Was sind Reaktorkühlmittelpumpen?
Reaktorkühlmittelpumpen werden in Kernkraftwerken eingesetzt. Der Zweck einer Reaktorkühlmittelpumpe (RCP) ist es, einen erzwungenen primären Kühlmittelfluss bereitzustellen, um die im Reaktorkern während des Spaltungsprozesses erzeugte Wärme (thermische Energie) abzuführen. Auch ohne eine Pumpe würde es aufgrund der Variation der Temperatur und folglich der Dichte des primären Kühlmittels einen natürlichen Umlauf durch den Reaktor geben. Dieser Fluss reicht jedoch nicht aus, um die erzeugte Wärme abzuführen, wenn der Reaktor in Betrieb ist. Der natürliche Umlauffluss ist ausreichend für die Wärmeabfuhr, wenn die Anlage abgeschaltet ist oder nur Zerfallswärme vorhanden ist.
RCPs werden von großen luftgekühlten Elektromotoren angetrieben, die für den Dauerbetrieb ausgelegt sind. Der Motor ist über eine Reihe von in Serie installierten Wellen (später in diesem Artikel besprochen) mit einem Mischstrom-Zentrifugal-Laufrad verbunden.
Gut zu wissen - eine 'Reaktorkühlmittelpumpe' wird manchmal auch als 'Reaktorkühlpumpe' bezeichnet, obwohl dies die falsche Definition ist.
Beispiel für erzwungene und natürliche Zirkulation (aus einem Wasserrohrkessel)
Das Kühlmittel (primäres Kühlmittel) tritt von der Austrittsseite des Dampferzeugers in die Saugseite der Pumpe ein. Das Wasser wird durch das Laufrad der Pumpe in seiner Geschwindigkeit erhöht. Diese Geschwindigkeitszunahme wird dann im Austrittsvolute in Druck umgewandelt. Ein typisches Druckwasserreaktor (PWR)-Kraftwerk arbeitet mit dem primären Kühlkreislauf bei ca. 155 bar (2248 psi).
Nachdem das Kühlmittel die Austrittsseite der Pumpe verlassen hat, tritt es über das 'Kaltbein'-Rohr in den Einlass des Reaktordruckbehälters ein. Das primäre Kühlmittel fließt durch die Brennelemente des Reaktors, um Wärme zu sammeln; es wird dann über das 'Heißbein'-Rohr zurück zu den Dampferzeugern geleitet. Ein typisches Druckwasserreaktor (PWR) Kraftwerk arbeitet mit einer Kaltbein-Temperatur von ca. 290°C (554°F) und einer Heißbein-Temperatur von ca. 320°C (608°F).
Gut zu wissen - ein 'Kaltbein' ist ein Rohr, das eine RCP mit einem Reaktor verbindet. Ein 'Heißbein' verbindet einen Reaktor mit einem Dampferzeuger. Ein 'Transferbein' oder 'Transferrohr' verbindet einen Dampferzeuger mit einer RCP. Kalt- und Heißbeine sind aufgrund der Temperatur des primären Kühlmittels in jedem Bein benannt.
PWR-Kraftwerksteile
Design der Reaktorkühlmittelpumpe
RCP-Motoren sind vom Käfigläufer-Typ (Induktionsmotor) und arbeiten normalerweise bei ca. 6kV oder 13kV, abhängig von der Versorgungsspannung. Die Drehzahl (U/min) einer RCP wird durch die Versorgungsfrequenz des Motors bestimmt, die je nach geografischem Standort 50Hz oder 60Hz beträgt. Eine typische RCP kann mit ca. 1.200 - 1.500 U/min rotieren und über 100 Tonnen wiegen.
Eine typische Druckwasserreaktor-RCP arbeitet bei einem Druck von ca. 155 bar (2248 psi) und in einem Temperaturbereich von 290°C-320°C (554°F-608°F), aber diese Faktoren werden letztendlich durch das Reaktorkühlsystem bestimmt.
Die Pferdestärken-Bewertung eines RCP-Motors liegt typischerweise zwischen 6.000 und 10.000 PS (4,5 MW bis 7,5 MW). Die große Menge an Leistung wird benötigt, um den notwendigen Kühlmittelfluss für die Wärmeabfuhr bereitzustellen; RCPs können Durchflussraten von 25.000 m3/h (11.000 Gallonen pro Minute) erreichen.
Was sind die Hauptteile einer Reaktorkühlmittelpumpe?
saVRee's interaktives 3D-Modell stellt eine Mischstrom-, Einstufig-, Einzelansaug-, Zentrifugalpumpe dar. Die Hauptteile einer RCP sind unten aufgeführt.
Teile der Reaktorkühlmittelpumpe
Saugdüse
Primärkühlmittel wird durch diese Düse in die Pumpe gezogen; das Kühlmittel wird aus dem Transferbein in die Pumpe gezogen.
Primärkühlmittel wird durch diese Düse aus der Pumpe entlassen; das Kühlmittel wird in das Kaltbein entlassen.
Laufrad
Das Laufrad ist ein Mischstrom-Zentrifugallaufrad. Der Begriff ‘Mischstrom’ bezieht sich auf den axialen Fluss in den Boden des Laufrads und den radialen Fluss aus dem Laufrad heraus. Dieser Laufradtyp wird für mittlere bis hohe Durchflussraten und mittlere bis hohe Drücke verwendet; das Design ähnelt dem einer Francis-Turbine.
Welle
Die Welle überträgt die vom Elektromotor erzeugte Drehbewegung auf das Laufrad; sie wird mit Lagern in Ausrichtung gehalten. Aufgrund der Länge der Welle ist sie in mehrere Teile unterteilt, die Pumpenhalbkupplung, die Motorhalbkupplung und die Abstandskupplung; diese Teile werden zusammen umgangssprachlich als ‘die Pumpenwelle’ bezeichnet, obwohl dies technisch falsch ist, da die Welle aus mehr als einem Stück besteht.
Führungsbuchse
Radiale Lasten, die während des Betriebs von der Pumpe ausgeübt werden, werden auf Führungsbuchsen übertragen. Selbstausrichtende hydrostatische Lager werden verwendet, um die Welle vertikal auszurichten. Der Austrittsdruck des Zentrifugallaufrads wirkt auf eine Lagerzapfen-Ausgleichsplatte, die sicherstellt, dass die Lager- und Wellenausrichtung korrekt ist, wann immer die Pumpe in Betrieb ist.
Dichtungseinheit
Die Dichtungseinheit der Pumpe ist normalerweise der Bereich der Pumpe, der die meisten Wartungseingriffe erfordert, da sie eine dynamische Druckgrenze bildet. Es ist wichtig, dass eine zuverlässige Abdichtung zwischen der hydraulischen Seite der Pumpe und der Hauptantriebswelle aufrechterhalten wird. Wenn die Dichtungsintegrität beeinträchtigt ist, tritt ein Leck des primären Kühlmittels auf.
Die Wellenabdichtung erfolgt im oberen Teil des Pumpengehäuses mit einer abnehmbaren Dichtungskartusche, die drei mechanische Dichtungen enthält, die in Serie installiert sind. Die Federn der mechanischen Dichtung drücken die Titan-Karbid- und stationären Graphitflächen zusammen und stellen sicher, dass die Flächen ausgerichtet bleiben. Der torturöse Flussweg von der unteren Dichtung zur oberen Dichtung sorgt dafür, dass nur wenig Leckage durch die Wellenabdichtungseinheit erfolgt. Um sicherzustellen, dass Teile der mechanischen Dichtung nicht aufgrund hoher Temperaturen ausfallen, wird eine Dichtungskühlung bereitgestellt. Unterhalb der Dichtungseinheit ist ein Hilfslaufrad am Hauptlaufrad befestigt. Der Dichtungswasserfluss durch den Dichtungskühler wird durch das Hilfslaufrad bereitgestellt.
Gut zu wissen - Wellenabdichtungen haben mehrere verschiedene Designs und das oben beschriebene ist nur eine solche Art.
Diffusor
Nachdem die Flüssigkeit aus dem Laufrad entlassen wurde, fließt sie durch einen Diffusor. Die Form des Diffusors bewirkt, dass die Geschwindigkeit der Flüssigkeit abnimmt und der Druck zunimmt (Bernoulli-Prinzip); ein Volutengehäuse erfüllt die gleiche Funktion.
Elektromotor
Ein Elektromotor wird verwendet, um das Laufrad zu drehen. RCP-Motoren sind Wechselstrom-Käfigläufer-Induktionsmotoren mit einer typischen Betriebsspannung von zwischen 6kV bis 13,8 kV (designabhängig).
Abstandskupplung
Die Abstandskupplung ist zwischen der Pumpenhalbkupplung und der Motorhalbkupplung installiert; sie kann entfernt werden, um dem Personal einen einfacheren Zugang zur Wellenabdichtung und thermischen Barriere zu ermöglichen.
Komponentenkühlwasser (CCW)
Der Komponentenkühlwasserkreislauf (CCW) wird einem integrierten Wärmetauscher und der Pumpenthermischen Barriere zugeführt. CCW entfernt Wärme aus dem Pumpeninneren, um Überhitzung zu verhindern. Sowohl der integrierte Wärmetauscher (gekühltes Primärkreislaufwasser / CCW) als auch der CCW-Kühler (CCW / externer Kühlwasserkreislauf) verwenden Rohrbündelwärmetauscher.
Metallische O-Ringe
O-Ringe und mechanische Dichtungen sind an verschiedenen Stellen innerhalb der Pumpe installiert, um ungewollte Fließwege zu verschließen. Zwei O-Ringe sind zwischen dem Pumpengehäuse und dem Gehäusedeckel installiert. Wenn der innere O-Ring ausfällt, fließt heißes Kühlwasser über einen Abflussweg zu einem Eindämmungssumpf. In den Abflussweg installierte Temperatursensoren warnen das Personal vor jeglichem Kühlmittelleckagefluss.
Schwungrad
Ein Schwungrad ist ein schweres, scheibenförmiges Metallstück, das Vibrationen glättet. Es tut dies, indem es Rotationsenergie speichert und diese Energie dann verwendet, um Änderungen der Drehzahl der Maschine zu widerstehen. Die gespeicherte Energiemenge im Schwungrad ist die Quadratwurzel seiner Drehzahl. Ein RCP-Schwungrad sorgt auch dafür, dass die Pumpe weiter rotiert, selbst wenn der Reaktor abgeschaltet wird, und somit eine ausreichende Reaktorkühlung auch dann gewährleistet ist, wenn keine elektrische Energie verfügbar ist.
Externer Wärmetauscher
Ein externer Rohrbündelwärmetauscher überträgt Wärme vom Komponentenkühlwasserkreislauf (CCW) zu einem Wärmesenke, z.B. einem Kühlturm.
Motorhalbkupplung
Der Boden der Motorhalbkupplung verbindet sich mit der Abstandskupplung. Die Drehbewegung von der Motorhalbkupplung wird auf die Abstandskupplung übertragen.
Pumpenhalbkupplung
Der obere Teil der Pumpenhalbkupplung verbindet sich mit der Abstandskupplung. Die Drehbewegung von der Abstandskupplung wird auf die Pumpenhalbkupplung übertragen.
Oberes Radiallager und Axiallager
Das obere Radiallager und das Axiallager befinden sich in der Nähe des oberen Teils des Elektromotors. Radiallager bewältigen radiale Lasten (Lasten, die senkrecht zur Pumpenwelle wirken), während Axiallager axiale Lasten (Lasten, die parallel zur Pumpenwelle wirken) bewältigen.
Luftkühler
Luft wird in einem Luftkühler gekühlt, bevor sie in den Raum zwischen dem Pumpendeckel und dem Motorgehäuse geliefert wird; Kühlende Luft entfernt Abwärme.
Luftkanal
Kühlende Luft wird über Luftkanäle übertragen.
Unteres Radiallager
Das untere Radiallager bewältigt Lasten, die senkrecht zur Motorwelle wirken.
Hilfslaufrad
Das Hilfslaufrad erfüllt zwei Hauptzwecke: Es liefert Druck an das selbstausrichtende Gleitlager und sorgt für einen kleinen Durchfluss zu den Pumpendichtungen; der Durchfluss zu den Pumpendichtungen wird durch die thermische Barriere gezogen.
Steigrohr
Um eine Möglichkeit zur Bestimmung von Dichtungsleckagen bereitzustellen, wird ein Dichtungssammelsystem verwendet. Leckagen hinter der dritten mechanischen Dichtung werden in einem Steigrohr gesammelt, das die Pumpenwelle umgibt. Leckagen in das Steigrohr werden ständig überwacht.
Restriktionsbuchse
Die Restriktionsbuchse bietet eine Einschränkung zwischen der vom Laufrad gepumpten Flüssigkeit und dem Bereich der mechanischen Dichtung, sodass der Durchfluss reduziert oder kontrolliert wird.
Zusätzliche Ressourcen
https://www.nuclear-power.net/reactor-coolant-pump
https://www.ksb.com/centrifugal-pump-lexicon/reactor-pump/191846