Tartalom. Atomerőművi főberendezések Primer köri főberendezések. A továbbiakban említett típusok:

Átírás

1 Atomerőművi főberendezések Primer köri főberendezések Atomerőművek Boros Ildikó, BME NTI február 27. Tartalom Primer köri főberendezések Reaktorberendezés Aktív zóna Reaktortartály Reaktortartályon belüli szerkezeti elemek Főkeringtető vezeték Térfogatkompenzátor Gőzfejlesztők Főelzáró tolózár Egyéb kapcsolódó rendszerek 1. sz. víztisztító rendszer Stb. PWR-ek! 2 A továbbiakban említett típusok: VVER-440 EPR VVER-1200 Üzemel / épül: 23 / 2 0 / 4 0 / 4 Telj.: 440 MWe 1650 MWe 1170 MWe η: 32% 37% 33,9% Primer kör Primer hűtőrendszer feladatai Hő elszállítása zónából GF-be Üzemanyag hűtése (egyúttal moderátor és reflektor szerep) Nyomástartás (TK segítségével) Nyomáshatároló Fő elemei: Reaktor; Gőzfejlesztő; FKSZ (FET) Térfogatkompenzátor Primer csővezeték Kapcsolódó rendszerek: Üzemzavari hűtőrendszerek Víztisztító rendszer Pótvíz és bóros szabályozás rendszere Egyéb fontosabb primerköri rendszerek Közbenső hűtőköri rendszerek Olajrendszerek Szervezett szivárgások rendszere Pihentető- és átrakó medence hűtőköri rendszere Töménybór rendszer 3 4

2 Primer kör példa: Primer köri főberendezések Reaktorberendezés 5 6 Reaktorberendezés Elemei: Reaktortartály (RPV) RPV belső szerkezeti elemek Üzemanyag SZBV rudak Reaktor Tervezési követelmények (Design of the Reactor Core for Nuclear Power Plants, IAEA Safety Guide) - a fő biztonsági funkciók nem sérülhetnek Zóna: a legnagyobb előforduló reaktivitásbevitel (DBA esetén) sem okozhatja a nyomáshatároló sérülését, jelentős zónadegradációt, vagy a hűtés megszűnését Gyors negatív visszacsatolások Reaktivitásbevitel korlátozása (DBA esetén is) Reaktivitásbalesetek Reaktor szabályozhatósága: DBA esetén is le kell tudni állítani, és leállított állapotban tartani a reaktort Leállításhoz legalább két (független és diverz) rendszer kell Üzem közbeni felügyelet, tesztelés Statikus és dinamikus terhelések figyelembevétele Üzemanyag: normál üzem és üzemi tranziensek esetén nem sérülhet jelentősen, hűtés DBA esetén sem romolhat Termohidraulikai korlátok (lineáris hőteljesítmény, DNBR, üzemanyag és burkolat hőmérsékletek): üa. sérülést elkerülni Műszerezés, monitorozás DBA esetén is Magas hőmérséklet, nyomás, besugárzás, hasadási termékek, kiégés, egyéb terhelések hatásait is figyelembe kell venni 7 8

3 Példa: EPR tervezési limitek PCC-1: normál üzemi tranziensek PCC-2: üzemzavari tranziensek (10-2/y < f) PCC-3: tervezési üzemzavar (10-4/y < f < 10-2/y) PCC-4: tervezési baleset (10-6/y < f < 10-4/y) Reaktor Üzemanyagpálca Pálcatartó lemez Hűtőközeg áramlása Szinterelő kemence UO 2 -pasztilláknak Üzemzavari tranziensek esetén (ill. szekunder nyomáshatároló sérülése esetén baleseti helyzetben) nem léphet fel burkolatsérülés DBA esetén a fűtőelemek max. 10%-ánál léphet fel DNB LOCA esetén: Burkolat max. hőmérséklete 1200 o C Burkolat max. oxidációja a burkolatvastagság 17%-a Hidrogén-termelődés max. 1%-a a lehetséges mennyiségnek (burkolat teljes oxidációja) Zóna geometria hűthető marad Hosszú idejű hűtés biztosított Burkolat oxidáció nélküli üzemzavarok esetén a max. burkolat hőmérséklet 1482 o C Üzemzavari tranziensek esetén max. lineáris teljesítménysűrűség 590 W/cm DBA esetén az üzemanyag megolvadása max. 10% a legmelegebb helyeken (hot spot) Primer és szekunderköri túlnyomás kizárása Zárósapka UO 2 - pasztillák (D = L = 10 mm) Üzemanyagpálcák (L = 4,2 m, D = 12 mm, s = 1 mm) Nyomórugó 9 10 Nyomórugó Gázrés Al2O3 elzárótabletta Hűtőközeg H2O Távtartó rács UO2 pasztilla Zirkaloy burkolat +gázrés Al2O3 elzárótabletta Védőhüvely Zárósapka Reaktor Távtartó rács Távtartó rács Magasság 40 mm Vastagság 0,4 mm Szabályozópálca vezető csövek Üzemanyag - EPR Zóna magassága 4.2 m Zóna átmérője m Üzemanyagkazetták száma 241 Pálca osztásköz 1.26 cm Kazetta külső átmérője 21.4 cm Átlagos teljesítménysűrűség 89.3 kwt/l Pálcák száma az üzemanyag kazettában 265 Kazetta geometia 17x17 Üzemanyag pálca külső átmérője 9.5 mm Üzemanyag pellet külső átmérője 8.19 mm Üzemanyag pellet belső átmérője (furat) - Átlagos lineáris teljesítménysűrűség kwt/m Burkolat anyaga M5 Burkolat vastagsága 0.57 mm Átlagos kazetta kiégési szint kirakáskor MWd/tU 11 12

4 Üzemanyag - EPR Zóna - EPR Üzemanyag VVER-440 Üzemanyag VVER-440 Zóna magassága 2.42 m Zóna átmérője 2.88 m Üzemanyagkazetták száma 349 Pálca osztásköz 1.22 cm Kazetta külső átmérője 14.7 cm Átlagos teljesítménysűrűség 85.2 kwt/l Pálcák száma az üzemanyag kazettában 126 Üzemanyag pálca magassága 2536 mm Üzemanyag pálca külső átmérője 9.1 mm Üzemanyag pellet magassága 9-11 mm Üzemanyag pellet külső átmérője mm Üzemanyag pellet belső átmérője (furat) 1.2 mm Átlagos lineáris teljesítménysűrűség 13.1 kwt/m Maximális burkolathőmérséklet 335 C Maximális üzemanyag középponti hőmérséklet 1995 C Burkolat anyaga Zr-1 %Nb Átlagos kazetta kiégési szint kirakáskor MWd/tU Atomerőművek főberendezései 16

5 Példa Üzemanyag VVER-1200 Mennyi hidrogén keletkezhetett a 2003-as paksi súlyos üzemzavar során? 30 üzemanyag-kazetta maradt hűtés nélkül mintegy 10 órán át Becslés: 1200 o C-os gőz környezet kb. 5 órán át Forrás: Csom Gyula: Atomerőművek üzemtana I Üzemanyag Szabályozó rudak - EPR 89 SZBV rúd, egyenként 24 pálcával Alsó részen Cd-ötvözet, felső részen B4C abszorbens pasztillák SS burkolatban He közegben 36 szabályozó, 53 BV rúd SZBV rúd hajtás a német Konvoi-ból 19 20

6 Szabályozó rudak VVER-440 Szerkezeti felépítése: Üzemanyag rész Elnyelő rész Közbenső rúd Felső része az SZBV hajtáshoz kapcsolódik, alsó része a követőkazettához Hajtás (mozgató mechanizmus) Fogaskerék - fogasléc áttétel (2 cm/s) Villanymotor Helyzetjelző Hat csoportba bontva, 7 üzemi, 30 BV kazetta Követő kazetta szerkezete megegyezik a munkakazettákkal Bóracél abszorbens rész Követőkazettás megoldás miatt speciális RPV felépítés Reaktor zónamonitorozó rendszerek Tervezési követelmények Minimálisan vizsgálandó (DBA helyzetben is): Zóna teljesítmény (eloszlás, időfüggés) In-core vagy ex-core detektorok Hűtőközeg paraméterek (tömegáram, hőmérséklet) Neutronabszorbens hatékonysága Vízszint Nyomás Hűtőközeg aktivitása SZBV rudak helyzete Bórkoncentráció Többi paraméter ezekből származtatható Leállítás / indulás alatt más mérési tartományok, más rendszerek kellhetnek Súlyos baleseti mérések Reaktor - EPR Reaktor - EPR EPR in-core mérések 23 24

7 Reaktortartály Anyaga cm vastag szénacél (+Ni, Mo, Cr, Mn), 3-10 mm ausztenites acél plattírozással (korrózió csökkentésére) Üzemidő alatti gyors neutron fluens kb n/m2 Tervezési követelmények Integritás megőrzése DBA esetén (újabban zónaolvadás esetén is külső hűtés) Hegesztési varratok számának minimalizálása (főként a zóna magasságában) A reaktortartály törése nem DBA esemény, ki kell zárni a bekövetkezését A fedél kisebb sérülése csak LOCA esemény, a csonkok alatti részé súlyos baleset. 25 Reaktortartály Tartály anyagának ridegedése neutronsugárzás hatására Elsősorban a zóna magasságában, hegesztési varratok érzékenyebbek PWR-ek jobban kitettek a neutronsugárzásnak Cu és Ni tartalom növelése elősegíti a ridegedést A szívós-rideg tartományok átmenetét jelentő T krit idővel nő PWR-eknél: nyomás alatti hősokk (pressurized thermal shock - PTS) Üzemi nyomáson nagy mennyiségű hideg közeg jut a tartályba Emiatt jelentős hőfeszültségek (+ridegedés) Repedések indulhatnak meg Jellemző kezdeti események: Kis LOCA, amikor ZÜHR működés történik nagy nyomás mellett Szekunder oldali kezdőesemény, ami GF túlhűtést eredményez Nyitva ragadt, majd bezárt szelep (újranyomódás) 26 Reaktortartály Feszültségkorrózió SZBV hajtásoknál a Davis-Besse eset 1977-től üzemelő PWR 1990-től megszokott szivárgások az SZBV hajtások pereménél 1999-től fokozott szivárgás, egyéb jelek 2002: axiális repedéseket találtak 3 SZBV-átvezetésen, majd a javításkor egy kb. 20 cm átmérőjű üreget a tartályfedél anyagában 2 évi leállítás, 75 millió dolláros fedélcsere INES-3 Reaktortartály Feszültségkorrózió SZBV hajtásoknál a Davis-Besse eset 27 28

8 Reaktortartály Reaktortartály Tervezési követelmények Hegesztési varratok számának minimalizálása (főként a zóna magasságában) Ki kell bírnia PTS-t meghibásodás nélkül Biztosítani kell a varratok teljes terjedelmű vizsgálatát Nem vizsgálható varratok csak ott lehetnek, ahol ez nem okoz BDBA-t Reaktortartály anyagából készült próbatesteket kell besugározni gyors neutronokkal, értékelni ridegedést. 29 Átmeneti hőmérséklet-görbék (1. blokk, varratfém) 30 Reaktortartály Reaktor - EPR Anyag MnMoNi acél Falvastagság 250 mm Tartály burkolatvastagság 7,5 mm Magasság 12.7 m Belső átmérő 4.87 m 31 32

9 Reaktortartály - EPR Nincs átvezetés a fenéken Egy darabból áll a csonkzóna Plattírozás alacsony Co tartalommal 60 év tervezett üzemidő után is 30 o C alatt marad a T krit Emelt csonk magasság (nagyobb víztér a csonkokig) Nehéz reflektor (acél, kisebb víztartalommal) Reaktortartály VVER-440 Kialakítás: közúti / vasúti szállítás vékonyabb tartályfal, kisebb víztér, nagyobb neutronfluxus Komolyabb követelmények anyagokkal szemben Csonkok két sorban, emiatt egyenletesebb kerületi hőmérséklet-eloszlás (de jelentős axiális különbség) 6-6 NA 500, és 2*2 NA 250 Kovácsolt darabokból összeállítva Nincs axiális varrat Anyag : 12H2MFA (Cr Mo V szénacél) Falvastagság 140 mm Tartály burkolatvastagság 9 mm Magasság 11.8 m Belső átmérő 4.27 m Üzemi / tervezési / tesztelési nyomás: 123 / 137 / 172 bar Reaktortartály VVER-1200 Reaktortartály szerkezeti elemei Feladata: Üzemanyag és mérőláncok pozícionálása, rögzítése Szabályozórudak mozgatásának lehetővé tétele Hűtőközeg áramlás irányítása, egyenletessé tétele Tipikus belső elemek: Reaktorakna Zónatartó kosár Palástlemez Áramlásterelő lemezek Felsőcsőblokk EPR: nehéz reflektor Anyagkövetelmények, tervezési követelmények EPR belső szerkezeti elemek 35 36

10 Reaktortartály szerkezeti elemei Reaktortartály szerkezeti elemei EPR reaktorakna és alsó zónatartó lemez Fővízkör - EPR Primer köri főberendezések Fővízkör Fő (primer) hűtőközeg H2O Nyomás 155 kg/cm² Zóna belépési hőmérséklet C Zóna kilépési hőmérséklet C Főkeringtető szivattyúk száma 4 Teljes tömegáram 4x5475 kg/s Hurkok száma Atomerőművek főberendezései 40

11 Fővízkör - EPR Fővízkör VVER-440 Fő (primer) hűtőközeg H2O Primer hűtőközeg tömege 165 t Nyomás 123 bar Zóna belépési hőmérséklet 267 C Zóna kilépési hőmérséklet 297 C Főkeringtető szivattyúk száma 6 Teljes tömegáram t/h Fővízkör VVER-440 Fővízkör VVER-440 a reaktorhoz hat primer hurok kapcsolódik, hurkonként egy főkeringtető szivattyúval, egy fekvő gőzfejlesztővel és két (hideg és melegági) főelzáró tolózárral (FET). Hideg- és melegági vízzárak: GF hidegági LOCA üzemzavar esetén döntő jelentőségű a reaktorzóna hűthetősége szempontjából. FKSZ FET Hurok GF felőli U alakú hidegági vízzár kizárható rész Hurok ki nem zárható rész Reaktor Melegág Hidegág ZÜHR rendszerek 43 44

12 Fővízkör - VVER-440 Főkeringtető vezeték Ø 500 * 32 mm-es hőszigetelt saválló acél csövek Támasztóelemek a 200%-os LOCA elkerülésére Tervezési követelmények: Káros hatások (rezgés, öregedés, kiülepedés) minimalizálása Természetes cirkulációt elősegítő elrendezés Hozzáférhetőség (karbantartás, felügyelet) Csőtörés hatásainak figyelembevétele Primer köri főberendezések Főkeringtető szivattyú (FKSZ) FKSZ Feladata: akkora közegáram fenntartása, ami megfelelő hűtést biztosít az üzemanyagnak (DNBR kritérium) Követelmények Megfelelő rotor tehetetlenség (lendkerék), FKSZ leállás esetén is hűtést biztosítani a természetes cirkulációs üzem kialakulásáig (dízelig) Üzem közbeni felügyelet: rezgések, szivárgás monitorozása, hőmérséklet Meghibásodáskor ne keletkezhessenek káros hatású repülő tárgyak Példa:EPR 1 s villamos betáplálás-kiesés leállás nélkül Reaktor SCRAM után 0,3 s-ig nem kap leállító jelet az FKSZ Ház tervezett élettartama 60 év FKSZ kifutási ideje elég teljes külső feszültségvesztés + földrengés esetére FKSZ VVER-440 Üzemi paraméterek Szállított mennyiség: 7100 m3/h Emelő magasság 4,25 bar Min. szívóoldali nyomás 10 bar Fordulatszám 1500 /perc Felvett teljesítmény kw Felépítés: hidraulikus rész: függőleges tengelyű, egyfokozatú centrifugálszivattyú, tömítőblokk: bonyolult konstrukció (a nagynyomású primer hűtőközeg ne szivároghasson ki a forgó tengely és a ház között bonyolult tömítés és csapágyazás), hajtás: tengelykapcsoló a villamos motor és a hidraulikus rész között. Lendkerék a szivattyú kifutási idejének növelése érdekében. Elektromágneses tehermentesítő az axiális erők csökkentésére

13 Primer köri főberendezések FKSZ 2. FKSZ - EPR Framatome N4-ből fejlesztve Plusz tömítő fokozat SBO-ra REACTOR COOLANT PUMP ASSEMBLY Design pressure (bar) 176 Design temperature ( C) 351 PUMP Thermo-hydraulic flow rate (m3/h) 27,195 Suction temperature ( C) Mass without water (including motor support) (kg) 50,520 MOTOR Type Air cooled squirrel cage induction motor Power rating (kw) 9,000 Design input power, RCP [RCS] under normal conditions (kw) 8,000 Voltage (volts) 10,000 Phase 3 Tömítőblokk felépítése Frequency (Hz) 50 Insulation class Class F thermoelastic epoxy insulation FKSZ tömítése: Mass (without water or oil) (kg) 60,700 feladata a primer hűtőközeg szivárgásának megakadályozása; Total inertia (pump and motor) of the rotor (kg.m²) 5210 az FKSZ tömítése ún. tömítőblokk segítségével történik, amelyre záróvizet kell juttatni; p záróvíz > p pr Térfogatkompenzátor Feladata:Biztosítani, hogy a nyomás, hűtőközeg-mennyiség vagy termodinamikai tulajdonságok változása ne okozza a nyomáshatároló sérülését Primer köri nyomástartás Vízszint (gőztér) tartás Indításkor nyomásra hozás Túlnyomásvédelem Nem kondenzálódó gázok Primer köri főberendezések eltávolítása Baleseti helyzetben primer köri Térfogatkompenzátor (TK) feed and bleed Kialakítása: Függőleges hengeres tartály Telített állapotú víz-gőz keverék Kapcsolat egy hurok hideg- és meleg ágával (hideg befecskendezés / meleg víz átáramlás) Nyomás szabályozás: elektromos fűtőpatron / befecskendezés Nyomásvédelmi eszközök: lefúvató és biztonsági szelepek (buborékoltató tartály) 51 52

14 Térfogatkompenzátor Követelmények: TK fő funkciója: biztosítani, hogy a hűtőközeg mennyiségének vagy a termodinamikai állapotoknak a változása ne eredményezze a fővízkör sérülését Kellő gőztér biztosítása a TK-ban Nyomáscsökkentő és növelő berendezések Lefúvató és biztonsági szelepek (primer nyomás csökkentése) Kiengedett primer közeg összegyűjtése (kondenzálása), hűtése, tisztítása, visszajuttatása (pl. zsomprendszer) Lefúvatási útvonal izolálható legyen (szándékolatlan működés ellen), szelep állás visszajelzés -TMI! Kellő kapacitás külső villamos ellátás nélküli üzem (akkumulátortelep vagy súlyos baleseti / mobil dízel) Lefúvató tartály kellő kapacitású legyen teszt és normálüzemi lefúvatásokra, kellő kapacitású buborékoltató tartály (hasadótárcsa) Újabban: primer kör nyomásmentesítése súlyos baleset esetén TK VVER-440 Függőleges elrendezésű, szigetelt szénacél tartály, 9 mm-es plattírozással Alján NA300-as csonk 108 fűtőpatron (*15 kw) Térfogata 44 m3 Működési elve: Nagyobb nyomásváltozás esetén a nyomástartás külső beavatkozással történik: nyomáscsökkenés: fűtőtestek bekapcsolnak, gőz képződik p pr nyomásnövekedés: a gőztérbe hidegági vizet befecskendező szelepek kinyitnak, a gőz kondenzálódik, p pr TK VVER-440 TK VVER-440 Nyomásszabályozás működése: nyomáscsökkentés: 4 befecskendező szeleppel (1. v. 6. hurok hidegágából); nyomásnövelés: öt fűtőtestcsoport segítségével (1. v. 6 hurok melegágába) Ha a primer nyomás a szabályozási tartományon kívüli értékre növekedik: Lefúvató szelep Biztonsági szelep(ek) nyitásával lehetséges a primer nyomás csökkentése. Buborékoltató tartályba ürítenek 55 56

15 a a a a a a TK VVER-440 Hőmérséklet-rétegződés a TK bekötővezetékén (Forrás: PA) T7 190 o C T2 T6 315 o C T3 T4 T5 TK - EPR TK bekötővezeték 3. hurok melegágához csatlakozik 2 spray rendszer hideg befecskendezéshez (+1 kisegítő rendszer) A normál üzemi befecskendező ágak a 2. és 3. hurok hidegágából vételeznek Fűtőpatronok: Folyamatos üzemű (szabályozott) fűtőpatronok Nem-üzemzavari betáppal üzemelő fűtőpatronok Üzemzavari betáplálással üzemelő fűtőpatronok TK gázelvezető (H) és nitrogén-betápláló vezetékek Korábbi típusokhoz képest további lefúvató szelepek (súlyos balesetek esetére, nagy nyomású zónaolvadékkilökődés ellen) TK - EPR TK - EPR 59 60

16 Példa PWR térfogatkompenzátor Henger geometria (d=2 m) Automatikus fűtés: kifolyás kompenzálása (névleges nyomás, 155 bar tartása) 1. Mekkora hőt kell a fűtőszálaknak leadni a névleges nyomás fenntartásához, ha 3500 kg víz folyt a primerkörbe a bekötővezetéken át? 2. Az elektromos fűtés 30 db, 1 cm átmérőjű fűtőszálból áll, maximális teljesítménye 3 MW. Mekkora a minimális hosszuk, ha nem szabad elérnünk a CHF limitet (kritikus hőfluxust)? Primer köri főberendezések CVCS Jacopo Buongiorno, course materials for Engineering of Nuclear Reactors, Fall MIT OpenCourseWare ( Atomerőművek főberendezései Massachusetts Institute of Technology. Downloaded on Chemical and volume control system (CVCS) Chemical and volume control system (CVCS) Tisztító és térfogat-szabályozó rendszer Feladatai: primer közeg tisztítása szűrőkkel, sótalanítókkal (vízkémia és szennyezőanyag-mentesítés) Reaktivitás-szabályozás (bór hozzáadás / kivonás) Primer hűtőközeg leltár biztosítása (TK szinttartás, befecskendezés, igen kis LOCA esetén) Záróvíz biztosítása az FKSZ tömítéshez Részáramú tisztítóként üzemel (leiszapoló rendszeren keresztül) Folyamatos tisztítás Leeresztés a folyékony radioaktív hulladék kezelő rendszerhez is VVER-nél két külön rendszer 63 64

17 Chemical and volume control system (CVCS) Tervezési követelmények: Tisztítás célja a primer köri korrózió és a zónán belüli lerakódások minimalizálása Figyelembe kell venni a vegyszerek reaktivitásra gyakorolt hatását Figyelembe kell venni gázok felhalmozódását Szándékolatlan bórsavhígulást ki kell zárni (vagy ne okozzon elfogadhatatlan reaktivitásbevitelt) CVCS EPR EPR CVCS Hamaoka, sz. víztisztító rendszer VVER sz. víztisztító rendszer Feladata: fővízköri hőhordozó részáramú tisztítása Vízkémiai paraméterek biztosítása (alacsony korróziós sebesség) Szennyezőanyag-mentesség biztosítása (felaktiválódás csökkentésére) Fővízköri forgalomnak csak töredéke (25 m3/h vs m3/h) Két víztisztító ág (1,2,6. és 3,4,5. hurkok) Egy-egy regeneratív hőcserélő, utóhűtő, ioncserélő gyantaoszlop, gyantafogó Ioncserélő: üzemi nyomás (123 bar), 30 m3/h névleges térfogatáram, 1,2 m3 gyanta/ioncserélő 67 68

18 Pótvíz és bóros szabályozás rendszere Pótvíz és bóros szabályozás rendszere Normál üzemben : termikus gáztalanítás térfogatkompenzátor szinttartása lassú reaktivitás változás kompenzálása tiszta kondenzátum, illetve bórsav beadagolással záróvíz biztosítása az FKSZ-ek tömítő fokozatára vegyszer beadagolása a primerkörbe, a víznormák biztosítására Átmeneti állapotban: térfogatkompenzátor szint beállításai nyomáspróbák elvégzése Üzemzavari helyzetben : térfogatkompenzátor szinttartása és helyreállítása primerkör felbórozása T<150 0 C alatt LIP fogyasztóként történő üzemelése Blokk leállásakor : reaktor utántöltésének biztosítása primerköri tömörség- és nyomáspróbák végrehajtása Felhasznált források NAÜ safety guide-ok NAÜ Basic Professional Training Course on Nuclear Safety PA oktatási anyagok US EPR dokumentáció (NRC) KAERI Nuclear Power Reactor Technology 71