsul cu concentraie de uraniu necesar, numit i yellow-cake, parcurgeanterior etapele [3], [4]:

-Etapa I:mbogirea pe cale fizica minereului de uraniu.-Etapa II: Dizolvarea minereului de uraniu prin solubilizri acide sau alcaline.

Solubilizarea acidse realizeazprintr-un consum mare de acid sulfuric, acid azotic, acidclorhidric, care dau natere la reacii de oxidare desfurate la presiuni de 4 12 bar.

Solubilizarea alcalin se realizeaz prin amestecarea minereului de uraniu cusoluii de carbonat de sodiu.

Soluia astfel obinutse barboteazcu aer sub presiune n zona temperaturii defierbere.

Soluiile obinute prin cele dou metode se filtreaz n vid i se separelementele compoziiei obinute.

-Etapa III: Purificarea i extragerea compuilor de uraniu. Indiferent demetoda adoptat se repet ciclic purificri i reextracii ale uraniului cu randamente

pn la 80%. Ulti-mele operaii constaudin filtrare, splare,iar dup uscare re-zultyellow-cake.

Acest amestectrebuie sconins-ruri sau oxizi deuraniu cu o concen-traie de 70 75%.

Standardele impun oconcentraie minimde uraniu de 60%,umiditate sub 10% iimpuritile se limi-teaz la 10%vanadiu, 6% fosfor,0,2% bor, 10% sulfat,

2% carbonat. Acest amestec se livreazsub formde pulbere sau granule.

Fig.4.2. Fascicul de combustibil CANDU.


7/16


Yellow-cake se va modela sub forme cilindrice, sferice sau tubulare, care apoisunt acoperite cu o teac protectoare. Aceast teac este confecionat din zirconiu,care rezistbine la aciunea coroziva agentului de rcire cu care vine n contact nprocesul transferului clduri din reactor. Se mai folosesc n locul zirconiului beriliusau aliaje de aluminiu cu magneziu. La reactoarele CANDU-PHWR (PressurizedHeavy Water Reactor reactor cu apgrea sub presiune) combustibilul de afl subform de bare n numr de 37, dispuse pe trei cercuri concentrice. Acest lucru esteredat n fig.4.2. pentru centrala CANDU-PHWR.

4.2.5. Controlul reaciei nucleare

Controlul reactorului nuclear va asigura pornirea reactorului, aducerea lui laputerea cerut, funcionarea la putere constanti oprirea n condiii normale sau deavarie.

Pentru pornirea reactorului este necesarasigurarea condiiilor de criticitate ide realizare a coeficientului de multiplicare k=1. n acest caz fluxul de neutroni esteconstant n timp i reacia de fisiune nucleardevine staionar. Realiznd k > 1, decicreterea numrului de neutroni ai unei generaii fa de cea anterioar, cretedensitatea fluxului de neutroni i va crete i puterea reactorului.

Alimentarea cu combustibil al reactorului este discontinu n timp, lucru ceimpune existena la pornire a unui exces de combustibil fade cel critic. Acest faptdetermin un exces de reactivitate. Este necesar ns existena unei rezerve dereactivitate i n exploatarea reactorului. Rezult c n exploatarea normal areactorului controlul reaciei se realizeaz prin controlul excesului de reactivitateexistent.

Metoda clasic de control a reactorului nuclear const n folosirea barelor decontrol. Acestea sunt compuse din materiale care absorb puternic neutronii. Exemplede astfel de materiale sunt aliajele de cadmiu, indiu i hafniu sau aliaj al oelului cuborul. Aceste bare se introduc n zona activ a reactorului i determin absorbii

parazite de neutroni reducnd fluxul neutronilor.Barele de reglaj sunt n numr foarte mare i forme diferite pentru a realiza oabsorbie uniformde neutroni. La introducerea completa barelor de reglaj reactorultrece n starea subcritici reacia de fisiune n lanse oprete.

O altmetodde reglaj i control a reactorului constn dizolvarea de otrvurin moderator. Acidul boric (H3BO3) este o astfel de otravpentru BWR, el absorbindneutroni. La reactorul CANDU controlul reactorului se realizeaz prin urmrireanivelului de moderator, adica apei grele.


8/16


4.2.6. Otrvirea reactorului

Xenonul (Xe135) i samariul (Sm149) sunt produse de fisiune nuclear careabsorb neutroni n mod parazit i se vor numi otrvuri pentru reactor. Primul esteinstabil cu o perioadde njumtire de 9,2 h, iar al doilea este stabil.

La oprirea reactorului nceteaz producerea Xe135 prin fisiune nuclear, darcontinuapariia lui prin dezintegrarea iodului I135existent n reactor. Crete n acestfel concentraia de Xe135, concentraie care scade apoi prin dezintegrarea proprie.Aceastdinamica concentraiei depinde de intensitatea fluxului de neutroni existentnaintea opririi reactorului.

Timpul de otrvire cu Xe a reactorului CANDU este de 32 h dupoprire, timpmort, cnd reactorul nu poate fi pornit.De asemeni, la salturile de putere ale reactorului, ndeosebi la scderea puterii

acestuia, apar concentraii mrite de Xe i deci posibilitatea apariiei otrviriireactorului. Se impune existena n reactor a unui exces de reactivitate pentrucompensarea otrvirii cu Xe135.

Samariul, Sm149, fiind stabil, eliminarea acestuia se poate realiza numai princaptur neutronic. Cum Sm149 are o seciune de captur mai mic dect Xe135, laoprirea reactorului acumularea de Sm149 se face mai lent i maximul concentraieiacestuia apare dupce a trecut maximul concentraiei de Xe135.

4.3. TRANSFERUL CLDURII DIN REACTORn CNE scopul funcionrii reactorului energetic este de a produce cldur,

fenomen prezentat anterior. n proiectarea unui reactor nuclear nivelul de putere alacestuia este limitat de aspectul termic i nu neutronic.

ntr-o singur reacie de fisiune nuclear se elibereaz aproximativ 200 MeVcare se repartizeaz astfel: 84% energie cinetic a fragmentelor de fisiune, 4% caenergie de dezintegrare prin radiaii , 3,5% energie n radiaii , 2,5% ca energie aneutronilor de fisiune, restul de 6% se gsete n energia radiaiilor de captur.Energia termicse elibereazdiferit i n locuri diferite n zona activa reactorului.Astfel s-a stabilit experimental urmtoarea balan: 90% n zona activ, 4% nmoderator, 1% n protecia biologici 5% este energia pierdutn particule neutrino.

Transferul de cldurse realizeazprin conducie n interiorul combustibiluluinuclear spre teaca de protecie, iar de la suprafaa tecii spre agentul de rcire princonvecie.

Combustibilul nuclear folosit frecvent n prezent este sub formde ceramicdebioxid de uraniu (UO2) care s-a impus datoritcomportrii bune n condiii de iradiere.n schimb conductivitatea este sczut.

Agentul de rcire evacueaz cldura din zona activ a reactorului spregeneratorul de abur. Odatparametrii aburului obinui, evoluia lui ct i instalaiilecomponente sunt asemntoare cu cele din CTE.


9/16

4.4. Filiere nucleare energetice 69

Se poate ntmpla ca o parte a agentului de rcire sse transforme n abur ninteriorul canalelor de rcire. Dac transformarea n abur este parial se realizeazdoar un transfer de cldurconvectiv mai bun. Dactransformarea de stare este total,atunci reactorul nuclear are i funcia de generator de abur.

Prin canalele de rcire practicate n masa combustibilului nuclear circul caagent de rcire unul din urmtoarele fluide de rcire: apa obinuit care pentru a fimeninutn stare lichideste supusunor presiuni mari, apa grea, gaze ca CO2, He,amestec de He-Ne sau sodiu lichid. Fluidele de rcire fiind n contact direct cu masacombustibilului nuclear devin radioactive.

4.4. FILIERE NUCLEARE ENERGETICE

Diversitatea tipurilor de reactori nucleari este dat de tipul combustibiluluinuclear, al moderatorului i al agentului de rcire.

Reactorii nucleari care folosesc acelai moderator i agent de rcire formeazofiliernuclearenergetic.

O filier nuclear se identific dup iniialele cuvintelor cheie care definescmoderatorul i modul de rcire, cuvinte din limba englez. Reactorii nucleariconstruii n fosta URSS au altidentificare.

Tabelul 4.1. Prezintprincipalele filiere nucleare energetice [4].

Tabelul 4.1. Strategii i filiere energetice

Strategii FiltreTipuri de

reactoriModerator

Agent de

rcire

GCR GCR Grafit CO2Uraniu natural UO2 HWR HWR, BHWR D2O D2OGCR AGR, HTGR Grafit CO2, He

LWRPWR, BWR,

VVER, LWBRH2O H2O

RBMK RBMK Grafit H2OSGHWR SGHWR D2O H2O

Uraniu mbogit 1,53% U235n UO2

MSR MSBR Grafit Sruri topite

Plutoniu FBRLMFBR

GCFBR

-

-

Na lichid

HeGCR THTGR Grafit HeToriu

HWR PHWR D2O D2O

GCR Gas Cooled Reactor (Reactor rcit cu gaz)

AGR Advanced Gas Cooled Reactor (Reactor avansat rcit cu gaz)

HTGR High Temperature Gas Cooled Reactor (Reactor cu nalt temperaturrcit cu gaz)


10/16


THTGR Thoriu High Temperature Gas Cooled (Reactor cu toriu de nalttemperaturrcit cu gaz )

HWR Heavy Water Reactor (Reactor cu apgrea)

PHWR Pressurized Heavy Water Reactor (Reactor cu apgrea sub presiune)

BHWR Boiling Heavy Water Reactor (Reactor cu apgrea n fierbere)

LWR Light Water Reactor (Reactor cu apuoar)

PWR Pressurized Water Reactor (Reactor cu apsub presiune)

BWR Boiling Wather Reactor (Reactor cu apn fierbere)

LWBR Light Water Breeder Reactor (Reactor reproductor cu apuoar)SGHWR Steam Generating Heavy Water Reactor (Reactor moderat cu apgrea

i rcit cu apuoarn fierbere)

MSR Molten Salt Reactor (Reactor cu sruri topite)

MSBR Molten Salt Breeder Reactor (Reactor reproductor cu sruri topite)

FBR Fast Breeder Reactor (Reactor reproductor cu neutroni pozitivi)

LMFBR Liquid Metal Fast Breeder Reactor (Reactor reproductor cu neutronirapizi, rcit cu metale lichide)

GCFBR Gas Cooled Fast Breeder Reactor (Reactor reproductor cu neutronirapizi, rcit cu gaz)

VVER Vodo Vodianoi Energheticeskii Reactor (Reactor energetic ap-ap)

Se specific faptul c un reactor este reproductor dac numrul de nucleefisonabile rezultate dintr-un nucleu fisonat este supraunitar.

Reactoarele rcite cu ap sau materiale organice ajung la temperaturi de290 340C. Temperatura maxima agentului de rcire este obinutla folosirea demetale lichide, ajungndu-se la 500C.

Este important transferul cldurii spre exteriorul reactorului pentru a realiza odiferende temperaturntre ieirea i intrarea n reactor a fluidului de rcire t, ctmai mare. Aceastdiferenare valori de la 20 - 35C i n cazul reactoarelor rcite cu

ap, pnla 235 - 240C la cele rcite cu metale topite.Dac rcirea este fcutcu ap lichidpentru a asigura aceaststare a apei seimpune folosirea de presiuni de 100 130 bar, presiune care scade la 10 25 barpentru ceilali ageni de rcire.

Agentul de lucru din turbin, aburul, trebuie saibtemperatura i presiunea ctmai mare pentru a dezvolta lucrul mecanic necesar n turbin. Aceti parametri depindde tipul agenilor de rcire i de numrul treptelor circuitului termic. Dacagentul dercire este n acelai timp i agent de lucru, n central exist o singur treapt acircuitului termic. Se construiesc CNE cu dousau trei trepte ale circuitelor termice.


11/16

4.5. Scheme i circuite termice n CNE 71

Cteva valori comparative ale parametrilor circuitului termic sunt date nfig.4.3.

Fig.4.3. Parametrii circuitului termic n CNE: a) temperatura fluidului de rcire la intrarea i ieirea dinreactor; b) presiunea fluidului de rcire; c) temperatura aburului la turbin; d) presiunea aburului

la turbin; tGA diferena de temperaturn generatorul de abur.

Se remarcvalorile parametrilor aburului mai coborte dect n cazul CTE.

4.5. SCHEME I CIRCUITE TERMICE N CNE

4.5.1. Scheme cu un singur circuit

Acest caz este cel mai simplu constructiv. Cazanul din CTE este nlocuit cureactorul nuclear care va reprezenta sursa de cldurct i generatorul de abur. Acestultim aspect se realizeazprin transformarea de stare a agentului de rcire care devineagent de lucru n turbin. Acest agent este apa uoarn BHWR. Schema termicdeprincipiu a unei astfel de CNE este reprezentatn fig.4.4. Apa antrenatde pompa dealimentare a reactorului PAR ajunge n zona lui activla starea de abur saturat.

Urmeazdestinderea n prima treapta turbinei pnla un titlu acceptabil, dupcare aburul ajunge n separatorul de umiditate SU, micorndu-i coninutul de umiditate.O parte a aburului corespunztor acestei stri cedeazcldurprenclzitorului PA, iar


12/16


cantitatea cea mai mare se destinde n treaptaa doua a turbinei. Evoluia ciclica agentuluitermic este asigurat de condensatorul Cd ipompa de condens Pcd.

Dezavantajul schemei este c aburulobinut este saturat i el este i radioactivcontaminnd circuitul termic al centralei. Estedeci necesaro protecie biologic.

Variante ale schemei cu o singurtreapt folosesc un tambur pentru separarea

aburului umed TS, ct i o renclzire sau o supranclzire a aburului n reactor. Douastfel de scheme sunt redate n fig.4.5.

Fig.4.5. Scheme cu un singur circuit prevzute cu tambur de separare. a) Schemcu abur supranclzit SI,LWGRSH; b) Schemcu abur renclzit cu circuite cu doupresiuni.

4.5.2. Scheme cu doucircuite

Pentru a reduce contaminarea radioactiv a instalaiilor circuitului termic seseparcircuitul agentului de rcire de cel al agentului termic. Apar deci doucircuitedistincte. n primul circuit se afl reactorul nuclear, generatorul de abur,presurizatorul, pompa de alimentare a reactorului sau suflanta de gaze dacrcirea deface cu gaz. Fluidul de rcire poate fi CO2 (GCR, AGR), apa grea (PHWR), heliu(HTGR) sau apa uoar(PWR, VVER).

A doua funcie a reactorului la CNE cu un singur circuit, aceea de a generaabur, este preluatacum de o instalaie specificacestei funcii numitchiar generatorde abur.

Primul circuit primar fiind radioactiv este containerizat n anvelop. Al doileacircuit are acum caracterul clasic din CTE.

Generatorul de abur are dou pri funcionale: economizorul i vaporizorul.Aburul obinut poate fi saturat sau supranclzit.

Fig.4.4. Schema termiccu o treapt.


13/16

4.5. Scheme i circuite termice n CNE 73

Pentru supranclzire se poate folosi o noutrecere prin reactorul nuclear sau oinstalaie clasicfuncionnd cu combustibili fosili.

n fig.4.6.a. turbina funcioneaz cu abur saturat, tipul reactorului fiind PWR,VVER sau PHWE.

Fig.4.6. Variante de circuite termice cu doutrepte n CNE. a) Cu abur saturat; b) cu abur supranclzitclasic n circuitul termic, c) cu abur supranclzit clasic cu tambur de separare TS i presurizor,d) cu abur supranclzit intermediar n circuitul termic i rcire cu gaz antrenat de ventilatorul V

n circuitul primar.

n varianta din fig.4.6.b apare supranclzitorul clasic SI , obinndu-se aburulsupranclzit, ct i degazorul D, cunoscut din circuitul termic al CTE.

Varianta din fig.4.6.c prezint o combinaie cu tambur de separare obinndabur saturat cu un supranclzitor clasic SI pentru obinerea aburului supranclzit. Se


14/16


observn circuitul primar i un presurizor avnd rolul de reglare a presiunii din acestcircuit, reglare necesardatoritvariaiilor de volum al agentului de rcire supus unorvariaii de temperaturn miezul reactorului. Prezena presurizorului se impune numaila reactoarele cu ap uoar sau grea n circuitul de rcire. Presurizorul este unrezervor cu abur la partea superioari ap la cea inferioar, unde se afl n imersienclzitori electrici. Presiunea este reglatprin variaia nclzirii apei.

Generatorul de abur GA care apare n schemele cu dou circuite este unschimbtor de cldur de tip vaporizor, adic agentul termic secundar i schimbstarea de la intrarea pnla ieirea din GA.

n fig.4.6.d. se prezintsituaia unui reactor rcit cu gaz de tipul AGR sau GCR,

lucru ce duce la nlocuirea pompei n circuitul primar cu un ventilator V. Generatorulde abur GA permite doutreceri ale apei sau ames-tecului ap-abur din circuitultermic dup o destindereparial n turbin. Deciturbina va avea doucorpuri,de nalt presiune CP i dejoaspresiune CJP.

La acest tip de reactorinucleari variaia temperaturiila ieire fade intrare este de

150 250C la GCR, 300 350C la AGR i maxim 350400C la HTGR. Cum GAare un circuit strbtut deagentul de rcire radioactiv,GA se va amplasa n anve-

lopa reactorului. Existmai multe GA pentru un reactor nuclear. O schide principiu,cu amplasarea prilor componente ale circuitului primar ntr-un reactor PWR esteredatn fig.4.7.

4.5.3. Scheme cu trei circuite

Reactorii reproductori au o temperatur mult mai ridicat n zona activ. Seimpune deci o evacuare mai eficienta cldurii, lucru care duce la adoptarea sodiuluilichid ca agent de rcire. Sodiul are nsreacii chimice explozibile n contact cu apa.Acest lucru duce la adoptarea unui circuit intermediar ntre cel primar i cel termic. nacest circuit intermediar circultot sodiul lichid. Pentru evitarea contactului cu apa dincircuitul termic, generatorul de abur GA va fi construit cu perei dublii. Costul lui ar fifost mult mrit dacse construia pentru parametrii circuitului primar. n fig.4.8. se dschema cu trei trepte pentru un LMFBR cu o supranclzire intermediarSI a aburului.

Fig.4.7. Componentele principale din circuitul primar al PWR


15/16

4.7. Reactorul CANDU 75

Fig.4.8. Circuit termic cu trei trepte n CNE.

n aceastvariantagentul de rcire intrn reactor cu 300C i iese cu 500C,iar aburul ajunge la 430C i 50 bar. Este cazul reactorului BN 350 de 1000 MW dinfosta URSS [3].

4.6. RANDAMENTUL CNE

Randamentul unei CNE, innd cont de specificul fenomenelor care apar nfuncionare, este definit ca raportul energiei electrice produse i energia totalconsumatde central. Deci apare ca un indicator global al CNE.

Randamentul CNE este limitat de randamentul ciclului termic care este mai micdect la o CTE, datoritparametrilor mai mici ai aburului la intrarea n turbin.

Randamentul reactorului nuclear este aproape unitar, circuitul primar alagentului de rcire fiind unul nchis. La CNE cu mai multe trepte n circuitul termic,randamentul fiecrui circuit intervine ca un factor n produsul randamentelorreactorului i al circuitului termic clasic.

CNE cu GCR realizeazrandamente ntre 19% i 41% n Anglia i 22% pnla31% n Frana [3]. Reactorii nucleari CANDU din CNE funcioneaz la randamentepnla 30%.

4.7. REACTORUL CANDU

Reactorul CANDU-600 MWe care echipeaz i prima CNE din Romnia areurmtoarele caracteristici:

1. Generaliti putere nominal: 600 MWe randament global: 29,3% combustibil: UO2 natural moderator: D2O agent de rcire: D2O sub presiune


16/16


2. Reactorul material: oel inox dimensiuni interioare: 7600040028,6 mm protecia de capt: cu bile de ecranare lungime total: 7770 mm volumul calandrei: 219,7 m3

3. Tuburile i canalele de combustibil numr (tub+canal): 380 buc. material tub: zircaloy 2 dimensiuni tub: 12910801,4 mm dimensiuni canal: 1031080434 mm

4. Caracteristici nucleare numr de celule: 380 buc. reeaua celulelor: ptratic flux maxim de combustibil: 1291014neutroni/cm2/s

5. Moderatorul puritate: 99,75% D2O volum total: 237,84 m3 schimbtoare de cldur: 2 buc. sarcintermic: 127 MW

6. Agentul de rcire puritate: 95% mol volum total: 120 m3 presiune: 10 MPa debit pe canal: 24 kg/s temperatura la intrare: 276C temperatura la ieire: 312C puterea maximpe canal: 0,5 MW

7. Sisteme de oprire avarie nr.1: bare de oprire cu cdere liber avarie nr.2: injector de otravn moderator

8. Turbogeneratorul

1 bucatn ansamblu tandem, treapta de naltpresiune cu circuit dublu,cea de joaspresiune tot cu circuit dublu

9. Generatorul 1 bucat cu cuplaj direct pe rotor, rcit cu hidrogen, statorul rcit cu

ap; cos = 0,85, Un= 24 kV, 1800 rot/min, P = 685 MW brut.

centrale nucleare 312

Documents