Reaktor sa vodom pod pritiskom

Reaktori sa vodom pod pritiskom spadaju u drugu generaciju nuklearnih reaktora. Reaktor sa vodom pod pritiskom se često označava kao PWR (engl. Pressurized Water Reactor) i predstavlja jedan od dva tipa lakovodnih reaktora. Drugi tip reaktora u ovoj grupi su reaktori sa ključalom vodom. U Sovjetskom Savezu dizajnirana je ruska varijanta reaktora sa vodom pod pritiskom koja se često naziva VVER.

Reaktori sa vodom pod pritiskom

Iz samog naziva proizilazi da se za hlađenje i usporavanjeneutrona koristi voda pod visokim pritiskom. Primarni prsten elektrane je pod pritiskom kako ne bi došlo do uzviranja vode. Ova vrsta reaktora je najrasprostranjeniji tip reaktora danas i koriste se širom sveta. Više od 230 reaktora koriste se za proizvodnju električne energije, a nekoliko stotina za podmorsko kretanje. Prva verzija ovih reaktora je u Oak Ridž Nacional Laboratoriji u svrsi pokretanja nuklearne podmornice.

Incident na ostrvu Tri Milje je vezan za ovaj tip reaktora, proizveden od strane Babkoka i Vilkoksa.

Način rada

Voda primarnog prstena se zagreva vodu uz pomoć energije oslobođene iz nuklearnog goriva, odnosno nuklearne lančane reakcije. Ugrejana voda je onda pumpama do parnog generatora, koji omogućava da se voda iz primarnog prstena dodatno zagreje i tako zagreva do tačke ključanja vodu sekundarnog prstena. Prednost ovog principa je što ne dolazo do mešanja vode primarnog i sekundarnog prstena, što kao posledicu može da ima prenos radioaktivnosti iz jezgra reaktora skroz do turbine. Nakon zagrevanja sekundarne vode, para se odvodi do parne turbine, i energija je sa turbine odvedena do generatora električne energije. Pored navedene prednosti ovih reaktora bitno je napomenuti da je pritisak primarne vode oko 15-16 mega paskala, što je u poređenju sa ostalim tipovima reaktora veoma visok pritisak. Pritisak primarne vode u reaktoraima sa vodom pod pritiskom je skoro duplo veći nego što je u reaktorima sa ključalom vodom. Dok u ovim reaktorima ne dolazi do ključanja primarne vode, u reaktorima sa ključalom vodom je reaktor dizajniran tako da ova voda ključa.

Dizajn

Grafički prikaz prenosa snage u reaktoru sa vodom pod pritiskom. Primarna rashladna tečnost je data u narandžastoj boji, dok su sekundarne rashladne tečnosti u plavoj boji

Hlađenje

Za primarno hlađenje reaktora koristi se obična voda koja kruži reaktorom pri temperaturi od 315 °C. Voda ostaje u tečnom stanju i pri visokim temperaturama zbog velikog pritiska (15 MPa). Voda primarnog prstena se koristi za zagrevanje vode sekundarnog prstena koja kasnije postaje zasićena para 6,2 MPa, na temperaturi od oko 275 °C, koja se koristi za pokretanje parne turbine.

Moderator

Kao i svi reaktori koji su termičkog tipa, i ovi reaktori koriste moderator za usporavanje brzih neutrona oslobođenih u fisionoj reakciji. Voda koja se koristi za hlađenje reaktora, takođe se koristi i za moderiranje neutrona. U procesu usporavanja neutrona dolazi do reakcija brzih neutrona sa atomima moderatora, odnosno sa vodonikom, pri čemu neutroni gube deo svoje energije i postaju termički. Verovatnoća ove reakcije između neutrona i vodonika se povećava sa povećanjem gustine vode. Ova karakteristika reaktora, da koriste vodu kao moderator je veoma važna sa stanovišta nuklearne bezbednosti, ukoliko dođe do povećanja temeperature u reaktoru, dolazi do smanjivanja gustine vode kao moderatora, pri čemu je manja verovatnoća da dodđe do termalizacije(usporavanja) brzih neutrona, čime se smanjuje reaktivnost u reaktoru. Prilikom ovog procesa dolazi do smanjivanja odnosno usporavanja lančane reakcije. Ovakva karakteristika se naziva negativni temperaturni koeficijent reaktivnosti, i čini ovaj tip reaktora veoma stabilnim i bezbednim.

U poređenju sa reaktorima tipa RBMK gde se povećava proizvodnja energije kada voda za hlađenje počne da se pregreva, što ovaj sistem čini jako nestabilnim sa stanovišta nuklearne bezbednosti. Ova karakteristika je jedna od uzroka poznate černobiljske katastrofe.

Gorivo

Gorivo koje se koristi u reaktorima sa vodom pod pritiskom je obogaćen sa nekoliko procenta uranijuma 235. Nakon obogaćivanja uranijum-dioksida, prašak se spaljuje na visokoj temperaturi kako bi se dobile tvrde keramičke tablete obogaćenog uranijum oksida. Tablete okruglog oblika se onda stavljaju u cevi koje su napravljene od nekorozivnog materijala, zirkonijuma, a potom ispunjene helijumom kako bi se povećao prenos energije i lakše detektovale mane. Ove cevi su onda povezane u gorivni element, koji čine jezgro reaktora ili aktivnu zonu reaktora. Najčešće ovi reaktori imaju oko 200 do 300 gorivnih elemenata, što je oko 100 t uranijuma ukupno. Obično su cevi poređane u vidu četvorougaonika, dimenzija od 14x14 do 17x17 šipki (cevi). Dužina gorivnih elemenata je oko 4m.

Zamena goriva u većini reaktora je nakon 18-24 meseca, gde se obično zamenjuje samo trećina goriva sa novim gorivnim elementima.

Kontrola

Bor i šipke za kontrolu se koriste u cilju održavanja temperature u reaktoru na željenom nivou. Povećana temperatura u jezgru reaktora dovodi do smanjivanja verovatnoće da dođe do fisione reakcije, time se smanjuje energija oslobođena iz aktivne zone reaktora. Operater može u tom slučaju da doda bornu kiselinu ili kontrolne šipke u reaktor, da spusti temperaturu na željeni nivo.

Bor ima sposobnost da apsorbuje neutrone, čime smanjuje njihovu koncentraciju u vodi za hlađenje, što direktno utiče na smanjenje aktivnosti neutrona.

Kontrolne šipke, koje se po pravilu vertikalno ubacuju direktno među gorivne šipke, koriste se samo za kontrolu oslobođene energije iz jezgra reaktora. Nasuprot reaktorima sa vodom pod pritiskom, reaktori u kojima voda ključa nemaju bor u vodi za hlađenje.

Prednosti

• Velika stabilnost sistema, s obzirom da se smanjuje oslobođena količina energije sa povećanjem temperature u jezgru reaktora. Zato je mnogo lakše upravljati ovim sistemom, s pogleda njegove stabilnosti.
• Ova vrsta reaktora može da veoma dobro radi i sa manjom količinom fisionog materijala nego što je neophodno da bi se dospelo do kritičnog stanja reaktora. Zato je ova vrsta reaktora relativno bezbedna tj. male su šanse da dođe do razvoja nekontrolisane reakcije ili da reaktor postane nadkritičan.
• Koriste običnu vodu za hlađenje i moderiranje, što je mnogo jeftinije od upotrebe skupe, teške vode.
• Primarni prsten je odvojen od sekundarnog prstena, pa ne može da dođe do prenošenja radioaktivnosti do sekundara.

Nedostaci

• Voda koja se koristi za hlađenje reaktora mora da bude pod veoma visokim pritikom kako bi ostala u tečnom stanju. Ovaj sistem, koji održava visok pritisak u reaktoru, je veoma skup.
• U većina reaktora sa vodom pod pritiskom ne može da se vrši promena goriva za vreme rada reaktora. Ovo smanjuje sposobnosti reaktora, jer bi morao više puta u toku godine da se potpuno gasi kako bi se iskorišćeno gorivo odstranilo iz reaktora, i stavilo novo gorivo.
• Voda pod pritiskom, u kojoj se nalazi borova kiselina, dovodi do korozije, pa radioaktivni korozivni materijal može da krući primarnim prstenom elektrane. Time se smanjuje trajanje reaktora a takođe i sistem koji filtrira ove materije i podešava borovu kiselinu, povećavaju cenu reaktora.
• Voda lako apsorbuje neutrone koji bi trebalo da dovode do fisije na uranijumu, pa se time ujedno povećava količina potrebnog gorivom. Kada bi se koristila teška voda, kao gorivo se slobodno može koristiti prirodni uranijum, ali opet, proizvodnja teške vode je proces skup sam po sebi.
• Pošto se voda koristi kao moderator neutrona, nije moguće izgraditi reaktor sa vodom pod pritiskom koji bi bio baziran na fisiji brzim neutronima.

Reaktori, sa vodom pod pritiskom, 3. generacije

• Reaktor sa vodom pod pritiskom, za evropsko tržište- European Pressurized Reactor (EPR)
• Razvijen za američko tržište- Westinghouse Advanced Passive 1000 (AP1000)

Literatura

• Mosey, David (1990). Reactor accidents: nuclear safety and the role of institutional failure. Nuclear Engineering International Special Publications in conjunction with Butterworths. ISBN 978-0-408-06198-8. 
• Glasstone, Samuel; Sesonske, Alexander (1994). Nuclear Reactor Engineering: Reactor Design Basics/Reactor Systems Engineering. Routledge, Chapman & Hall, Incorporated. ISBN 978-0-412-05511-9. 

Spoljašnje veze

• Više o reaktoru treće generacije za evropsko tržište (jezik: engleski)
• Reaktori treće generacije(jezik: engleski)