BWR, PWR, RBMK, WWER – reaktor jądrowy reaktorowi jądrowemu nierówny

Wpis inspirowany tym, że zaczęłam pisać o SMRach (małe modułowe reaktory jądrowe) i zorientowałam się, że w ramach szybkiej wstawki powinnam wyjaśnić co to jest PWR, BWR i tak dalej. To byłaby bardzo długa szybka wstawka. Poza tym pewnie nie byłby to jedyny tekst na blogu, któremu by się ona przydała, a skoro tak, to mogę napisać ją raz a dobrze i przywoływać kiedy zajdzie potrzeba — ktoś będzie już to wiedział, to nie kliknie, a kto wiedział nie będzie, to sobie tu doczyta.

Reaktory jądrowe, czyli co?

Reaktory jądrowe pełnią w elektrowni jądrowej tę samą funkcję co kotły w konwencjonalnej. Przerabiają energię zawartą w paliwie na energię cieplną, czyli z wody robi parę. Później ta para rurociągami leci na turbinę, rozpręża się w niej i wywołuje jej obrót (co jest zmianą energii cieplnej na mechaniczną), zaś obrót turbiny wywołuje obrót wirnika generatora prądu (zmiana energii mechanicznej na elektryczną).

Upraszczając do granic możliwości: reaktory jądrowe to ekwiwalent czajników z grzałką.

Moderator, chłodziwo, etc.

Reaktory mogą różnić się paliwem, mogą wykorzystywać co innego w roli moderatora, używać różnych czynników chłodzące, itd. Gdy ja sama trafiam na oznaczenie reaktora, którego wcześniej nie kojarzyłam, to w pierwszym odruchu staram się znaleźć informacje o tym:

co jest chłodziwem
co jest moderatorem

Chłodziwo, jak nazwa wskazuje ma za zadanie chłodzić reaktor.

Moderator

Moderator za to spowalnia neutrony. Uciekając się do znowu do porównań. Uran (U-235), najczęstsze paliwo w reaktorach jądrowych, rozpadając się emituje neutrony, które są niczym tunnigowane Golfy zapierniczające ile fabryka dała po niemieckiej autostradzie (mają wysoka energię i nazywamy je neutronami prędkimi). Takie neutrony nie są w stanie wywołać kolejnej reakcji rozpadu U-235. Zamiast wbić się w jego jądro, to one się od niego odbiją. Dlatego potrzebujemy czegoś, co by wyhamowało te neutrony. Sprawiło, żeby poruszały się niczym stateczna Fabia Kombi z silnikiem 1.2 (czyli miały niższą energię i wtedy nazywamy je neutronami termicznymi). I tu właśnie jest rola dla moderatora. Nasze neutrony-Golfy odbijają się od atomów moderatora i przy każdym takim odbiciu wytracają nieco energii. W końcu aż pozostaje jej tyle, że stają się neutronami-Fabiami. W tym stanie uderzą, gdy w jądro uranu, to wbiją się w nie zamiast się od niego odbić.

Chłodziwo

Chłodziwem w reaktorze jądrowym często jest lekka woda (H2O), ciężka woda (D2O) – lepsza parametrami od lekkiej, ale też dużo droższa, płynny sód lub dwutlenek węgla.

Jeśli chodzi o moderatory to do wyboru mamy lekką wodę (H2O), ciężką wodę (D2O), grafit a niekiedy moderatora nie używa się w ogóle. W takich reaktorach neutrony-golfy zapewniają nam dość reakcji do podtrzymania reaktora w stanie nadkrytycznym.

To sprecyzowawszy prezentuję zatem krótki, przystępny przegląd technologii, jakie możemy spotkać wśród reaktorów jądrowych.

To zestawienie nie jest kompletne i pomija niektóre już porzucone warianty. A także niektóre dopiero rozwijane. Jego celem nie jest kompletność, a wstępne pokazanie co i jak, bo reaktor reaktorowi nierówny.

PWR

Pressurized Water Reactor – Reaktor Wodny Ciśnieniowy

paliwo	chłodziwo	moderator
wzbogacony UO2	lekka woda	lekka woda

Najbardziej popularny rodzaj reaktorów. Woda chłodzi reaktor, nagrzewa się, ale ponieważ znajduje się ona pod ciśnieniem kilkunastu megapaskali nie odparowuje. Zamiast tego przepływa przez wymiennik ciepła (2), w którym ochładza się – oddaje ciepło – drugiej wodzie, która odparowuje. Pierwszy obieg jest obiegiem wody skażonej, drugi wody czystej. Woda jest tania, co obniża koszty operacyjne takiej elektrowni. Minusem jest, że musimy wzbogacać paliwo, ponieważ woda podobnie chętnie spowalnia neutrony co je wyłapuje.

1. reaktor 2. generator pary – wymiennik woda-woda 3. turbina parowa 4. generator elektryczny 5. kondensator 6. pompa wody (nieskażonej) 7. pompa wody chłodzącej reaktor (skażonej)

Popularność tego typu reaktorów przejawia się również w mnogości konstrukcji różnych producentów i tak do tej grupy reaktorów zaliczają się się m.in. EPR (Framatome & EDF), APWR (Mitsubishi), AP-1000 (Westinghouse Electric Company), APR-1400 (KEPCO), czy rosyjskie VVER.

Przykłady

Prawie każdy reaktor we Francji jak na przykład bloki w elektrowni Cruas (na zdjęciu w nagłówku). A także Hinkley Point (Wielka Brytania), Olkiluoto (Finlandia), Mochovce (Słowacja), Bochunice (Słowacja) i wiele innych.

BWR

Boiling Water Reactor – Reaktor Wodny Wrzący

paliwo	chłodziwo	moderator
wzbogacony UO2	lekka woda	lekka woda

I już tu coś na pierwszy rzut oka nie gra, bo to ten sam zestaw paliwo – chłodziwo – moderator, co w reaktorach ciśnieniowych opisanych sekcję wcześniej. Tu do głosu dochodzą szczegóły konstrukcyjne. BWR to akronim od boiling water reactor, po polsku nazywanych reaktorami wodnymi wrzącymi. W odróżnieniu od PWR tutaj woda/chłodziwo odparowuje już we wnętrzu reaktora – od pewnej wysokości pręty paliwowe otoczone są parą, a nie wodą. Nie ma tu wymiennika ciepła woda-woda, który był na poprzednim schemacie. Para wodna powstała w reaktorze (skażona) idzie na turbinę, co oznacza, że w takiej elektrowni turbina parowa znajduje się w obszarze z największymi restrykcjami co do wejścia itd.

Sprawia to, że jeszcze jeden kojarzony przez wiele osób element reaktora wygląda inaczej – położenie prętów kontrolnych. Z różnych produkcji popkulturowych można kojarzyć opuszczenie prętów kontrolnych do reaktora. W BWR się ich nie opuszcza. Pręty kontrolne odpowiedzialne za wyłączenie reaktora znajdują się „pod nim” i żeby wprowadzić je do reaktora należy je „podnieść„, co realizowane jest za pomocą siłowników.

Oznacza to, że w sytuacji awaryjnej potrzeba zasilania, aby wygasić prętami kontrolnymi reaktor – coś, z czym był problem w elektrowni Fukushima Daiichi.

1. reaktor 2. turbina parowa 3. generator elektryczny 4. kondensator 5. pompa wody chłodzącej reaktor

Konstrukcja ta została stworzona przez General Electric oraz Argonne National Laboratory i jest rozwijana głównie przez GE Hitachi Nulcear Energy pod akronimami: ABWR, ESBWR.

Przykłady

Reaktory jądrowe tego typu są zainstalowane między innymi w elektrowni Hamanoka (Japonia). Wiele reaktorów w Stanach Zjednoczonych (np. reaktory w elektrowniach Browns Ferry, Brunswick). A także wyłączone reaktory w elektrowniach Fukushima Daiichi i Fukushima Daini (Japonia).

LWGR

Graphite-moderated boiling water reactor – reaktor wrzący moderowany grafitem

paliwo	chłodziwo	moderator
wzbogacony UO2	lekka woda	grafit

Reaktor kanałowy wrzący (jeden obieg wody, jak w BWR), znany również jako RBMK. Głównym spowalniaczem neutronów jest w nim grafit (oczywiście woda dalej to robi, nie można kazać jej przestać, ale grafit robi to lepiej, więc udział wody w ogólnym spowalnianiu jest znacząco mniejszy). W przeciwieństwie do np. PWR możliwa jest wymiana paliwa w reaktorze bez odstawiania bloku.

Starszy design charakteryzował się m.in. wysokim współczynnikiem reaktywności przestrzeni próżniowych. Oznaczało to, że wzrost temperatury w reaktorze powodował wzrost generowanej mocy, czyli dalszy wzrost temperatury. Zaowocowało to katastrofą w reaktorze numer 4 w Czarnobylu. Jedną z rzeczy, które zmieniono we wszystkich (także już istniejących) reaktorach RBMK jest właśnie ten parametr, tym samym zapewniając im samoregulowalność (temperatura rośnie → moc samotnie spada).

1. reaktor kanałowy 2. turbina parowa 3. generator elektryczny 4. kondensator pary 5. pompa wody

Przykłady

Reaktory jądrowe tego typu są zainstalowane między innymi w elektrowni Ignalina na Litwie, rosyjskie elektrownie Kursk, Leningrad i wiele innych.

GCR

Gas Cooled Reactor – Reaktor Chłodzony Gazem

paliwo	chłodziwo	moderator
naturalny uran, wzbogacony UO2	CO2	grafit
naturalny uran, wzbogacony UO2	CO2	ciężka woda
naturalny uran, wzbogacony UO2	Hel	grafit
naturalny uran, wzbogacony UO2	Hel	–

Reaktory znane też pod akronimem AGR – Advanced Gas cooled Reactor. Najbardziej znaną konstrukcją tego typu jest brytyjski MAGNOX. Zastosowanie gazu jako chłodziwa pozwala uzyskiwać wyższe temperatury na wylocie z reaktora bez konieczności podnoszenia ciśnienia chłodziwa. To upraszcza konstrukcję m.in. reaktora oraz generatora pary, a zatem redukuje koszt inwestycyjny. Wśród wad znajdują się jednak: znaczny rozmiar takiego reaktora i wymienników ciepła oraz niski stopień wypalenia paliwa oraz palność grafitu.

Konstrukcja ta nie spotkała się z dużym zainteresowaniem i obecnie jednostki tego typu są już raczej wycofywane.

1. reaktor 2. generator pary – wymiennik gaz-woda 3. turbina parowa 4. generator elektryczny 5. kondensator pary 6. pompa wody 7. pompa gazu chłodzącego

Przykłady

Reaktory jądrowe tego typu są zainstalowane między innymi w wielu brytyjskich elektrowniach jądrowych, np. Wylfa, Trawsfynydd, Sizewell A.

PHWR

Pressurized Heavy-Water Reactor – Ciśnieniowy Reaktor Ciężkowodny

paliwo	chłodziwo	moderator
naturalny UO2	ciężka woda	ciężka woda

Reaktor wykorzystujący jako paliwo naturalny uran, co sprawia, że jest ciekawą opcją dla krajów, które posiadają własne złoża tego pierwiastka i nie chcą inwestować w drogą instalację wzbogacania uranu. Z drugiej strony początkowy koszt związany z wytworzeniem odpowiedniej ilości ciężkiej wody jest znaczący. A potrzeba właśnie jej, ponieważ lekka woda (H2O) jest niezłym moderatorem, ale równie chętnie co spowalnia neutrony, to je pochłania, a my potrzebujemy ich do podtrzymania reakcji. W reaktorach, w których jej używamy, specjalnie wzbogacamy paliwo, aby zawierało więcej uranu niż naturalna ruda, żeby zwiększyć szanse na to, że dojdzie do rozpadu mimo pochłaniania neutronów przez lekką wodę. Ciężka woda za to mniej chętnie pochłania neutrony, co właśnie pozwala nam wykorzystać niewzbogacone paliwo.

Najpopularniejszą konstrukcją tego typu są kanadyjskie reaktory CANDU.

1. Reaktor kanałowy o poziomej orientacji prętów 2. generator pary 3. turbina parowa 4. generator elektryczny 5. kondensator pary 6. pompa wody (D2O) w drugim obiegu 7. pompa wody (D2O) w pierwszym obiegu

Przykłady

Reaktory w kanadyjskich elektrowniach Pickering (8 jednostek), Darlington (4 jednostki), Bruce (8 jednostek), NPD (1 jednostka), Douglas Point (1 jednostka) Gentilly (1 jednostka) Point Lepreau (1 jednostka). Poza tym reaktory 1 – 5 w EJ Cernavodă (Rumunia), reaktor numer 3 w EJ Atucha (Argentyna), reaktory III-1 i III-2 w Qinshan (Chiny) i wiele innych.

FBR

Fast Breeder Reactor – Reaktor Prędki Powielający

paliwo	chłodziwo	moderator
PuO2, UO2	ciekły sód	–

Reaktor prędki, czyli wykorzystujący neutrony prędkie a nie termiczne, przez co nie potrzebuje on moderatora. W skutek reakcji rozczepienia produkuje on więcej kolejnych jąder rozszczepialnych niż ich zużywa, wykorzystywany do wytwarzania plutonu (Pu-239) ze zubożonego uranu (U-238) lub toru (Th-232).

1. reaktor 2. wymiennik ciepła woda chłodząca reaktor (skażona) – ciekły sód 3. generator pary: wymiennik ciepła ciekły sód – woda (nieskażona) 4. turbina parowa 5. generator elektryczny 6. kondensator 7. pompa trzeciego obiegu (woda nieskażona) 8. pompa drugiego (pośredniego) obiegu (ciekły sód) 9. pompa pierwszego obiegu (woda skażona)