Reactoare Nucleare. Advanced CANDU Reactor

Gugila Marius, Nichiforov Cristina, Sulugiu Madalina

Abstract

Acest articol cuprinde informatii generale despreReactorul Nuclear si de asemnenea o prezentare a re-actorului de apa grea sub presiune Advanced CANDUReactor (ACR-700 MW(e)).

1. INTRODUCERE

In Chicago, SUA, 1942 o echipa de oameni de sti-inta condusa de profesorul italian Enrico Fermi a reusitsa provoace prima reactie nucleara controlata. S-a ga-sit astfel o cale de a scinda nucleul masa de protoni sineutroni din centrul unui atom. In acest proces se dis-trugea o cantitate mica de materie. Dar, asa cum prezis-ese fizicianul Albert Einstein, in locul ei era eliberatao cantitate mare de energie sub forma de caldura. Incentralele nucleare are loc acelasi tip de reactie, dar la orata mai lenta si controlata cu grija.

2. REACTORUL NUCLEAR

Reactorul nuclear reprezinta o instalatie complexain care se realizeaza fisiunea nucleelor elementelorgrele, printr-o reactie in lant, controlata, cu scopul dea permite utilizarea energiei degajate.

Reactoarele nucleare de fisiune, indiferent de des-tinatia lor, au urmatoarele elemente comune:

Combustibilul nuclear: Reactia de fisiune in lantare loc in combustibilul nuclear. Aproape toatereactoarele nucleare utilizeaza uraniul drept com-bustibil. Reactoarele comerciale, cu cateva excep-tii, utilizeaza uraniul imbogatit 2-5% in izotopulU235. Unele reactoare utilizeaza un combustibilce contine pe langa uraniu si plutoniu MOX, unalt element fisionabil. Combustibilul si structuramecanica in care acesta este asezat formeaza zonaactiva reactorului.

Moderatorul: Acesta este necesar pentru ince-tinirea neutronilor rezultati din fisiune (neutron ter-mici) pentru a le creste eficienta de producere a

unor noi reactii de fisiune. Moderatorul trebuie safie un element usor care permite neutronilor sa seciocneasca fara a fi capturati. Ca moderatori se uti-lizeaza apa obisnuita, apa grea (deuterium) saugrafitul.

Agentul de racire: Pentru a mentine temperaturacombustibilului in limite tehnic acceptabile (subpunctul de topire) caldura eliberata prin fisiune sauprin dezintegrarea radioactiva trebuie extrasa dinreactor cu ajutorul unui agent de racire (apa obis-nuita, apa grea, dioxid de carbon, heliu, met-ale topite, etc). Caldura preluata si transferata deagentul de racire poate alimenta o turbina pentru agenera electricitate.

Barele de control: Barele de control sunt realizatedin material ce absorb neutronii precum: borul,argintul, indiul, cadmiul si hafniul. Ele sunt in-troduse in reactor pentru a reduce numarul de neu-troni si a opri reactia de fisiune cand este necesar,sau pentru a regla nivelul si distributia spatiala aputerii din reactor.

Majoritatea reactoarelor nucleare moderne sunt re-actoare cu neutroni termici pentru ca ele utilizeaza unmoderator pentru a incetini neutronii rapizi. Cele treimoderatoare utilizate in reactoarele moderne cu neu-troni termici sunt: grafitul, care este format din carbonpur, apa grea, care contine izotopul stabil de hidro-gen numit deuteriu (utilizat de asemenea si drept com-bustibil pentru armele nucleare) in locul hidrogenuluiobisnuit, si apa usoara, sau obisnuita.

In ziua de 17 aprilie 1996 a fost inaugurata oficialCentrala Nuclearo-Electrica de la Cernavoda. In acestfel, Romania a intrat in clubul tarilor producatoare deenergie nucleara.

La Cernavoda se foloseste reactorul CANDU cu oputere instalata de 700 MWe, atat in Unitatea nr. 1, fi-nalizata in 1996, cat si in Unitatea nr. 2, pusa in func-tiune in vara anului 2007. Acronimul CANDU provinede la CANada Deuterium Uranium, care este o marcainregistrata pentru reactorul energetic dezvoltat in anii50-60 de mai multe firme canadiene sub coordonareaAECL (Atomic Energy of Canada Limited).

CANDU este un reactor nuclear de tipul PHWR(Reactor cu Apa Grea sub Presiune), care utilizeazauraniul natural (0,7% U235) drept combustibil si apagrea (D2O) ca moderator de neutroni si agent deracire. Este un reactor eficient deoarece nu are nevoiede uraniu imbogatit, iar tehnologia de obtinere a apeigrele este relativ accesibila. Utilizarea apei grele areca avantaj faptul ca risipeste cei mai putini neutroni.

3. REACTORUL ACR-700

Advanced CANDU Reactor(ACR-700 MWe) esteun model imbunatatit al reacorului CANDU din punctde vedere al sigurantei in exploatare si din punct devedere al eficientei.

Principalele diferente dintre ACR si CANDU sunt:

utilizarea ca si combustibil a uraniului usor imbo-gatit (2,1% in izotopul U-235) si

utilizarea apei usoare (spre deosebire de apagrea) ca si lichid de racire care circula in canalelede combustibil.

3.1. Configuratia Reactorului ACR-700

Reactorul ACR este format dintr-un set de 292 decanale de combustibil aliniate orizontal si aranjate intr-ocarcasa patrata. Canalele de combustibil contin com-bustibilul si lichidul de racire adica apa usoara subpresiune. Acestea sunt montate intr-un vas calandriacare contine moderatorul de apa grea. Vasul calandriaintr-un reactor CANDU este de fapt miezul reactorului.Acesta contine canalele de combustibil.

Vasul calandria este inchis de scuturile care sprijinafiecare capat al acestuia.Scuturile sunt umplute cu bilede protectie si apa pentru a asigura rezistenta . Canalelecu combustibil se localizeaza prin restrictiile reglabilede pe cele doua scuturi si sunt conectate prin cate o con-ducta de alimentare la Heat Transport System (Sistemde transport al caldurii).

Vasul calandria este inchis intr-un seif de betonumplut cu apa usoara pentru protectie. Acest seif esteinchis deasupra de o punte numita reactivity mecha-nisms deck.

3.2. Unitatile de control ale reactivitatii

Unitatile de control ale reactivitatii cuprind dispoz-itive de masurat fluxul, dispozitive de controlat reactiv-itatea si sisteme de inchidere de siguranta. Detectoarelede flux se gasesc in si in jurul miezului reactorului pen-tru a masura fluxul de neutroni, iar dispozitivele de con-

trol se gasesc de asemenea in miez pentru a controlareactia nucleara.

Detectoarele de flux din interiorul miezului suntfolosite pentru a masura fluxul de neutroni in diferitezone ale acestuia. Acestea sunt completate de cam-era de fisiune si ansambluri camerale de ioni montatein carcasele de pe suprafata vasului calandria. Sem-nalele furnizate de aceste detectoare sunt folosite pen-tru a ajusta cantitatea de absorbtie a neutronilor intro-dusa in ansamblurile de control ale zonei. Variind pozi-tia materialului absorbant in aceste ansambluri canti-tatea de neutroni absorbiti in fiecare zona a reactoruluise schimba, asfel se controleaza nivelul fluxul local deneutroni. In opozitie cu reactorul CANDU care folos-este coloane de apa usoara cu nivele de lichid diferiteca si ansambluri de control, ACR foloseste bare de con-trol.

Elementele de control ale absorbtiei patrund inmiezul reactorului vertical. Acestea sunt in mod nor-mal dispuse in afara miezului reactorului si sunt intro-duse pentru a controla fluxul de neutroni atunci candeste necesar un control mai rapid si mai amanuntit alreactivitatii.

Variatiile pe termen scurt sau lung ale reactivitatiisunt controlate prin adaugarea unui absorbant de neu-troni lichid in moderator. Controlul reactivitatii esteobtinut variind concentratia acestui material absorbantde neutroni din moderator. De exemplu, materialulabsorbant de neutroni lichid este folosit pentru a com-pensa excesul reactivitatii care se produce la primapornire a reactorului atunci cand acesta are miezul plinde combustibil proaspat. In acest sens, se adauga in plusdoua substante:

adaugarea de bor, aceasta este initiata manual;borul este folosit ca si sursa de ractivitate negativape termen lung cand reactorul contine un exces dereactivitate a combustibilului.

adaugare de gadoliniu, aceasta este in mod nor-mal initiata manual; gadoliniul este folosit ca sursade reactivitate negativa pe termen scurt, pentru acompensa lipsa xenonului (gadoliniul arde cu oviteza asemanatoare xenonului). In conditii spe-ciale (rata de flux pozitiva) Reactor RegulatingSystem (RRS) ( Systemul de reglare al reactoru-lui) va adauga in mod automat gadoliniul.

Reactorul este prevazut cu doua sisteme indepen-dente de inchidere de siguranta a reactorului. Fiecaresistem de inchidere functioneaza individual si este creatpentru a opri reactorul si pentru a-l mentine intr-o starede siguranta cand este oprit. Sistemele de oprire de sig-uranta sunt independente fata de sistemul de reglare al

reactorului si de asemenea sunt idependente unul fatade altul. Primul sistem de oprire (SDS1) este format dinunitati de inchidere (element absorbant, ghid de asam-blare si mecanism de conducere), care scade materialulabsorbant de neutroni din miez, la primirea unui sem-nal de inchidere de la sistemul de siguranta. Cel de-al doilea sistem de oprire (SDS2) foloseste injectareaunei solutii puternice de material absorbant de neutroniin moderator. Sistemul de oprire automata raspunde lacele doua semnale neutronice si de proces.

3.3. Sistemul de transport al caldurii

Sistemul de transport al caldurii (HTS - HeatTransport System) conduce lichidul de racire adica apausoara sub presiune catre canalele de combustibil dinreactor pentru a elimina caldura produsa de fisiunea nu-cleara din miezul reactorului. Fisiunea caldurii estetransportata de lichidul de racire al reactorului catregeneratoarele de abur pentru a produce abur care ulte-rior va antrena generatorul turbinei. Sistemul de trans-port al caldurii este completat de sisteme auxiliare,care sprijina functionarea sa si mentine in timpul func-tionarii, parametrii care variaza in functie de diferitelefunctii ale sistemului.

Presiunea si volumul lichidului de racire din HTSsunt controlate de sistemul de control al presiunii. Sis-temul de racire pe termen lung este folosit pentru aimpiedica imprastierea cadurii urmarind oprirea reac-torului si racirea HTS pana ajunge la o temperaturapotrivita pentru mentinerea transportului de caldura.

Sistemul de transport al caldurii si sistemele saleauxiliare sunt asemanatoare cu sistemele echivalentedin cadrul reactorului CANDU. Totusi, proiectul deansamblu al acestor sisteme a fost imbunatatit pe bazafeedback-ului de la instalatia reactorului CANDU si afost simplificat prin folosirea apei usoare intr-o sin-gura bucla de configurare.

Componentele majore ale sistemului de transportal caldurii sunt: canalele de combustibil ale reactoru-lui, cele doua generatoare de abur, cele patru pompe deconductie electrica a caldurii, cele doua colectoare deintrare, cele doua colectoare de evacuare ale reactoru-lui si conductele de interconectare. Lichidul de racire,adica apa usoara este transmisa catre canalele de com-bustibil din colectoarele de intrare de la fiecare capat alreactorului si este returnata colectoarelor de evacuare dela capetele opuse ale reactorului.

Principala functie a sistemului de transport al cal-durii este aceea de a asigura racirea sigura a com-bustibilului reactorului in toate conditiile de func-tionare, pentru o lunga durata a instalatiei si pentru o in-tretinere minima a acesteia. Sistemul de transport al cal-

durii furnizeaza de asemenea o bariera pentru a eliberaprodusele de fisiune radioactiva in timpul functionariinormale, pentru a asigura faptul ca dozele de radiatii ra-man in limitele acceptate. Acesta este conceput pentrua-si mentine integritatea in conditii normale si anormalede functionare.

3.4. Sistemul de Moderare

Neutronii produsi de fisiunea nucleara suntmoderati de apa grea din calandria. Apa grea estetransmisa de pompele moderatorului prin calandria la otemperatura si presiune relativ scazute si este racit deschimbatoarele de caldura ale moderatorului. Schim-batoarele de caldura ale moderatorului elimina calduranucleara generata in moderator si caldura transferatamoderatorului de la canalele de combustibil. Heliumuleste folosit ca gaz de acoperire a apei grele din calan-dria. Controlul chimic al apei moderatorului este efec-tuat de sistemul de purificare al moderatorului. Sistemulde purificare al moderatorului se comporta de asemeneaca un radiator de rezerva in anumite conditii de accidentacceptate.

3.5. Sistemul de abur si alimentare cu apa

Principalele linii de abur aprovizioneaza cu aburturbina de la cele doua generatoare de abur din cadrulreactorului prin colectorul de abur, la presiune con-stanta.

Sistemul controleaza presiunea generatorului deabur folosind valve de descarcare a condensatorului deabur si valve de descarcare a aburului in atmosfera.Principalele supape de siguranta de abur sunt furnizatepentru protectia impotriva suprapresiunii din circuitulsecundar al generatorului de abur. Sistemul de ali-mentare cu apa se incalzeste, alimentarea cu apa subpresiune de la alimentatorul de apa este antrenata inturbina. Turbina descarca apa intr-o sectiune prein-calzita a generatoarelor de abur. Principalele valve deizolare a aburului sunt furnizate pentru a izola princi-pala sursa de alimentare cu abur a turbinei in cazul unorscurgeri in generatorul de abur, dupa oprirea reactoru-lui, cand sistemul de racire de lunga durata este pusin functiune si sistemul de transport al caldurii este de-presurizat.

Sistemul de alimentare cu apa controleaza fluxul al-imentarii cu apa pentru a mentine nivelul impus al gen-eratorului de abur.

3.6. Echilibrul instalatiei

Echilibrul instalatiei (BOP - Balance of plant) esteformat din turbina de abur, generator si condensator,sistemul de incalzire al apei de alimentare cu sistemeleauxiliare asociate si echipamentul electric. BOP includede asemenea instalatiile de tratare a apei, instalatiile deabur auxiliare, turnurile de racire si echipamentele aso-ciate pentru a furniza toate serviciile conventionale aleinstalatiei ACR-700.

Doua generatoare de abur sunt prevazute in sis-temul de transport al caldurii. Ele descarca aburul intr-un bazin de colectare obisnuit aflat in turbina, care al-imenteaza cu abur generatorul turbinei si sistemul deabur auxiliar.

Echipamentul generator de putere cuprinde urma-toarele:

Un generator de turbina cu o iesire nominala brutade 753 MW(e). Generatorul este racit cu apa sihidrogen si este prevazut cu un sistem de excitatiestatica.

Un condensator cu tuburi ce formeaza un unghidrept cu axul turbinei.

Un sistem de regenerare a apei de alimentare in-calzita prin faze de joasa presiune, dezaerand radi-atorul alimentatorului de apa si prin faze de inaltatensiune.

Alte sisteme auxiliare asociate cu generatorul tur-binei.

3.7. Sistemele de siguranta

Planul de siguranta al reactorului ACR are urma-toarele caracteristici:

Puterea de alimentare asigura ca foarte putina reac-tivitate trebuie sa aiba loc in dispozitivele de con-trol mobile sau in materialul absorbant de neu-troni din moderator (nicio substanta chimica nueste adaugata in lichidul de racire al reactoruluipentru controlul reactivitatii). Astfel, orice defec-tiune in sistemul de control al reactorului producedoar schimbari nesemnificative.

Dispozitivele de control si oprire se afla in mod-eratorul de joasa presiune si nu sunt supuse unorforte hidraulice de mari dimensiuni.

Echilibrul miezului reactorului are un coeficientde putere reactiva semnificativ negativa, care oferaprotectie intrinseca impotriva unor socuri cum ar ficresterea brusca a puterii reactorului.

Coeficientul reactivitatii este mic si negativ si oferaun bun echilibru de protectie nucleara intre acci-dentele de pierdere a lichidului de racire si acci-dentele de racire rapida a sistemului de transportal caldurii.

Circulatia obisnuita a lichidului de racire poateimpiedica imprastierea caldurii din combustibildaca puterea electrica din motoarele pompei detransport al caldurii se pierde.

Reactorul este prevazut cu doua sisteme de oprirede urgenta. Fiecare sistem poate opri reactorulpentru orice evenimente(accident) care a fost luatin considerare atunci cand a fost proiectat reac-torul.

Racirea de urgenta a miezului reactorului estefurnizata de sistemul de injectie de urgenta allichidului de racire. Acesta injecteaza apa in sis-temul de transport al caldurii in cazul in care a avutloc accidentul de pierdere a lichidului de racire.Un sistem de racire de lunga durata asigura elim-inarea adecvata a caldurii reziduale din miezul re-actorului in faza de recuperare/recirculare in cazulin care are loc accidentul de pierdere al lichiduluide racire.

Pentru o defectiune a principalelor pompe de al-imentare cu apa si/sau o pierdere a puterii elec-trice de clasa IV, pompele auxiliare de alimentarecu apa cu putere furnizata e la sistemul de puterede clasa III efectueaza racirea efectiva a reactoruluioprit. Aprovizionarea alimentatorului de apa aux-iliar este de asemenea efectuata de alimentatorulde urgenta pasiv cu alimentare cu apa dintr-un tancde apa de rezerva din generatoarele de abur.

O zona separata de control secundara este pre-vazuta ca o copie de rezerva a camerei principalede control pentru anumite conditii de urgenta.

Sistemele de control distribuite controleaza insta-latia in mod obisnuit, scutindu-l pe operator desarcinile sale, astfel reducand probabilitatea deeroare a operatorului. Raspunsurile sistemului desiguranta sunt automate in masura in care nu estenecesara nicio interventie a operatorului pentruminim opt ore, acesta urmarind principalele acci-dente de proiectare basica.

Sistemele de siguranta sunt acele sisteme conce-pute sa opreasca reactorul imediat, sa impiedice im-prastierea caldurii si sa limiteze reactivitatea eliminandposibilitatea de esec a sistemului normal al procesuluide operare. Sistemele de siguranta sunt:

1. primul sistem de oprire (SDS1),

2. al doilea sistem de oprire (SDS2),

3. sistemul de racire de urgenta a miezului reactoru-lui,

4. sistemul de izolare.

Sistemele de suport de siguranta sunt acelea carefurnizeaza serviciile necesare pentru functionarea core-spunzatoare a sistemului de siguranta (puterea electrica,apa de racire, etc.).

1. Sistemul de oprire nr. 1 (SDS1)

Primul sistem de oprire opreste imediat func-tionarea reactorului si aduce reactorul intr-o stare deinchidere de siguranta prin introducerea unor tije desiguranta in miezul reactorului. Functionarea reactoru-lui, cand un anumit parametru neutronic sau de pro-ces intra intr-un interval neacceptat. Masurarea fiecaruiparametru este triplata si sistemul este initializat atuncicand doua dintre cele trei canale de transmitere sunt blo-cate de orice parametru sau combinatie de parametri.

2. Sistemul de oprire nr. 2 (SDS2)

Al doilea sistem de oprire furnizeaza o metoda se-cundara de oprire imediata a functionarii reactoruluiprin injectarea unei solutii puternice de absorbant deneutroni (nitrat de gadoliniu) in moderator cand oricaredoua dintre cele trei canale de transmitere sunt blocatede orice parametru.

3. Racirea de urgenta a miezului reactorului

Sistemul de racire de urgenta a miezului reactoruluieste creat pentru a alimenta cu apa (lichid de racire deurgenta) miezul reactorului pentru a raci combustibilulin cazul in care are loc un accident de pierdere allichidului de racire. Accidentul care a fost luat in con-siderare in proiectarea reactorului este acela de pierderea lichidului de racire, caz in care sistemul de racire deurgenta trebuie sa umple si sa mentina inventarul cir-cuitului de transport al caldurii.

4. Sistemul de izolare

Sistemul de izolare este un sistem de siguranta,care are functia de a limita emisiile de material radioac-tiv de izolare, in general. Sistemul de izolare continereactorul si captuseala acestuia, penetrari electrice si deproces si alte dependinte, care impreuna formeaza o car-casa de izolare.

Functia de baza a sistemului de izolare este de aforma o carcasa limitatoare de presiune in jurul miezu-lui reactorului si a sistemului de transport al caldurii.

Ca urmare a unui accident, sistemul de izolare limiteazaeliberarea de material radioactiv rezultat in mediul in-conjurator. Sistemul de izolare include structura de izo-lare a reactorului din beton precomprimat, racitoare deaer pentru reducerea presiunii, etc. Sistemul de izolareinchide in mod automat toate penetrarile deschide catreatmosfera reactorului cand este detectata o crestere apresiunii de izolare sau un nivel de reactivitate.

Eliminarea caldurii din zona izolata in urma unuiaccident este asigurata de racitoarele de aer locale dis-tribuite in mod corespunator in diferite compartimentedin interiorul reactorului. Controlul hidrogenului dinreactor este asigurat de recombinarea autocatalitica pa-siva care limiteaza continutul de hidrogen la sub lim-itele acceptate in orice comportament semnificativ, in-chis ca urmare a unui accident.

References

[1] Wilson K. Lam, Advanced CANDU Reactor (ACR-700)Simulator - User Manual, Cassiopeia Technologies Inc.Canada, October 2009.

[2] en.wikipedia.org