Un echipament cu care se poate fierbe apa? Da, oarecum…
CANDU (Canada Deuterium Uranium) este un reactor canadian de apă grea sub presiune folosit pentru a genera energie electrică. [1] Acronimul se referă la moderatorul său de oxid de deuteriu (apă grea) și la utilizarea combustibilului de uraniu (inițial, natural). Reactoarele CANDU au fost dezvoltate pentru prima dată la sfârșitul anilor 1950 și 1960 printr-un parteneriat între Atomic Energy of Canada Limited (AECL), Comisia pentru energie hidroelectrică din Ontario, Canadian General Electric și alte companii.
Au existat două tipuri majore de reactoare CANDU, proiectul original de aproximativ 500 MWe, care a fost destinat utilizării în instalațiile multi-reactor în centrale mari, și CANDU 6 raționalizat în clasa de 600 MWe, care este proiectat pentru a fi utilizat în unități individuale sau în centrale mici cu mai multe unități. Unitățile CANDU 6 au fost construite în Quebec și New Brunswick, precum și în Pakistan, Argentina, Coreea de Sud, România și China. Un singur exemplu de design non-CANDU 6 a fost vândut în India. Proiectul multi-unitate a fost utilizat numai în Ontario, Canada, și a crescut în dimensiune și putere pe măsură ce mai multe unități au fost instalate în provincie, ajungând la ~ 880 MWe în unitățile instalate la Centrala Nucleară Darlington. Un efort de a raționaliza unitățile mai mari într-un mod similar cu CANDU 6 a condus la CANDU 9.
Până la începutul anilor 2000, perspectivele de vânzări pentru modelele originale CANDU s-au diminuat datorită introducerii unor modele mai noi de la alte companii. AECL a răspuns prin anularea dezvoltării CANDU 9 și trecerea la proiectarea reactorului avansat CANDU (ACR). ACR nu a reușit să găsească cumpărători; ultima sa vânzare potențială a fost pentru o extindere la Darlington, dar aceasta a fost anulată în 2009. În octombrie 2011, guvernul federal canadian a licențiat proiectul CANDU către Candu Energy (o filială deținută integral de SNC-Lavalin), care a achiziționat, de asemenea, fosta divizie de dezvoltare și comercializare a reactoarelor AECL la acel moment. Candu Energy oferă servicii de suport pentru amplasamentele existente și finalizează instalații blocate anterior în România și Argentina printr-un parteneriat cu China National Nuclear Corporation. SNC Lavalin, succesorul AECL, urmărește vânzările de noi reactoare CANDU 6 în Argentina (Atucha 3), precum și în China și Marea Britanie. Efortul de vânzare pentru reactorul ACR s-a încheiat.
În 2017, o consultare cu industria a determinat Natural Resources Canada să stabilească o “foaie de parcurs SMR”[2] care vizează dezvoltarea reactoarelor modulare mici. Ca răspuns, SNC-Lavalin a dezvoltat o versiune SMR de 300 MWe a CANDU, CANDU SMR, pe care a început să o evidențieze pe site-ul său. [3] În 2020, CANDU SMR nu a fost selectat pentru lucrări suplimentare de proiectare pentru un proiect demonstrativ canadian. SNC-Lavalin încă se uită la comercializarea unui SMR de 300 MW, în parte datorită cererii proiectate din cauza atenuării schimbărilor climatice. [4]
Diagrama schematică a unui reactor CANDU:
Laturile calde și reci ale buclei primare de apă grea; laturile calde și reci ale buclei secundare lumină-apă; și moderator de apă grea rece în calandria, împreună cu tije de reglare parțial introduse (așa cum sunt cunoscute tijele de control CANDU).
1. Pachetul de combustibil; 2. Calandria (miezul reactorului); 3. Tije de reglare; 4. Presurizator; 5. Generator de abur; 6. Pompă de apă ușoară; 7. Pompă de apă grea; 8. Mașini de alimentare cu combustibil; 9. Moderator de apă grea; 10. Tub de presiune; 11. Aburul merge la turbina cu abur; 12. Apa rece care se întoarce de la turbină; Clădire de izolare din beton armat
Proiectare și funcționare
Funcționarea de bază a proiectului CANDU este similară cu cea a altor reactoare nucleare. Reacțiile de fisiune din miezul reactorului încălzesc apa sub presiune într-o buclă primară de răcire. Un schimbător de căldură, cunoscut și sub numele de generator de abur, transferă căldura într-o buclă secundară de răcire, care alimentează o turbină cu abur cu un generator electric atașat la ea (pentru un ciclu termodinamic tipic Rankine). Aburul de evacuare de la turbine este apoi răcit, condensat și returnat ca apă de alimentare la generatorul de abur. Răcirea finală utilizează adesea apă de răcire dintr-o sursă din apropiere, cum ar fi un lac, un râu sau un ocean.
Centralele CANDU mai noi, cum ar fi Centrala Nucleară Darlington de lângă Toronto, Ontario, folosesc un difuzor pentru a răspândi apa caldă de ieșire pe un volum mai mare și pentru a limita efectele asupra mediului. Deși toate instalațiile CANDU până în prezent au folosit răcirea cu ciclu deschis, proiectele moderne CANDU sunt capabile să utilizeze turnuri de răcire în schimb. [5]
În cazul în care designul CANDU diferă de majoritatea celorlalte modele este în detaliile miezului fisionabil și bucla primară de răcire. Uraniul natural constă dintr-un amestec de uraniu-238 cu cantități mici de uraniu-235 și urme de alți izotopi. Fisiunea în aceste elemente eliberează neutroni de mare energie, care pot provoca și alți atomi de 235U din combustibil să fie supuși fisiunii. Acest proces este mult mai eficient atunci când energiile neutronice sunt mult mai mici decât ceea ce reacțiile eliberează în mod natural. Majoritatea reactoarelor folosesc o formă de moderator de neutroni pentru a reduce energia neutronilor sau pentru a-i “termaliza”, ceea ce face reacția mai eficientă. Energia pierdută de neutroni în timpul acestui proces de moderare încălzește moderatorul, iar această căldură este extrasă pentru putere.
Cele mai multe proiecte de reactoare comerciale folosesc apa normala ca moderator. Apa absoarbe o parte din neutroni, suficient pentru a nu fi posibilă menținerea reacției în uraniu natural. CANDU înlocuiește această apă “ușoară” cu apă grea. Neutronul suplimentar al apei grele scade capacitatea sa de a absorbi excesul de neutroni, rezultând o economie mai bună a neutronilor. Acest lucru permite CANDU să funcționeze cu uraniu natural neîmbogățit sau uraniu amestecat cu o mare varietate de alte materiale, cum ar fi plutoniu și toriu.
Acesta a fost un obiectiv major al proiectului CANDU; Prin operarea cu uraniu natural, costul îmbogățirii este eliminat. Acest lucru prezintă, de asemenea, un avantaj în ceea ce privește proliferarea nucleară, deoarece nu este nevoie de instalații de îmbogățire, care ar putea fi utilizate și pentru arme.
Calandria și designul combustibilului
Două fascicule de combustibil CANDU: fiecare are aproximativ 50 cm lungime și 10 cm diametru și poate genera aproximativ 1 GWh (3,6 TJ) de energie electrică în timpul petrecut într-un reactor CANDU
În proiectele convenționale ale reactoarelor cu apă ușoară (LWR), întregul miez fisionabil este plasat într-un vas de presiune mare. Cantitatea de căldură care poate fi îndepărtată de o unitate de lichid de răcire este o funcție a temperaturii; Prin presurizarea miezului, apa poate fi încălzită la temperaturi mult mai mari înainte de fierbere, eliminând astfel mai multă căldură și permițând miezului să fie mai mic și mai eficient.
Construirea unui vas sub presiune de dimensiunea necesară este o provocare semnificativă, iar la momentul proiectării CANDU, industria grea a Canadei nu avea experiența și capacitatea necesare pentru a turna și prelucra recipiente sub presiune pentru reactoare de dimensiunea necesară. Această problemă este amplificată de densitatea fisionabilă mai mică a combustibilului natural de uraniu, care necesită un miez mai mare al reactorului. Această problemă a fost atât de mare încât chiar și vasul sub presiune relativ mic destinat inițial utilizării în NPD înainte de reproiectarea sa la mijlocul construcției nu a putut fi fabricat pe plan intern și a trebuit să fie fabricat în schimb în Scoția. Dezvoltarea internă a tehnologiei necesare pentru a produce recipiente sub presiune de dimensiunea necesară pentru reactoarele de putere moderate cu apă grea la scară comercială a fost considerată a fi foarte puțin probabilă. [6]
La CANDU fasciculele de combustibil cu diametrul de aproximativ 10 cm sunt compuse din mai multe tuburi metalice mai mici. Fasciculele sunt conținute în tuburi de presiune într-un vas mai mare care conține apă grea suplimentară care acționează exclusiv ca moderator. Acest vas mai mare, cunoscut sub numele de calandria, nu este presurizat și rămâne la temperaturi mult mai scăzute, ceea ce îl face mult mai ușor de fabricat. Pentru a preveni scurgerea căldurii din tuburile de presiune în moderatorul înconjurător, fiecare tub de presiune este închis într-un tub calandria. Dioxidul de carbon gazos din spațiul dintre cele două tuburi acționează ca un izolator. Rezervorul moderator acționează, de asemenea, ca un radiator mare care oferă o caracteristică suplimentară de siguranță.
Într-un reactor convențional cu apă sub presiune, realimentarea sistemului necesită oprirea miezului și deschiderea vasului sub presiune. În CANDU, doar tubul unic alimentat trebuie să fie depresurizat. Acest lucru permite sistemului CANDU să fie alimentat continuu fără oprire, un alt obiectiv major de proiectare. În sistemele moderne, două mașini robotizate se atașează la fețele reactorului și deschid capacele de capăt ale unui tub de presiune. O mașină împinge noul combustibil, prin care combustibilul epuizat este împins afară și colectat la celălalt capăt. Un avantaj operațional semnificativ al alimentării online este că un pachet de combustibil defect sau care prezintă scurgeri poate fi îndepărtat din miez odată ce a fost localizat, reducând astfel nivelurile de radiații din bucla primară de răcire.
Fiecare fascicul de combustibil este un cilindru asamblat din tuburi subțiri umplute cu pelete ceramice de combustibil de oxid de uraniu (elemente combustibile). În modelele mai vechi, pachetul avea 28 sau 37 de elemente de combustibil lungi de jumătate de metru, cu 12-13 astfel de ansambluri situate cap la cap într-un tub de presiune. Noul pachet CANFLEX are 43 de elemente de combustibil, cu două dimensiuni ale elementelor (astfel încât puterea nominală poate fi mărită fără a topi cele mai fierbinți elemente de combustibil). Are aproximativ 10 centimetri (3,9 in) în diametru, 0,5 metri (20 in) lungime, cântărește aproximativ 20 de kilograme (44 lb) și este destinat să înlocuiască în cele din urmă pachetul de 37 de elemente. Pentru a permite neutronilor să circule liber între fascicule, tuburile și fasciculele sunt realizate din zircaliu transparent cu neutroni (zirconiu + 2,5% greutate niobiu).