Neděle, Prosinec 9

Rolls-Royce SMR: Jak to bude fungovat

Na únorové konferenci o malých modulárních reaktorech pořádané na FJFI představil Alain Woods z britského Rolls Royce jejich aktuální projekt. Jedná se o elektrárnu středního výkonu, což se může z hlediska vývoje zdát jako krok zpátky, nicméně není tomu tak. Jakou roli by tyto elektrárny zaujímaly v Británii se můžete dočíst například v článku Atomové retro. Tentokrát se ale na projekt Rolls Royce podíváme z více technického hlediska.

Idylická vizualizace aktuálního projektu elektrárny středního výkonu společnosti Rolls-Royce. (Zdroj: Rolls-Royce)

Srdcem plánované elektrárny má být třísmyčkové uspořádání s tlakovodním reaktorem o výkonu 400-450 MWe (1200-1350 MWt). Palivem bude standardní peletovaný UO2. Chlazení budou zajišťovat tři odstředivá čerpadla přes tři vertikální U-trubkové parogenerátory. Bezpečnostní systémy budou jak aktivní, tak pasivní a se značnou redundancí.

Schéma primárního okruhu – reaktor, kompenzátor objemu, tři smyčky s odstředivými čerpadly a vertikálními parogenerátory. (Zdroj: Rolls-Royce.)

Primární okruh je umístěn v jaderném ostrově (na obrázku červeně) vedle turbínového ostrova (žlutá část), za kterým se nachází část s chladicími čerpadly (modrá část). Všechny tyto tři části jsou chráněny masivní konstrukcí. Budovy pomocných provozů a podpory jsou umístěny ve vyvýšeném „valu“ obemknutém okolo hlavních budov. Tento val (příp. berma) poskytuje vnitřním zařízením další ochranu před vnějšími vlivy – například před tsunami cunami nebo před pádem letadla.

Schéma elektrárny – jaderný, turbinový a chladicí ostrov s okolními podpůrnými budovami. (Zdroj: Rolls-Royce.)
Rozvržení jaderné elektrárny Rolls-Royce. (Zdroj: Rolls-Royce)

 

Primární okruh

Jak již bylo řečeno, kolem tlakové nádoby reaktoru jsou umístěny 3 vertikální U-trubkové parogenerátory. Kompenzátor objemu je napojen na horkou smyčku. Kvůli snadnější výměně paliva jsou parogenerátory kolem tlakové nádoby rozmístěny asymetricky.

Odvod tepla z aktivní zóny zajišťuje nucené proudění pomocí tří cirkulačních čerpadel. Nicméně díky umístění parogenerátorů dostatečně nad tlakovou nádobou je možnost odvodu zbytkového tepla přirozeným prouděním. Tato čerpadla budou bezucpávková, což zamezí případným únikům primární vody. Konstrukce čerpadel zajišťuje průtok 3,95 m3/s.

Smyčky jsou nak tlakovéou nádobuě reaktoru napojeny nad aktivní zónou. Kromě těchto hrdel nejsou na v tlakové nádobě žádné další penetrace, což minimalizuje pravděpodobnost LOCA havárie. Vhodné uspořádání třísmyčkového systému také odstraňuje nutnost polárního jeřábu na reaktorovém sále.

Tlak v primárním okruhu (15,5 MPa) je udržován elektrickými ohříváky a rozstřikovací tryskou kompenzátoru objemu. Teplota chladicí vody na vstupu do aktivní zóny je 269 °C a ohřeje se na 327 °C. Ohřátí chladicí vody je tedy dvojnásobné než na v reaktorech VVER, kde se chladivo v AZ ohřívá o 30 °C.

Vodorovné řezy budovami. (Zdroj: Rolls-Royce)

Tlaková nádoba reaktoru se skládá z vlastního tělesa nádoby, víka a dále pak z uzavíracích mechanismů obsahujících šrouby, matice, kulová ložiska a mechanické ucpávky. Průměr tlakové nádoby bude maximálně 4,5 m, a to z důvodu umožnění její přepravy po britských silnicích (výškové omezení 4,9 m).

Aktivní zóna obsahuje 121 palivových článků o délce 2,8 m uspořádaných v mřížkách 17×17 proutků. Palivem je uran ve formě UO2 s obohacením 4,95 %. Přibližně jedna pětina proutků obsahuje vyhořívající absorbátor s 8 % Gd2O3. Pokrytí je zirkoniové.

Na rozdíl od jiných tlakovodních koncepcí zde není potřeba řízení reaktivity pomocí kyseliny borité za běžného provozu. To umožňuje zjednodušenou konstrukci a eliminuje rizika spojené s únikem kyseliny borité do životního prostředí. Řízení reaktivity zařizují řídicí tyče a záporný koeficient reaktivity (typický pro PWR).

Porovnání velkých reaktorů a Rolls-Royce SMR. (Zdroj: Rolls-Royce)

Bezpečnostní systémy

Jaderná bezpečnost je zaručována jak pasivními, tak aktivními bezpečnostními prvky. Několikastupňová ochrana do hloubky využívá principů redundance i diverzity. Mezi tyto bezpečnostní systémy patří systém pasivního odvodu tepla (PDHR – Passive Decay Heat Removal) a systém havarijního chlazení aktivní zóny (ECCS – Emergency Core Cooling Systém). Tyto systémy zahrnují pasivní, redundantní, diverzifikovanáí a separovaná opatření, která umožňují vícero způsobů havarijního odvodu tepla. Pro okamžité odstavení reaktoru slouží pád řídicích tyčí do aktivní zóny (tzv. scram) nebo nouzové vstřikování kyseliny borité. V případě přetlaku jsou k dispozici tři bezpečnostní ventily. Při případném poškození aktivní zóny zabrání úniku radioaktivních látek do ovzduší robustní kontejnment.

Pravděpodobnost poškození aktivní zóny reaktoru je pro tuto koncepci dle PSA menší než 10-7 případů za rok (tj. jednou za 10 milionů let). Klíčové komponenty před vnějšími vlivy chrání tzv. hazard shield (robustní konstrukce). Ten je odolný například proti tsunami cunami (to je dáno už kapkovitým tvarem elektrárny) nebo proti nárazu letadla.

Vizualizace jaderné elektrárny Rollls-Royce. (Zdroj: Rolls-Royce)

Kontrolní a řídicí systém

Systém kontroly a řízení bude využívat průmyslový programovatelný ovladač (PLC – Programmable Logic Controller) nebo distribuovaný kontrolní systém (DCS – Distributed Control System). Tento systém bude využívat analogové a neprogramovatelné digitální senzory a bude komunikovat na vícekanálových digitálních sítích. Je zde také možnost využití chytrých zařízení a bezdrátových technologií. Stejně bude pracovat i systém ochrany reaktoru (RPS – Reactor Protection System), který zaručí bezpečné odstavení v případě poruchy.

Zkušenosti po nehodě na jaderné elektrárně Three Mile Island ukázaly, že je potřeba jasné zobrazení stavu základních zařízení pro dlouhodobý monitoring po nehodě. Tento požadavek je splněn použitím systému pro řízení následků nehod a vážných havárií (Post-Accident and Severe Accident Management Systems).

Na blokové dozorně je rozhraní člověk-stroj řešeno displeji, alarmy a ručním ovládáním. Systém kontroly a řízení zahrnuje také monitorování stavu paliva a nebezpečných materiálů. Do budoucna se počítá s mnoha inovativními způsoby řešení řízení na základně nejaktuálnějších technologií, včetně těch tzv. chytrých.

Představa centrálního řízení několika UK SMR. (Zdroj: Rolls-Royce)

Bc. Karolína Osičková

 

Zdroje:

Small Modular Reactors – once in a lifetime opportunity for the UK, Rolls-Royce
UK SMR, Rolls-Royce
Rolls-Royce SMR, Alan Woods, Rolls-Royce
Rolls-Royce SMR – Basis of Design, Phil Mertens, Rolls-Royce

 

Tento článek byl napsán ve spolupráci se studenty oboru Jaderná energetická zařízení Fakulty strojní ČVUT v Praze.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.