Atomerőművi főberendezések Primer köri főberendezések Atomerőművek Boros Ildikó, BME NTI 2018. november 12
A továbbiakban említett típusok: VVER-440 EPR VVER-1200 Üzemel / épül: 23 / 2 1 / 3 2 / 4 Telj.: 440 MWe 1650 MWe 1170 MWe η: 32% 37% 33,9% 2018.12.13. Atomerőművek I. 2
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 2018.12.13. Atomerőművek I. 3
Primer kör példa: 2018.12.13. Atomerőművek I. 4
Primer köri főberendezések Reaktorberendezés 2018.12.13. Atomerőművek I. 5
Reaktorberendezés Elemei: Reaktortartály (RPV) Üzemanyag SZBV rudak RPV belső szerkezeti elemek Mérések 2018.12.13. Atomerőművek I. 6
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 elkerülése/elviselése 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 2018.12.13. Atomerőművek I. 7
Reaktor Üzemanyagpálca Pálcatartó lemez Szinterelő kemence UO 2 -pasztilláknak Hűtőközeg áramlása Nyomórugó Gázrés Al2O3 elzárótabletta Al2O3 elzárótabletta Hűtőközeg H2O Távtartó rács UO2 pasztilla UO 2 - pasztillák (D = L = 10 mm) Üzemanyagpálcák (L = 4,2 m, D = 12 mm, s = 1 mm) Zircaloy burkolat +gázrés Védőhüvely Zárósapka Zárósapka Nyomórugó 2018.12.13. Atomerőművek I. 8
Reaktor Távtartó rács Távtartó rács Magasság 40 mm Vastagság 0,4 mm Szabályozópálca vezető csövek 2018.12.13. Atomerőművek I. 9
Üzemanyag 2018.12.13. Atomerőművek I. 10
Üzemanyag EPR VVER-440 Zóna magassága 4.2 m 2.42 m Zóna átmérő 3.767 m 2.88 m Üa-kazetták száma 241 349 Üa külső átmérő 21.4 cm 14.7 cm Átlagos telj. sűrűség 89.3 kwt/l 85.2 kwt/l Pálcák száma egy kazettában 265 126 Üa geometria 17x17 Hexagonal VVER- 440 Burkolat M5 Zr-1 %Nb Átlagos kiégés 60000 MWd/tU 37000 MWd/tU 11 2018.12.13. Atomerőművek I. EPR
Üzemanyag - EPR 2018.12.13. Atomerőművek I. 12
Zóna - EPR 2018.12.13. Atomerőművek I. 13
Üzemanyag VVER-440 2018.12.13. Atomerőművek I. 14
Üzemanyag VVER-1200 Üzemanyagkazetták (FA) száma 163 FA magassága Pálcák száma / FA 312 4570 mm (aktív: 3750 mm) SZBV rudak száma 121 2018.12.13. Atomerőművek I. 15
Szabályozó rudak - EPR 89 SZBV rúd, egyenként 24 pálcával Alsó részen Cd-ötvözet, felső részen B 4 C abszorbens pasztillák SS burkolatban He közegben 36 szabályozó, 53 BV rúd SZBV rúd hajtás a német Konvoi-ból 2018.12.13. Atomerőművek I. 16
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 2018.12.13. Atomerőművek I. 17
Reaktor zónamonitorozó rendszerek Tervezési követelmények Minimálisan vizsgálandó (DBA helyzetben is): Zóna teljesítmény (eloszlás, időfüggés) In-core vagy ex-core detektorok Detektorok fajtái (SPND: Co, Rh, V) 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 2018.12.13. Atomerőművek I. 18
Reaktor - EPR 2018.12.13. Atomerőművek I. EPR in-core mérések 19
Reaktor - EPR 2018.12.13. Atomerőművek I. EPR in-core mérések 20
Reaktor - EPR 2018.12.13. Atomerőművek I. 21
Reaktortartály Anyaga 15-25 cm vastag szénacél (+Ni, Mo, Cr, Mn), 3-10 mm ausztenites acél plattírozással (korrózió csökkentésére) VVER-440: 15H2MFA / 08H18N10T Üzemidő alatti gyors neutron fluens kb. 10 24 n/m2 Tervezési követelmények Integritás megőrzése DBA esetén (néhol 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. 2018.12.13. Atomerőművek I. 22
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) 2018.12.13. Atomerőművek I. 23
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. Átmeneti hőmérséklet-görbék (1. blokk, varratfém) 2018.12.13. Atomerőművek I. 24
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 2018.12.13. Atomerőművek I. 25
Reaktortartály Feszültségkorrózió SZBV átvezetésnél a Davis-Besse eset 2018.12.13. Atomerőművek I. 26
Reaktortartály 2018.12.13. Atomerőművek I. 27
Reaktortartály-problémák Belgium: Doel-3, Tihange-2 (hidrogén pelyhek felfedezése 2013-ban) Svájc: Beznau (alumínium-oxid zárványok) Flamanville-3 (magasabb széntartalom a tartáyfenékben és a fedélben) Osztrovec-1 (leejtés) 2018.12.13. Atomerőművek I. 28
Reaktortartály 2018.12.13. Atomerőművek I. 29
Reaktor - EPR Anyag MnMoNi acél Falvastagság 250 mm Tartály burkolatvastagság 7,5 mm Magasság 12.7 m Belső átmérő 4.87 m 2018.12.13. Atomerőművek I. 30
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) 2018.12.13. Atomerőművek I. 31
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 6-6 NA 500, és 2*2 NA 250 Kovácsolt darabokból összeállítva Nincs axiális varrat Anyag : Falvastagság Tartály burkolatvastagság Magasság Belső átmérő Üzemi / tervezési / tesztelési nyomás: 123 / 137 / 172 bar 15H2MFA (Cr Mo V szénacél) 140 mm 9 mm 11.8 m 4.27 m 2018.12.13. Atomerőművek I. 32
Reaktortartály VVER-1200 Reaktortartály tömege [t] 330 Teljes berendezés tömege [t] ~3500 Belső átmérő [mm] 4585 Magasság (karimáig) [mm] 10845 Teljes magasság [mm] 19410 Falvastagság [mm] 197,5 Nyomáspróba [bar] 245 Méretezési nyomás [bar] 176,4 Méretezési hőmérséklet [ C] 350 Alkalmazott acél 15H2NMFA 2018.12.13. Atomerőművek I. 33
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 Védőblokk, felsőcsőblokk EPR: nehéz reflektor Anyagkövetelmények, tervezési követelmények EPR belső szerkezeti elemek 2018.12.13. Atomerőművek I. 34
Reaktortartály szerkezeti elemei EPR reaktorakna és alsó zónatartó lemez 2018.12.13. Atomerőművek I. 35
Reaktortartály szerkezeti elemei 2018.12.13. Atomerőművek I. 36
Primer köri főberendezések Fővízkör 2018.12.13. Atomerőművek I. 37
Fővízkör - EPR Fő (primer) hűtőközeg H2O Nyomás 155 kg/cm² Zóna belépési hőmérséklet 295.5 C Zóna kilépési hőmérséklet 328.1 C Főkeringtető szivattyúk száma 4 Teljes tömegáram 4x5475 kg/s Hurkok száma 4 2018.12.13. Atomerőművek I. 38
Fővízkör - EPR 2018.12.13. Atomerőművek I. 39
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 39750 t/h 2018.12.13. Atomerőművek I. 40
ZÜHR rendszerek 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 FKSZ FET Reaktor Melegág GF felőli U alakú hidegági vízzár 2018.12.13. Atomerőművek I. Hurok kizárható rész Hurok ki nem zárható rész Hidegág 41
Fővízkör VVER-440 2018.12.13. Atomerőművek I. 42
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 Leeresztés, légtelenítés 2018.12.13. Atomerőművek I. 43
Fővízkör VVER-1200 A VVER-1000/1200 primer köri elrendezése 2018.12.13. Atomerőművek I. 44
Primer köri főberendezések Főkeringtető szivattyú (FKSZ) 2018.12.13. Atomerőművek I. 45
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 2018.12.13. Atomerőművek I. 46
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 1400-1600 kw Felépítés: hidraulikus rész: függőleges tengelyű, egyfokozatú centrifugálszivattyú, Lendkerék a szivattyú kifutási idejének növelése érdekében. 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 Elektromágneses tehermentesítő az axiális erők csökkentésére. 2018.12.13. Atomerőművek I. 47
FKSZ VVER-1200 Egyfokozatú centrifugál szivattyú motor (lendkerékkel) földrengésvédelem (két tartóövvel), védelem primer köri csőtörések által kiváltott rezonanciák ellen tömítések szilíciumos grafitból készültek Szivárgási határérték: <1,2 m3/óra névleges primer köri paraméterek mellett, ha a szivattyú hűtés nélkül marad csapágyak kenése és hűtése frissvízzel Fő paraméterek Térfogatáram [m3/óra] 27000 Emelőmagasság [m] 90 Szívócsonk nyomás [bar] 16 Szinkron fordulatszám [1/perc] 1000 Névleges teljesítmény [MW] 5,25 Üzemidő [év] 60 Karbantartás nélküli üzemórák [óra] 16000 2018.12.13. Atomerőművek I. 48
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) 295.9 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 Frequency (Hz) 50 Insulation class Class F thermoelastic epoxy insulation Mass (without water or oil) (kg) 60,700 Total inertia (pump and motor) of the rotor (kg.m²) 5210 2018.12.13. Atomerőművek I. 49
Primer köri főberendezések Térfogatkompenzátor (TK) 2018.12.13. Atomerőművek I. 50
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 eltávolítása Baleseti helyzetben primer köri 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) 2018.12.13. Atomerőművek I. 51
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 túlnyomásvédelem) 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 2018.12.13. Atomerőművek I. 52
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 2018.12.13. Atomerőművek I. 53
TK VVER-440 2018.12.13. Atomerőművek I. 54
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 2018.12.13. Atomerőművek I. 55
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) 2018.12.13. Atomerőművek I. 56
TK - EPR 2018.12.13. Atomerőművek I. 57
TK - EPR 2018.12.13. Atomerőművek I. 58
Primer köri főberendezések CVCS 2018.12.13. Atomerőművek I. 59
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); Kémiai adalékanyagok biztosítása; 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 2018.12.13. Atomerőművek I. 60
Chemical and volume control system (CVCS) 2018.12.13. Atomerőművek I. 61
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) Hamaoka, 2001 2018.12.13. Atomerőművek I. 62
CVCS EPR EPR CVCS 2018.12.13. Atomerőművek I. 63
1. sz. víztisztító rendszer VVER-440 Feladata: fővízköri hőhordozó részáramú tisztítása Vízkémiai paraméterek biztosítása (alacsony korróziós sebesség) Szennyezőanyag-mentesség biztosítása (felaktiválódás csökkentésére) Fővízköri forgalomnak csak töredéke (25 m3/h vs. 41000 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 2018.12.13. Atomerőművek I. 64
1. sz. víztisztító rendszer 2018.12.13. Atomerőművek I. 65
Pótvíz és bóros szabályozás rendszere 2018.12.13. Atomerőművek I. 66
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 Blokk leállásakor : reaktor utántöltésének biztosítása primerköri tömörség- és nyomáspróbák végrehajtása 2018.12.13. Atomerőművek I. 67