Cosa sono le pompe del refrigerante del reattore?
Le pompe del refrigerante del reattore sono installate all'interno delle centrali nucleari. Lo scopo di una pompa del refrigerante del reattore (RCP) è fornire un flusso forzato di refrigerante primario per rimuovere il calore (energia termica) generato dal nucleo del reattore durante il processo di fissione. Anche senza una pompa, ci sarebbe un flusso di circolazione naturale attraverso il reattore a causa della variazione di temperatura, e conseguentemente di densità, del refrigerante primario. Tuttavia, questo flusso non è sufficiente per rimuovere il calore generato quando il reattore è in funzione. Il flusso di circolazione naturale è sufficiente per la rimozione del calore quando l'impianto è spento, o, quando è presente solo calore residuo.
Le RCP sono azionate da grandi motori elettrici raffreddati ad aria progettati per funzionamento continuo. Il motore è collegato a una girante centrifuga a flusso misto tramite una serie di alberi installati in serie (discusso più avanti in questo articolo).
Buono a sapersi - una 'pompa del refrigerante del reattore' è talvolta chiamata anche 'pompa di raffreddamento del reattore' anche se questa è una definizione errata.
Esempio di Circolazione Forzata e Naturale (da una caldaia a tubi d'acqua)
Il refrigerante del reattore (refrigerante primario) entra nel lato di aspirazione della pompa dall'uscita del generatore di vapore. L'acqua viene aumentata in velocità dalla girante della pompa. Questo aumento di velocità viene poi convertito in pressione nel voluta di scarico. Una tipica centrale nucleare a reattore ad acqua pressurizzata (PWR) opererà con il circuito del refrigerante primario a circa 155 bar (2248 psi).
Dopo che il refrigerante lascia il lato di scarico della pompa, entrerà nell'ingresso del vessel del reattore tramite il tubo 'gamba fredda'. Il refrigerante primario fluirà attraverso gli assemblaggi di combustibile del reattore per raccogliere calore; viene quindi inviato di nuovo ai generatori di vapore tramite il tubo 'gamba calda'. Una centrale nucleare a reattore ad acqua pressurizzata (PWR) tipica opererà con una temperatura della gamba fredda di circa 290°C (554°F) e una temperatura della gamba calda di circa 320°C (608°F).
Buono a sapersi - una 'gamba fredda' è un tubo che collega una RCP a un reattore. Una 'gamba calda' collega un reattore a un generatore di vapore. Una 'gamba di trasferimento', o 'tubo di trasferimento', collega un generatore di vapore a una RCP. Le gambe fredde e calde sono denominate in base alla temperatura del refrigerante primario all'interno di ciascuna gamba.
Parti della Centrale Nucleare PWR
Progettazione della Pompa del Refrigerante del Reattore
I motori delle RCP sono del tipo a gabbia di scoiattolo (motore a induzione) e di solito operano a circa 6kV o 13kV, a seconda della tensione di alimentazione. La velocità di rotazione di una RCP (rpm) è dettata dalla frequenza di alimentazione del motore, che è di 50Hz o 60Hz a seconda della posizione geografica. Una RCP tipica può ruotare a circa 1.200 - 1.500 rpm e pesare oltre 100 tonnellate.
Una RCP tipica di un reattore ad acqua pressurizzata opererà a una pressione di circa 155 bar (2248 psi) e a un intervallo di temperatura compreso tra 290°C-320°C (554°F-608°F), ma questi fattori sono infine dettati dal sistema del refrigerante del reattore.
La potenza nominale di un motore RCP sarà tipicamente da 6.000 a 10.000 bhp (4,5 MW a 7,5 MW). La grande quantità di potenza è necessaria per fornire il flusso di refrigerante necessario per la rimozione del calore; le RCP possono raggiungere portate di 25.000 m3/hr (11.000 galloni al minuto).
Quali sono le principali parti di una pompa del refrigerante del reattore?
Il modello 3D interattivo di saVRee rappresenta una pompa centrifuga a flusso misto, monostadio, aspirazione singola. Le principali parti di una RCP sono indicate di seguito.
Parti della Pompa del Refrigerante del Reattore
Bocchetta di Aspirazione
Il refrigerante primario viene aspirato nella pompa attraverso questa bocchetta; il refrigerante viene aspirato nella pompa dalla gamba di trasferimento.
Il refrigerante primario viene scaricato dalla pompa attraverso questa bocchetta; il refrigerante viene scaricato nella gamba fredda.
Girante
La girante è una girante centrifuga a flusso misto. Il termine ‘flusso misto’ si riferisce al flusso assiale nella base della girante e al flusso radiale verso l'esterno dalla girante. Questo tipo di girante è utilizzato per portate medie-alte e pressioni medie-alte; il design è simile a quello di una turbina Francis.
Albero
L'albero trasferisce il moto rotatorio creato dal motore elettrico alla girante; è mantenuto in allineamento utilizzando cuscinetti. A causa della lunghezza dell'albero, è diviso in diverse parti, il giunto metà pompa, il giunto metà motore e il giunto distanziatore; queste parti insieme sono colloquialmente chiamate ‘l'albero della pompa’, anche se tecnicamente è errato poiché l'albero è composto da più di un pezzo.
Cuscinetto Guida
I carichi radiali esercitati dalla pompa durante il funzionamento sono trasferiti ai cuscinetti guida. I cuscinetti idrostatici autoallineanti sono utilizzati per mantenere l'albero verticalmente allineato. La pressione di scarico dalla girante centrifuga agisce su una piastra di bilanciamento del cuscinetto, che garantisce che l'allineamento del cuscinetto -e dell'albero- sia corretto ogni volta che la pompa è in funzione.
Gruppo di Tenuta
Il gruppo di tenuta della pompa è solitamente l'area della pompa che richiede più interventi di manutenzione perché forma un confine di pressione dinamico. È essenziale che venga mantenuta una tenuta affidabile tra il lato idraulico della pompa e l'albero principale. Se l'integrità della tenuta è compromessa, si verificherà una perdita di refrigerante primario.
La tenuta dell'albero è realizzata nella parte superiore della carcassa della pompa utilizzando una cartuccia di tenuta rimovibile che contiene tre tenute meccaniche installate in serie. Le molle delle tenute meccaniche premono le facce di carburo di titanio e grafite stazionaria insieme e assicurano che le facce rimangano allineate. Il percorso di flusso tortuoso dalla tenuta inferiore a quella superiore garantisce poche perdite attraverso il gruppo di tenuta dell'albero. Per garantire che le parti della tenuta meccanica non falliscano a causa delle alte temperature, viene fornito un raffreddamento della tenuta. Sotto il gruppo di tenuta, una girante ausiliaria è fissata alla girante principale. Il flusso d'acqua della tenuta attraverso il raffreddatore della tenuta è fornito dalla girante ausiliaria.
Buono a sapersi - le tenute dell'albero hanno diversi design e quello descritto sopra è solo uno di questi.
Diffusore
Dopo che il liquido viene scaricato dalla girante, scorre attraverso un diffusore. La forma del diffusore causa la diminuzione della velocità del liquido e l'aumento della sua pressione (principio di Bernoulli); una cassa a voluta svolge la stessa funzione.
Motore Elettrico
Un motore elettrico è utilizzato per ruotare la girante. I motori delle RCP sono motori a induzione a gabbia di scoiattolo a corrente alternata con una tensione operativa tipica compresa tra 6kV e 13,8 kV (a seconda del design).
Giunto Distanziatore
Il giunto distanziatore è installato tra il giunto metà pompa e il giunto metà motore; può essere rimosso per dare al personale un accesso più facile alla tenuta dell'albero e alla barriera termica.
Acqua di Raffreddamento dei Componenti (CCW)
Il circuito di acqua di raffreddamento dei componenti (CCW) è alimentato a uno scambiatore di calore integrale e alla barriera termica della pompa. Il CCW rimuove il calore dagli interni della pompa per prevenire il surriscaldamento. Sia lo scambiatore di calore integrale (acqua del circuito primario raffreddata / CCW), sia il raffreddatore CCW (CCW / circuito di raffreddamento esterno), utilizzano scambiatori di calore a fascio tubiero.
O-Ring Metallici
O-ring e tenute meccaniche sono installati in vari punti all'interno della pompa per sigillare/chiudere percorsi di flusso non intenzionali. Due O-ring sono installati tra la carcassa della pompa e il coperchio della carcassa. Se l'O-ring interno fallisce, l'acqua di raffreddamento calda fluirà tramite un percorso di drenaggio a un sump di contenimento. I sensori di temperatura installati nel percorso di drenaggio avvisano il personale di eventuali perdite di refrigerante.
Volano
Un volano è un pezzo di metallo pesante a forma di disco, che smorza le vibrazioni. Lo fa immagazzinando energia rotazionale e poi utilizzando questa energia per resistere ai cambiamenti nella velocità di rotazione della macchina. La quantità di energia immagazzinata nel volano è la radice quadrata della sua velocità di rotazione. Un volano RCP garantisce anche che la pompa continui a ruotare anche se il reattore viene disattivato, fornendo così un adeguato raffreddamento del reattore anche quando non è disponibile energia elettrica.
Scambiatore di Calore Esterno
Uno scambiatore di calore a fascio tubiero esterno trasferisce calore dal circuito di acqua di raffreddamento dei componenti (CCW) a un serbatoio di calore es. torre di raffreddamento.
Giunto Metà Motore
La parte inferiore del giunto metà motore si collega al giunto distanziatore. Il moto rotatorio dal giunto metà motore è trasferito al giunto distanziatore.
Giunto Metà Pompa
La parte superiore del giunto metà pompa si collega al giunto distanziatore. Il moto rotatorio dal giunto distanziatore è trasferito al giunto metà pompa.
Cuscinetto Radiale Superiore e Cuscinetto di Spinta
Il cuscinetto radiale superiore e il cuscinetto di spinta sono situati vicino alla parte superiore del motore elettrico. I cuscinetti radiali gestiscono i carichi radiali (carichi che agiscono perpendicolarmente all'albero della pompa), mentre i cuscinetti di spinta gestiscono i carichi assiali (carichi che agiscono parallelamente all'albero della pompa).
Raffreddatore d'Aria
L'aria è raffreddata in un raffreddatore d'aria prima di essere fornita allo spazio tra il coperchio della pompa e l'alloggiamento del motore; l'aria di raffreddamento rimuove il calore di scarto.
Condotto d'Aria
L'aria di raffreddamento è trasferita tramite condotti d'aria.
Cuscinetto Radiale Inferiore
Il cuscinetto radiale inferiore si occupa dei carichi perpendicolari all'albero del motore.
Girante Ausiliaria
La girante ausiliaria ha due scopi principali: Fornisce pressione al cuscinetto a rulli autoallineante e fornisce una piccola quantità di flusso alle tenute della pompa; il flusso alle tenute della pompa è aspirato attraverso la barriera termica.
Tubo di Standpipe
Per fornire un mezzo per determinare perdite di tenuta, viene utilizzato un sistema di raccolta delle tenute. Le perdite oltre la terza tenuta meccanica sono raccolte in un tubo di standpipe che circonda l'albero della pompa. Le perdite nel tubo di standpipe sono costantemente monitorate.
Boccola di Restrizione
La boccola di restrizione fornisce una restrizione tra il fluido pompato dalla girante e l'area della tenuta meccanica, in modo che il flusso sia ridotto o controllato.
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Risorse Aggiuntive
https://www.nuclear-power.net/reactor-coolant-pump
https://www.ksb.com/centrifugal-pump-lexicon/reactor-pump/191846