20/01/202326/09/2023

PWR-trykvand

Trykvandsreaktoren – PWR (Pressurized Water Reactor)

Trykvandsreaktoren er den type, der har vundet den største udbredelse.
Det skyldes at denne type blev udviklet til fremstilling af en egnet reaktor til skibe og ubåde.
Figuren viser skematisk opbygningen af en trykvandsreaktor.

1. Reaktorbeholder.
2. Brændselselementer
3. Kontrolstænger
4. Styr til kontrolstave
5. Trykholder
(pressurizer)
6. Dampgenerator
7. Primær kølepumpe
8. Damp
9. Fødevand
10. Turbine – højtryksdel
11. Turbine – lavtryksdel
12. Generator
13. Magnetisering
14. Kondensator
15. Hav- flodvand
16. Fødevandspumpe
17. Forvarmer
18. Betonafskærmning
19. Kølevandspumpe

Fra Ringhals – Nordens største elproducent.
3 PWR-blokke og en BWR.

I en PWR sørger et primært kølekredsløb for at overføre reaktorens varmeproduktion til en varmeveksler, hvor et sekundært kølekredsløb producerer højtryksdamp til turbinen. Ved fuldlast er temperaturen i reaktoren ca. 320 ºC ved et tryk på 15-16 MPa – ca.150- 160 Bar (atm.). Det køles ned til ca. 285 ºC i det sekundære system i den såkaldte dampgenerator, hvor trykket er lavere end i det primære system.
Meget store cirkulationspumper sørger for at vandmængden gennem reaktorkernen er ca. 10 gange den producerede dampmængde, der er på ca. 1 – 2 tons/sekund.
Dampgeneratorerne er komplicerede og dyre enheder: De har den fordel, at der ikke er radioaktivitet i dette kredsløb, så personalet kan opholde sig i turbinehallen under driften. Hvis der sker en lækage i dampgeneratorens rør eller i brændselselementerne skal det repareres, hvilket ikke kan ske uden anlægget stoppes. Det tager typisk en uge for at tilproppe utætte rør. Ifølge driftsrapporter fra PWR-anlæg sker det meget sjældent.
Der kan være fra 2 til 4 særskilte primære kredsløb med hver sin pumpe og dampgenerator. Et enkelt fabrikat har 2 pumper pr. kredsløb. Pumperne er meget store, 6000 – 8000 kW effekt pr. pumpe er meget almindeligt.
I en trykvandsreaktor er det vigtigt at trykket i reaktoren holdes på en konstant værdi under varierende belastninger. Det sørger trykholderen for. (Pressurizeren, som har givet navn til typen). Trykholderen er forbundet til det primære kredsløb på sugesiden, det såkaldte »varme« ben. Trykholderen er ca. halvt fyldt med vand. Et varmelegeme og et spraysystem sørger for det konstante tryk i systemet.

I toppen sidder aflastningsventiler, der åbner ved for stort reaktortryk. Damp ledes til en kondensationstank således trykket falder i reaktoren.

Øverst i reaktoren ses et system af kontrolstænger, der anvendes til at styre effekten og til at lukke reaktoren ned. Effekten styres tillige af neutronabsorberende borsyre i kølevandet. Borsyren indfanger neutronoverskuddet ved frisk brændsel. Efter nogen tids forløb er borsyren »mættet«, hvilket sker i takt med brændslets udbrænding.
Brændselsstavene er typisk samlet en 17 x 17 gitter, hvor der også er plads til kontrolstave og instrumenter. Elementet er åbent og tillader kølevand at strømme på tværs forbi stavene.
Reaktortanken er omgivet af ca. 2 m betonvægge der afskærmer for strålingen fra reaktorkernen.
På figuren ses lademaskinen for brændselselementerne, dampgeneratoren og 2 store cirkulationspumper, der sørger for at kølevandet cirkulerer omkring reaktorkernen under driften.

Barrierer

containment Der er forskellige barrierer der beskytter omgivelserne mod bl.a. radioaktivitet.

Den første barriere er de ca. 1 mm tykke zirkaloy-rør, der omslutter brændselspillerne.
Den næste barriere er selve reaktortanken, der har en vægtykkelse på ca. 20 cm. Når den er så tyk er det bl.a. pga. at stål bliver skørt af neutronbombardementet. Derfor er der i reaktoren indlagt nogle stålprøver som man undersøger for styrke m.v.
Reaktorbygningen er omgivet af en betonindeslutning, der er gjort gastæt med en tætsluttende stålkappe – Containmentet.
Indeslutningen skal sikre mod at omgivelserne bliver forurenet med radioaktive stoffer i forbindelse med et uheld. Størrelsen af indeslutningen beregnes for hver enkelt reaktor for sig. Volumenet er udlagt så stort, at trykket ikke overstiger en vis værdi hvis al reaktorvandet fordamper ved et stort rørbrud. Inden ibrugtagning bliver Containmentet trykprøvet. Her undersøges også for tæthed.

Vandbassinerne anvendes til opbevaring af de brugte brændselselementer indtil den værste radioaktivitet er overstået.

I tilfælde af strømsvigt under driften er der et en del uafhængige nødhjælpssystemer – nogle kølevandspumper forsynes med eksterne strømforsyning, nogle systemer anvender dampdrevne pumper, der ikke er afhængig af elforsyning. Et nødhjælpssystem med dieseldrevne systemer går i gang hvis strømforsyningen svigter.
Inde i bygningen findes sprinklersystemer, der ved uheld afkøler dampene så de fortættes – og binder en del af de højradioaktive produkter fra reaktorkernen – i første række drejer det sig om ¹³¹J (iod-131) og cæsium.
Der kan tilsættes kemikalier for at gøre bindingen mest muligt effektiv.

Sikkerhedssystemer

En reaktor er sikret med mange forskellige systemer, for ikke at små uheld skal udvikle sig til store katastrofer. Ved mindre brud i kølesystemet træder et højtryks-nødkølesystem (HT-systemet) i gang og tilfører vand til reaktoren for at erstatte det, der forsvinder.
Ved overtryk det primære system åbnes en sikkerhedsventil og en aflastningsventil i toppen af trykholderen sig og dampen ledes i en aflastningstank, hvor den fortættes. Herved aflastes trykket i det primære kølesystem. Når trykket er faldet til en vis værdi lukkes ventilerne automatisk igen.
HT-systemet kan pumpe vand ind i reaktoren til erstatning for det, der er afblæst i aflastningstanken. Aflastningsbeholderen er sikret med en sprængplade, der rives af når trykket i beholderen bliver for stort.
Der kan med HT-systemet tilføres bor med kølevandet, se figuren. Bortanken er tryksat med kvælstof. Ved at tilføre bor med nødkølevandet sikrer man si at kædeprocesserne standses overalt i kernen, også selvom enkelte kontrolstave skulle svigte.
Falder trykket yderligere træder et lavtrykssystem (LT-system) i gang og pumper vand ind i kernen.
Kølevandet kan dels tages fra sumpen, hvor vandet fra et eventuelt brud samler sig, dels kan det tages fra en akkumulatortank, hvor en luftpude under tryk kan tilføre kølevand selvom el-pumperne skulle svigte.

Der er således et kredsløb:

Brud => Sump => Pumpe => Varmeveksler => Reaktor

Såfremt trykket i reaktorbygningen bliver for stort på grund af dampudvikling, træder et spraysystem i gang, hvorved dampen fortættes og trykket falder. Dette vand kan tilsættes natriumhydroxid (NaOH) , der har den egenskab, at det binder eventuelt luftbåret jod, der kan være undsluppet af beskadigede brændselselementer. Iod₁₃₁ er et stærkt radioaktivt stof, der er i stand til at forurene store områder, hvis det slipper ud i det omgivende miljø.
Der er desuden et stort system af filtre til at rense luften i bygningerne inden den slippes ud i det fri.
En PWR er omgivet af en gastæt indeslutning –Containmentet med så stor volumen, at trykket i denne indeslutning ikke opnår højere indre tryk, end den ar afprøvet til, hvis reaktorens indhold af kølevand ved et uheld skulle koge op til damp og slippe ud i reaktorbygningen.
For at forebygge svigt af nødkølesystemerne, er der indbygget flere af hinanden uafhængige energikilder til at trække pumperne. Der anvendes

Vekselstrømsdrevne pumper.
Pumper drevne af vekselstrøm fra diesel- eller gasturbinedrevne generatorer.
El fra eksternt system.
Et passivt system via trykluft (kvælstof)
Akkumulatorer til sikring af jævnstrømsforsyning til driften af vitale instrumenter m.v.
Dampdrevne pumper til nødkølesystemet der fungerer uden strøm – blot der er damptryk.

**Specifikationer fra et tysk atomkraftværk(Grohnde)**
Termisk effekt	3850 MW
Generatoreffekt	1430 MW
Nettoeffekt	1360 MW
Egetforbrug	70 MW
Nyttevirkning	35.3%
Reaktorhøjde	12,3 m
Reaktordiameter	5 m
Reaktorens vægtykkelse	ca. 25 cm.
Brændselsmængde	160 tons UO₂
Berigning – ²³⁵U.	2.8%
Reaktorens vægt	550 tons
Antal dampgeneratorer	4 stk.
Dampproduktion total	2100 kg/s
Damptemperatur	285 °C
Damptryk	79 bar
Effekt primære kølevandspumper	*4 7350 kW**
Kølevand ind (cold leg)	292 °C
Kølevand ud (warm leg)	325 °C
Kølevandsflow i reaktor	20 tons/s
Reaktorbygningens diameter	56 m
Reaktorbygningens vægtykkelse	30 cm.
Trykprøvet til	5.3 bar
Kondensator tryk	0.046 bar
Kølevandsforbrug	ca. 60 tons vand/s
Kølevandets temperaturstigning	12 °C
Køletårnets højde	147 m
Tværsnit ved basis	105 m
Årlig el-produktion (2001)	11,600 GWh (ca. 50% af DK)
Rådighedsfaktor	94.9%
Lastfaktor	94.7%