Il reattore ad acqua di Boiling (BWR) rappresenta in modo efficiente uno dei progetti più diffusi di reattori nella generazione di energia nucleare commerciale, in secondo luogo solo al Reattore ad acqua pressurizzata (PWR). In un BWR, l'acqua è autorizzata a bollire direttamente all'interno del nucleo del reattore, producendo vapore che viene diretto al generatore di turbine elettrizzante.

Il ciclo di turbina BWR: da vapore a rotazione

Vantaggi e sfide del ciclo diretto

La caratteristica distintiva del ciclo della turbina BWR è il suo accoppiamento diretto: il vapore che lascia il nucleo del reattore passa attraverso un assemblaggio dell'asciugatrice situato all'interno del recipiente di pressione del reattore per ridurre il contenuto di umidità a circa 0,1-0,2% prima di entrare nelle principali linee di vapore.

Qualità del vapore e separazione dell'umidità

I BWR operano a pressioni a vapore inferiori rispetto ai sistemi secondari PWR, in genere intorno ai 6,9-7,2 MPa (1000-1050 psi) all'uscita del reattore, il vapore che si espande attraverso la turbina ad alta pressione, il suo contenuto di umidità aumenta significativamente a causa della condensazione.

Turbine ad alta pressione e bassa pressione

Un tipico treno per turbine BWR è costituito da un cilindro ad alta pressione (HP) e da due o tre cilindri a bassa pressione (LP) disposti in tandem. La turbina HP riceve vapore direttamente dal reattore ed estrae circa il 30-40% dell'energia disponibile. Dopo aver attraversato il separatore di umidità, il vapore viene distribuito alle turbine LP, che operano con la maggior parte delle lame più lunghe e le aree di scarico anulare più grandi per massimizzare l'ultima estrazione termica LP.

Disposizione del separatore dell'umidità

In molti progetti BWR, il separatore di umidità è integrato direttamente nell'involucro della turbina o posto come un contenitore separato tra i cilindri HP e LP. Poiché il vapore BWR non ha una sorgente di riscaldamento separata (a differenza di PWR, che utilizzano il vapore dai generatori di vapore o da un sistema di riscaldamento separato), non c'è alcuna fase di riscaldamento.

Il principale condensatore e sistema di alimentazione

Operazione condensatore e vuoto

Dopo l'uscita delle turbine LP, il vapore di scarico entra nel condensatore principale, dove si condensa su migliaia di tubi raffreddati da un sistema di acqua circolante (da un fiume, lago, torre di raffreddamento o oceano).

Alimentazione e efficienza del ciclo

Il condensatore, che lascia il condensatore, viene pompato attraverso una serie di riscaldatori ad acqua di alimentazione a bassa pressione, che utilizzano vapore di estrazione dalle turbine HP e LP per preriscaldare l'acqua prima di tornare al reattore. Questo riscaldamento ad acqua di alimentazione rigenerativa aumenta la temperatura media a cui si aggiunge il calore nel reattore, migliorando così l'efficienza totale dei sette cicli di Rankine.

Pompe condensate e acqua di alimentazione

Le pompe a condensazione multiple aumentano la pressione della condensa dal pozzo condensatore attraverso i riscaldatori a bassa pressione. Dopo aver attraversato le pompe ad acqua di alimentazione (spesso guidate da turbine a vapore o motori elettrici), l'acqua di alimentazione viene consegnata al recipiente del reattore attraverso gli anelli di sparger dell'acqua di alimentazione. Il controllo preciso del flusso di acqua di alimentazione è essenziale per mantenere il livello dell'acqua del reattore, che influisce il raffreddamento del nucleo e la produzione di vapore.

Generatore e conversione elettrica di potenza

Generatore di costruzione e raffreddamento

La turbina fa funzionare un generatore sincrono che converte l'energia meccanica rotazionale in uscita elettrica in una tensione tipicamente tra i generatori di corrente 18 e 24 kV. I generatori di BWR sono macchine grandi, classificate a 1000-1400 MVA per unità moderne, e richiedono sistemi di raffreddamento completi. Il raffreddamento a flusso idrogeno è comune per i conduttori di rotore e statore a causa della sua elevata capacità di trasferimento di calore e delle perdite di ventola bassa; l'ività è circolante è circolataia.

Trasformatore e connessione a rete

L'uscita del generatore è aumentata dal trasformatore di potenza principale alle tensioni di trasmissione (tipicamente 230 kV, 400 kV, o 500 kV) per il collegamento alla rete elettrica. Un condotto di autobus isolato-fase trasporta la corrente del generatore al trasformatore, proteggendo il personale dall'esposizione alle alte correnti e contenenti eventuali difetti di arco.

Sistemi di eccitazione

La corrente di campo del generatore è fornita da un sistema di eccitazione, che può essere un eccitatore rotante senza spazzola montato sullo stesso albero o un eccitatore a base di tiristor statico con anelli di scivolamento. La tensione di eccitazione è regolata per controllare l'uscita di potenza reattiva del generatore e mantenere la stabilità di tensione sulla griglia.

Controllo e Governazione delle turbine

Controllo velocità e carico

La velocità e l'uscita della turbina BWR sono regolate da un sistema di regolazione che regola la posizione delle valvole di controllo (chiamato anche valvole di regolazione o valvole di ammissione al vapore) situato a monte della turbina HP. Il governatore riceve segnali dall'uscita del generatore, dai sensori di frequenza e dai segnali di pressione/flusso del reattore.

Sistemi di trasmissione

Durante l'avvio del reattore, l'arresto o il rapido rifiuto del carico, il vapore in eccesso deve essere deviato dalla turbina per evitare sovrapressione e per permettere al reattore di continuare a raffreddare. Il sistema di bypass della turbina va direttamente al condensatore principale attraverso una serie di stazioni di riduzione della pressione e di desuperriscaldamento.

Coordinamento Reactor-Turbine

In un BWR, la potenza del reattore è influenzata sia dalla posizione della barra di controllo che dalla portata del nucleo di ricircolo. Il sistema di controllo della turbina interagisce con il sistema di controllo del reattore per mantenere una condizione equilibrata. Ad esempio, se le valvole della turbina si chiudono parzialmente, la pressione del reattore aumenta, che riduce i vuoti di vapore nel nucleo e aumenta la moderazione dei neutroni, causando un aumento temporaneo di potenza.

Sistemi di sicurezza per turbine e conversione di potenza

Protezione contro la velocità

Se la turbina perde improvvisamente il carico elettrico (ad esempio, a causa di un'apertura del rotore di rete), la turbina può accelerare rapidamente. La protezione ad alta velocità include bulloni di viaggio meccanici che operano a circa il 110-112% della velocità nominale, così come sistemi di rilevamento elettronico di velocità che avviano in modo indipendente la chiusura rapida delle principali valvole di arresto del vapore e valvole di controllo.

Fermata di emergenza e meccanismo di viaggio

Le condizioni di viaggio multiple sono monitorate dal sistema di protezione della turbina, tra cui le vibrazioni elevate, la bassa pressione dell'olio lubrificante, la temperatura del cuscinetto elevata, l'alta pressione del condensatore e l'espansione differenziale eccessiva. Quando viene rilevata una condizione di viaggio, le valvole di arresto del vapore e le valvole di controllo si chiudono rapidamente, e il rompiatore del generatore si apre.

Considerazioni di isolamento e contenimento

Poiché il ciclo della turbina in un BWR contiene vapore radioattivo, l'edificio della turbina è progettato come area di accesso controllata con schermatura e ventilazione adeguata. Le principali linee di vapore e di alimentazione che penetrano nell'edificio di contenimento sono dotate di valvole di isolamento che possono chiudere sui segnali di sicurezza per contenere qualsiasi rilascio di radioattività.

Miglioramenti di efficienza e prestazioni

Materiali e aerodinamica avanzati della lama

I continui miglioramenti nella progettazione della lama della turbina hanno notevolmente aumentato l'uscita e l'efficienza del BWR. L'uso di profili aerodinamici tridimensionali, ammortizzatori a parte, e scudi di erosione ha una durata prolungata della lama e perdite di percorso a vapore ridotte. Le turbine HP moderne incorporano disegni di vortice controllati e sigillano ottimizzati per ridurre la perdita della punta.

Controlli e ottimizzazione digitali

Gli algoritmi avanzati consentono il monitoraggio della temperatura del percorso di vapore, il calcolo dell'efficienza online e il primo avviso di fallimenti della lama o condizioni degradate. Il controllo della valvola digitale consente anche di "valve point operation" in cui la turbina viene eseguita con valvole posizionate in modo ottimale per ridurre al minimo le perdite di erogazione.

Aggiornamenti per Extended Power Uprates

Molti impianti BWR hanno implementato con successo un aumento di potenza (EPU) superiore al 20% della potenza originale, che richiede modifiche ai sistemi di conversione della turbina e della potenza: sostituzione dei rotori e dei diaframmi della turbina HP, potenziamenti della lama della turbina LP, separatori di umidità più grandi, maggiore capacità di raffreddamento del condensatore e aggiornamenti al generatore di eccitatore e trasformatore.

Aspetti ambientali e operativi

Esposizione di radiazione dal ciclo di vapore

Una particolare preoccupazione operativa per le turbine BWR è il trasporto di isotopi radioattivi di breve durata, in particolare azoto-16 (N-16), nella sala turbine. N-16 emette raggi gamma ad alta energia e deve essere considerato per gli schermi del personale e controlli di accesso. La schermatura della linea di vapore e le zone di accesso controllate sono standard. Durante la manutenzione sulla turbina o sui condensatori, il tempo di decadimento è consentito per N-16 di diminuire (perme di somministrazione dei prodotti di lunga durata di co-vita di co-vita di 7.1-vita di prodotti di colive.

Chimica dell'acqua e controllo della corrosione

Per ridurre al minimo l'accumulo di campi di radiazioni e la corrosione dei componenti, la chimica dell'acqua BWR è strettamente controllata. L'iniezione dell'idrogeno viene utilizzata per sopprimere i livelli di ossigeno nell'acqua del reattore, riducendo la rottura della corrosione della corrosione. Il sistema di alimentazione dell'acqua è costruito con l'acciaio inossidabile o la lega 600/690 per resistere alla corrosione.

Confronto con il ciclo di turbine PWR

Mentre i BWR e i PWR utilizzano turbine a vapore, le differenze di ciclo sono notevoli. I PWR producono vapore secco, leggermente superriscaldato in un circuito secondario, che può essere riscaldato tra le turbine HP e LP, dando loro un piccolo vantaggio di efficienza (33-35% vs. 32-34% per i BWR).

Conclusioni

I sistemi di conversione della turbina e dell'energia elettrica di un reattore ad acqua di Boiling sono collegamenti critici tra la fissione nucleare nel nucleo e la potenza elettrica consegnata alla rete. Il design a ciclo diretto semplifica il layout dell'impianto ma impone requisiti rigorosi per il controllo dell'umidità, la gestione delle radiazioni e i sistemi di protezione robusti.