Inleiding
Een deel van de elektriciteit die aan huizen en bedrijven wordt geleverd, wordt opgewekt door stoomaangedreven turbinegeneratoren bij Kookwaterreactor (BWR) energiecentrales. De stoom om de turbinegeneratoren aan te drijven wordt geproduceerd in een kernreactorkern.
Kookwaterreactor (BWR) Onderdelen
De reactorkern bestaat uit uraniumoxidepellets die zijn verzameld in buizen genaamd brandstofstaven, die zijn gerangschikt in een array genaamd een brandstofbundel. Wanneer de brandstofbundel is omgeven door een stijve mantel met andere componenten, wordt het een brandstofassemblage genoemd. Vier brandstofassemblages zijn gerangschikt in een vierkant patroon genaamd een controlecel in een typisch BWR-kernontwerp. De controlecel is verticaal georiënteerd binnen de kernmantel. Een neutronenabsorberende regelstaaf op de kruising van de vier brandstofassemblages in de controlecel wordt gebruikt om de nucleaire reactie van de vier brandstofassemblages te beheersen. De regelstaaf beweegt verticaal binnen de controlecel. Meerdere controlecellen zijn gerangschikt binnen een metalen mantel die de reactorkern vormt die de stoom voor de turbinegeneratoren produceert.
Kookwaterreactor Brandstofassemblage
Onderdelen/Componenten
Brandstofpellet
De brandstofpellet bestaat uit verschillende verhoudingen van Uranium-238, Uranium-235, Gadolinium-155 en Gadolinium-157 in oxidevorm. De brandstofpellets zijn doorgaans ongeveer 1,27 cm lang en 1,14 cm in diameter. De brandstofpellets hebben afgeschuinde randen om de interactie tussen de pellet en de brandstofstaaf tijdens de uitzetting van de pellet te beperken. Uranium-238 en Uranium-235 leveren de brandstof voor de kernsplijtingsreactie. Uranium-235 ondergaat direct splijting, terwijl Uranium-238 een nucleaire transformatie ondergaat naar Plutonium-239, dat direct splijting ondergaat. Gadolinium-155 en Gadolinium-157 fungeren als een tijdelijke neutronenabsorber, waardoor de toevoeging van het uranium dat nodig is om de reactor 12-24 maanden te laten werken, mogelijk wordt. Zonder de toevoeging van Gadolinium zouden extra regelstaven moeten worden toegevoegd om een veilige werking en uitschakelcapaciteit van de reactor te garanderen.
Brandstofpellets
Brandstofstaven
Standaard Brandstofstaaf
De standaard brandstofstaaf bestaat uit een holle buis van ongeveer 1,27 cm in diameter en 406 cm in lengte. De brandstofstaaf is gemaakt van Zircaloy-2 vanwege zijn materiaaleigenschappen en superieure warmteoverdrachtseigenschappen vergeleken met andere zirkoniumlegeringen. Elke brandstofstaaf heeft boven- en onderpluggen van Zircaloy-2 die aan de uiteinden van de brandstofstaaf zijn gelast. De boven- en onderpluggen voor acht (8) brandstofstaven zijn voorzien van schroefdraad. Elke brandstofstaaf is gevuld met helium bij 44 psig (300 KPa) om de warmteoverdracht van de brandstofpellet naar de bekleding te verbeteren. Een standaard brandstofstaaf is ontworpen om een interne druk van 1800 psia (1,24e4 KPa) te weerstaan en te werken met externe drukken tussen 1000 (68.e3 KPa) en 1100 psig (75.8e3 KPa).
Staafposities
Deels Lengte Brandstofstaaf
Deels Lengte Brandstofstaven zijn brandstofstaven die slechts ongeveer 40% van de lengte van een Standaard Brandstofstaaf vanaf de onderkant van de kern uitstrekken. De Deels Brandstofstaaf maakt het mogelijk dat Plutonium-239 wordt geproduceerd in de brandstofstaven naast het met stoom gevulde gebied boven de top van de Deels Brandstofstaaf. Plutonium-239 draagt bij aan de warmteproductie van de reactorkern en wordt gecreëerd door neutronenabsorptie in Uranium-238.
Waterstaaf
Waterstaven worden in het midden van de bundel geplaatst om de stroomproductie in het midden van de brandstofbundel te verhogen. Deze opstelling zorgt voor een gelijkmatigere brandstofverbranding over de brandstofbundel en een grotere marge tot de thermische limieten van de brandstof. De buitendiameter van de waterstaaf is groter dan die van de Standaard Brandstofstaaf. Afhankelijk van het brandstofontwerp kan een brandstofbundel nul tot drie waterstaven bevatten.
Onderdelen van de Brandstofbundel
a. Bovenste Bindplaat en Beugelhandvat
De bovenste bindplaat fixeert het bovenste uiteinde van de brandstofstaven in de juiste positie, ondersteunt het kanaal en biedt een handvat waarmee de bundel kan worden opgetild en verplaatst. Brandstofstaven met schroefdraadpluggen zijn aan de Bovenste Bindplaat bevestigd om de brandstofbundel op zijn plaats te vergrendelen.
Gelabelde Onderdelen van de Brandstofassemblage
b. Onderste Bindplaat en Neusstuk
De onderste bindplaat fixeert de positie van het onderste uiteinde van de brandstofstaven en ondersteunt het gewicht van de bundel. Het onderste uiteinde centreert de bundel in de kernbrandstofondersteuning (d.w.z. zorgt ervoor dat de bundel correct in de kern zit) en biedt de ingang voor de koelmiddelstroom in de bundel. Het neusstuk van de onderste bindplaat past precies in het brandstofondersteuningsstuk en leidt de koelmiddelstroom omhoog door de brandstofassemblage. Brandstofstaven met schroefdraadpluggen zijn aan de Onderste Bindplaat bevestigd om de brandstofbundel op zijn plaats te vergrendelen
c. Brandstofspacers
De functie van de spacer is om de brandstofstaven op de juiste locatie te houden. De spacers bieden de laterale ondersteuning die nodig is om trillingen van de brandstofstaaf en slijtage door wrijving als gevolg van trillingen te onderdrukken.
d. Vingerveren
Vingerveren zijn aan het onderste uiteinde van de brandstofbundel opgenomen om positief contact te bieden tussen de onderste bindplaat en het brandstofkanaal. Deze opstelling minimaliseert elke verandering in kanaalstroom gedurende de levensduur van de brandstofassemblage.
Brandstofkanaal
Een brandstofkanaal heeft verschillende doeleinden:
- Stroomverdeling.
- Draagvlak voor de rollen van het regelstaafblad.
- Verbeterde stijfheid van de brandstofbundel.
- Bescherming van de brandstofstaaf tijdens brandstofverwerking.
- Fungeert als een thermische massa-warmtebuffer tijdens omstandigheden van verlies van koelmiddelongeval (LOCA).
Het brandstofkanaal omsluit de brandstofbundel. Het brandstofkanaal biedt een barrière om twee parallelle stroompaden te scheiden. Ongeveer 90% van het koelmiddel stroomt binnen het brandstofkanaal om warmte van de brandstofstaven te verwijderen. Ongeveer 10% van de koelmiddelstroom wordt naar het gebied tussen brandstofassemblages geleid. De bypass-stroom is vereist om de regelstaven en nucleaire instrumentatie te koelen.
BWR Brandstofkanaal
Regelstaven
Regelstaven zijn ontworpen voor voldoende snelle invoeging van de regelstaaf om brandstofschade door een abnormale bedrijfsstoring te voorkomen. De positie van de regelstaaf van volledig ingevoegd tot volledig teruggetrokken draagt bij aan de hoeveelheid geproduceerde stroom in de aangrenzende brandstofassemblages. Wanneer de regelstaaf volledig is ingevoegd, kunnen de aangrenzende brandstofassemblages geen splijtingskettingreactie in stand houden. Een typische regelstaaf bestaat uit een kruisvormige array van roestvrijstalen buizen gevuld met de poedervorm van boorcarbide (B4C) vergif.
PWR Brandstofstaven en Regelstaaf
Hoe Brandstofassemblages Werken
Water dat de brandstofassemblage binnenkomt via het neusstuk in de onderste bindplaat botst met hoogenergetische splijtingsneutronen en absorbeert de warmte die door splijting wordt geproduceerd. Terwijl het water in de brandstofbundel stijgt, vinden opeenvolgende botsingen plaats en naarmate meer warmte van splijting wordt geabsorbeerd, stijgt de temperatuur van het water tot het kookpunt. Aan de bovenkant van de brandstofbundel verlaat het water de bovenste bindplaat en het kanaal als stoom en wordt het uit de reactorkern geleid. Water wordt constant naar de brandstofassemblage gepompt om het water dat de brandstofbundel als stoom verlaat, aan te vullen. Bijna elk splijtingsneutron ondergaat meerdere botsingen met het koelmiddel, waardoor het energieniveau van het neutron daalt tot het punt waarop het neutron kan worden geabsorbeerd door Uranium-235 of Plutonium-239. Sommige hoogenergetische neutronen lekken uit de reactorkern en sommige neutronen worden geabsorbeerd in kernmaterialen anders dan brandstof. Een percentage van de neutronen die in de brandstof worden geabsorbeerd, ondergaat kernsplijting en er worden ongeveer 2,5 hoogenergetische neutronen geboren. De hoogenergetische neutronen van splijting botsen met het water en het proces herhaalt zich.
Ontwerpvariaties van Brandstofassemblages
GE-2 - 7x7 brandstofbundel.
GE-3 - Verbeterde 7x7 brandstofbundel met 49 brandstofstaven, waarvan er één is gesegmenteerd.
GE-4 - 8x8 brandstofbundel met 63 brandstofstaven en 1 waterstaaf.
GE-5 - Retrofit 8x8 brandstofbundel voorgeperst met helium en met barrièrebrandstofbundels met 62 brandstofstaven en twee waterstaven.
GE-6 & 7 - voorgeperst op 3 standaardatmosferen (300 KPa) met helium met barrièrebrandstof
GE-8 - 8x8 array met 58 tot 62 brandstofstaven en 2-6 waterstaven. Voorgeperst op 5 standaardatmosferen (510 KPa) met helium.
GE-10 - 8x8 array van 60 volledige lengte brandstofstaven en één grote centrale waterstaaf.
GE-11 & 13 - 9x9 array van 66 volledige lengte brandstofstaven, 8 staven van gedeeltelijke lengte en twee grote centrale waterstaven.
GE-12 & 14 - 10x10 array van 78 volledige lengte brandstofstaven, 14 staven van gedeeltelijke lengte en twee grote centrale waterstaven.
GNF-2 - 10X10 brandstofbundel met twee waterstaven en gedeeltelijke brandstofstaven van twee lengtes; ongeveer 40% en 70% van de standaard brandstofstaaf.
GNF-3 - 10X10 brandstofbundel met een enkele grote centrale waterstaaf en gedeeltelijke brandstofstaven van twee lengtes; ongeveer 40% en 70% van de standaard brandstofstaaf.
Triton11 - 11X11 brandstofbundel met drie waterstaven en gedeeltelijke brandstofstaven van twee lengtes; ongeveer 33% en 67% van de standaard brandstofstaaf.
Brandstofstaven - In sommige ontwerpen is de binnenkant van de brandstofstaaf gecoat met puur zirkonium om de kracht van uitzettende brandstofpellets te absorberen. Sommige brandstofstaven zijn gemaakt van Zircalloy-4 of geavanceerde zirkoniumlegeringen.
Regelstaven - Sommige ontwerpen gebruiken hafnium of zilver-indium-cadmium legeringen
Kookwaterreactor (BWR) Voordelen
- Het reactordrukvat en de bijbehorende componenten werken bij een aanzienlijk lagere druk van ongeveer 1.000–1.100 psi (6.9e3 – 7.5e3 Kpa) vergeleken met ongeveer 2.250 psi (15e3 KPa) in een Drukwaterreactor (PWR).
- Het drukvat wordt aanzienlijk minder bestraald in vergelijking met een PWR en wordt daardoor niet zo bros met de leeftijd.
- Werkt bij een lagere nucleaire brandstoftemperatuur, grotendeels vanwege warmteoverdracht door de latente warmte van verdamping, in tegenstelling tot voelbare warmte in PWR's.
- Lager risico (waarschijnlijkheid) van een breuk die verlies van koelmiddel veroorzaakt in vergelijking met een PWR, en lager risico op kernschade mocht een dergelijke breuk optreden. Dit komt door minder leidingen, minder leidingen met grote diameter, minder lassen en geen stoomgeneratortubes.
- BWR's hebben doorgaans N-2 redundantie op hun belangrijkste veiligheidssystemen, die normaal gesproken bestaan uit vier "treinen" van componenten. Dit betekent dat tot twee van de vier componenten van een veiligheidssysteem kunnen falen en het systeem nog steeds zal functioneren als het wordt opgeroepen.
Kookwaterreactor (BWR) Nadelen
- BWR's vereisen complexere berekeningen voor het beheren van het verbruik van nucleaire brandstof tijdens de werking vanwege "tweefase (water en stoom) vloeistofstroom" in het bovenste deel van de kern. Dit vereist ook meer instrumentatie in de reactorkern.
- Groter reactordrukvat dan voor een PWR van vergelijkbare kracht, met overeenkomstig hogere kosten, voor oudere modellen die nog steeds een hoofdstoomgenerator en bijbehorende leidingen gebruiken.
- Contaminatie van de turbine door kortlevende activeringsproducten. Dit betekent dat afscherming en toegangscontrole rond de stoomturbine vereist zijn tijdens normale operaties vanwege de stralingsniveaus die voortkomen uit de stoom die direct uit de reactorkern komt. Dit is een matig klein probleem, aangezien het grootste deel van de stralingsflux te wijten is aan Stikstof-16 (activering van zuurstof in het water), dat een halfwaardetijd heeft van 7,1 seconden, waardoor de turbinekamer binnen enkele minuten na uitschakeling kan worden betreden. Uitgebreide ervaring toont aan dat onderhoud aan de turbine, condensaat en voedingswatercomponenten van een BWR in wezen kan worden uitgevoerd als een fossiele brandstofcentrale.
- Er zijn zorgen geuit over het drukbeperkingsvermogen van de als gebouwd, ongewijzigde Mark I-behuizing – dat deze mogelijk onvoldoende is om de druk te bevatten die wordt gegenereerd door een beperkende fout gecombineerd met volledige uitval van het Noodkernkoelsysteem (ECCS) die resulteert in extreem ernstige kernschade. In dit dubbele faalscenario, dat als uiterst onwaarschijnlijk werd beschouwd voorafgaand aan de Fukushima I nucleaire ongevallen, kan een ongewijzigde Mark I-behuizing enige mate van radioactieve afgifte toestaan. Dit moet worden verminderd door de wijziging van de Mark I-behuizing; namelijk de toevoeging van een uitlaatstapelsysteem dat, als de druk in de behuizing kritieke setpoints overschrijdt, geacht wordt de ordelijke afvoer van drukverhogende gassen mogelijk te maken nadat de gassen door geactiveerde koolstoffilters zijn gegaan die zijn ontworpen om radionucliden op te vangen.