Kerncentrales behoren tot de meest complexe en veiligheidskritische industriële installaties die ooit zijn gebouwd. Hun veilige werking hangt af van talloze onderling verbonden systemen, maar geen van hen is meer fundamenteel dan de infrastructuur van de voeding. Elektriciteit is het levensbloed van een kerncentrale ..de reactorbesturingssystemen, koelvloeistofpompen, noodkernkoelsystemen, isolatiekleppen, bewakingsinstrumenten en alle veiligheidsgerelateerde apparatuur. Elke onderbreking, zelfs voor een paar seconden, kan barrières die ontworpen zijn om de vrijgave van radioactief materiaal te voorkomen in gevaar brengen. Daarom worden energietoevoersystemen in kerncentrales ontworpen tot een buitengewone mate van betrouwbaarheid, met meerdere lagen van redundantie, streng toezicht op de regelgeving en strenge testregelingen. In dit artikel wordt onderzocht hoe deze energiesystemen worden ontworpen, onderhouden en bijgedragen aan de algehele veiligheid en betrouwbaarheid van de opwekking van kernenergie.

Veiligheidsclassificatie van de energievoorzieningen

In kerncentrales worden elektrische energiesystemen ingedeeld op basis van hun veiligheidsrelevantie. Het primaire classificatiesysteem dat in de Verenigde Staten en vele andere landen wordt gebruikt is gebaseerd op IEEE 308 en NRC-voorschriften. De voeding en de bijbehorende componenten worden aangeduid als klasse 1E als ze essentieel zijn voor veilige uitschakeling, noodkoeling of insluiting van radioactief materiaal. Deze systemen moeten voldoen aan de hoogste normen voor kwaliteit, redundantie, onafhankelijkheid en kwalificatie om te kunnen bestand zijn tegen gepostuleerde ongevallen, waaronder seismische gebeurtenissen, overstromingen, branden en extreme omgevingsomstandigheden.

Klasse 1E-systemen

De elektrische systemen van klasse 1E omvatten de nooddieselgeneratoren, stationsbatterijen, onbelaste voedingen (UPS) en hun distributiepanelen die veiligheidsgerelateerde ladingen voeden. Ze moeten zijn ontworpen met fysieke en elektrische scheiding van niet-veiligheidssystemen om storingen te voorkomen. Zo zijn er bijvoorbeeld twee redundante klasse 1E treinen die vaak in afzonderlijke gebouwen of brandzones zijn gevestigd, elk met zijn eigen dieselgenerator, batterijbank en UPS. Dit zorgt ervoor dat een enkele gebeurtenis zoals een brand, turbineraket of pijpbreuk niet kan worden uitgeschakeld beide treinen. De stroomkringen zelf zijn gerouteerd in beschermde leidingen of raceways, en hun kabels zijn gekwalificeerd voor brandweerstand en harde omstandigheden.

Niet-veiligheids- en evenwichtssystemen

Niet-veiligheidsenergiesystemen dienen de normale installatiebelastingen, zoals verlichting, ventilatie (behalve voor veiligheidsgerelateerde HVAC), koeltorens en circulatiewaterpompen. Hoewel niet vereist is om aan de strenge kwalificatie van klasse 1E te voldoen, moeten ze nog steeds betrouwbaar zijn voor economische werking. Verlies van niet-veiligheidsvermogen kan leiden tot uitstapjes, maar niet tot veiligheidsuitdagingen. Echter, de afhankelijkheid van veiligheidssystemen van niet-veiligheidsondersteuning (bv. service water voor dieselgeneratorkoeling) wordt zorgvuldig geëvalueerd om ervoor te zorgen dat geen enkele storingsontwikkeling plaatsvindt.

Primaire stroom: Offsite en onsite bronnen

De primaire energiebron voor het exploiteren van een kerncentrale is het offsite transmissienetwerk. Typisch twee of meer onafhankelijke offsite circuits zijn aangesloten op de centrale schakelwerf, elk in staat om de volledige stationbelasting te leveren. Deze circuits zijn omgeleid over diverse rechten-van-weg om de kans op gelijktijdige verlies van een gemeenschappelijk weer of netwerkstoring te verminderen. De NRC vereist dat onder normale omstandigheden, de installatie kan rekenen op offsite stroom voor alle veiligheidsfuncties, en dat een verlies-van-koelstof ongeval (LOCA) kan worden verminderd met back-up stroom als het net uitvalt.

Ondanks deze maatregelen, offsite macht kan worden verloren als gevolg van lijnfouten, stormen, instabiele raster, of opzettelijke lading vergieten. In zeldzame gevallen, zoals het 2011 Fukushima Daiichi ongeval, een ernstige aardbeving en tsunami vernietigd meerdere offsite circuits gelijktijdig. Dit is waarom onsite back-up macht is een absolute noodzaak.

Nood-Backup-energiesystemen

Kerncentrales hanteren een gelaagde aanpak van noodstroom, te beginnen met hoge snelheid dieselgeneratoren en uit te breiden door batterijen en UPS om de overgang te verwerken. De ontwerpfilosofie is dat geen enkele storing en het gelijktijdige verlies van offsite stroom zou moeten voorkomen dat de installatie te bereiken en te handhaven veilige uitschakeling.

Nood-dieselgeneratoren

Elke kerneenheid heeft doorgaans tussen twee en vier nooddieselgeneratoren (EDG's), elk in zijn grootte voor alle veiligheidsgerelateerde belastingen (bv. noodkernkoelpompen, insluitingsspray, essentieel koelwater en controlekamerventilatie). Gemeenschappelijke configuraties omvatten twee 100%-capaciteit EDG's of vier 50%-capaciteitseenheden, die N+1 of N+2 redundantie bieden. De generatoren worden gestart met afzonderlijke luchtstartsystemen of batterijen, en moeten in staat zijn om de nominale snelheid en spanning binnen enkele seconden na een energieverlies op locatie te bereiken. Brandstofolie wordt ter plaatse opgeslagen in speciale, seismisch gekwalificeerde tanks, die doorgaans voldoende zijn voor ten minste zeven dagen continubedrijf (meer in nieuwe ontwerpen). EDG's worden getest onder lading maandelijks en ondergaan ook periodieke full-load tests en gesimuleerde blackout gebeurtenissen.

Sommige geavanceerde installaties omvatten ook gasturbinegeneratoren of dualfuel (diesel/aardgas) als diverse alternatieven.De diversiteit vermindert het risico van gemeenschappelijke storingen in de toestand van bijvoorbeeld, als een brandstofkwaliteitsprobleem diesel treft, kan de turbine nog steeds draaien.

Stationbatterij

Onmiddellijk na verlies van offsite vermogen, en gedurende de tijd die nodig is voor dieselgeneratoren te starten en te synchroniseren (meestal 10

Onuitschakelbare stroomvoorziening (UPS)

Voor ladingen die gevoelig zijn voor spanningstransiënten, frequentieafwijkingen of zelfs tijdelijke stroomonderbrekingen zoals digitale besturingssystemen, reactorbeveiligingssystemen en veiligheidsdisplay-instrumenten, is het de brug tussen de UPS-systemen die de kloof tussen batterijvermogen en generatorvermogen overbruggen. Typische nucleaire UPS-eenheden gebruiken een dubbelconversie-online topologie: de AC-ingang wordt gecorrigeerd naar DC, die de batterij laadt en een omvormer levert; de omvormer regenereert continu schone AC-uitgang. Deze isoleert kritische belastingen van elke netwerkstoring. UPS-systemen omvatten een statische bypassschakelaar voor onderhoud en een elektromechanische bypass voor veiligheid. Ze vereisen een strenge test en zijn vaak overbodig met afzonderlijke UPS-eenheden voor elke veiligheidsdivisie.

Ontwerpbeginselen voor niet-geëvenaarde betrouwbaarheid

Naast de selectie van hardware, wordt de ontwerpfilosofie voor de energievoorziening in kerncentrales beheerst door verschillende fundamentele principes:

  • Redding: Essentiële functies hebben ten minste twee onafhankelijke kanalen (vaak meer). Voor stroom betekent dit aparte dieselgeneratoren, batterijen en UPS voor elke veiligheidstrein.
  • Diversiteit: Waar mogelijk worden verschillende technologieën gebruikt voor back-up (bv. dieselgeneratoren vs. hydro-turbines in sommige installaties, of batterij vs. vliegwiel UPS). Diversiteit beschermt tegen algemene oorzaak storingen zoals ontwerpfouten in een generatormodel of verontreiniging van een brandstofpartij.
  • Fysische scheiding: Redundante componenten worden geplaatst in verschillende gebouwen, brandzones en seismische categorieën. Kabels worden langs afzonderlijke paden geleid om brand, overstromingen of raketschade te voorkomen die beide treinen uitschakelt.
  • Kwalificatie: Energie-uitrusting van klasse 1E moet milieu- en seismisch gekwalificeerd zijn per IEEE 344 en IEEE 323. Dit betekent dat ze getest of geanalyseerd worden om tijdens en na design-basisgebeurtenissen te functioneren, zoals een aardbeving met veilige sluiting (SSE) met storingsstromen en blootstelling aan straling.
  • Bescherming in diepte: Meerdere lagen van bescherming: (1) offsite vermogen, (2) EDGs, (3) alternatieve wisselstroombronnen (bv. gasturbines, back-up diesel in sommige ontwerpen), (4) stationsbatterijen, (5) draagbare generatoren en batterijen die ter plaatse zijn opgeslagen voor extreme gebeurtenissen die niet op de ontwerpbasis zijn gebaseerd.

Normen voor regelgeving en industrie

De betrouwbaarheid van de nucleaire voeding wordt niet overgelaten aan de ontwerpers van installaties alleen; het wordt opgelegd door strenge normen en door nationale regelgevers. In de Verenigde Staten, de NRC vereist dat de installaties voldoen aan de Algemene Ontwerp-criterium (GDC) 17, die opdracht geeft een bedrijf elektrische energie systeem met voldoende onafhankelijkheid, capaciteit en betrouwbaarheid. De specifieke zijn uiteengezet in IEEE Standard 308 (klasse 1E Power Systems) en regelgeving gidsen (bijv., Regelgevende Gids 1.9 voor EDGs). Internationaal, de IAEA . veiligheidsnormen (SSG-34) en IEC 61226 geven soortgelijke richtsnoeren. Planten ondergaan periodieke probabilistische risicobeoordelingen (PRA) om ervoor te zorgen dat het verlies van offsite plus alle noodstroom (genaamd station blackout) heeft een frequentie van minder dan 1×10-5]. Deze aandrijving leidt tot aanzienlijke investeringen in energie-efficiëntie.

Externe middelen die verdere diepte bieden zijn onder meer:[
NRC 10 CFR 50,63: Station Blackout Requirement
AEEA SSG-34: Ontwerp van elektrische energiesystemen voor kerncentrales
IEEE 308-2019: Standaard voor elektriciteitssystemen van klasse 1E

Testen, onderhoud en continue verbetering

Een voeding systeem is slechts zo betrouwbaar als de laatste test. Kerncentrales voeren een uitgebreid surveillance programma om te valideren dat elke back-up component zal uitvoeren wanneer geroepen. Voor nood diesel generatoren, dit houdt in:

  • Maandelijkse starttests met automatische belastingsacceptatie (doorgaans 30 minuten ritten).
  • Jaarlijkse full-load, 24-uurs uithoudingsvermogen loopt.
  • Periodiek testen onder gesimuleerde black-out omstandigheden (verlies van zowel offsite als EDG, afhankelijk van batterijen).
  • Testen van de kwaliteit van stookolie en tankniveau.

De stationsbatterijen worden op driemaandelijkse basis bepaald, de jaarlijkse ontladingstests worden uitgevoerd op een bepaalde spanning (terwijl ze nog steeds vitale belastingen leveren) en de periodieke capaciteitscontroles. UPS-systemen hebben belastingsbanktests en automatische transfertests. Elke storing wordt onderzocht, gecorrigeerd en kan leiden tot ontwerpwijzigingen of procedurele wijzigingen. Alle tests worden gedocumenteerd en beoordeeld door de NRC en onafhankelijke toezichtsorganen.

Bovendien wordt de operationele ervaring van installaties wereldwijd gedeeld door branchegroepen zoals INPO en WANO. Lessen van gebeurtenissen zoals de Browns Ferry brand die kabelbanen beschadigde, of de Fukushima station blackout zijn opgenomen in bijgewerkte eisen voor fysieke scheiding, bescherming tegen ernstige externe gebeurtenissen, en de toevoeging van draagbare noodapparatuur (bijvoorbeeld draagbare dieselpompen en generatoren opgeslagen op hogere grond).

Lessen geleerd van Operating Experience

Het ongeluk met Fukushima Daiichi in 2011 was een moment van waterkering voor de betrouwbaarheid van de nucleaire stroomvoorziening. Het verlies van offsite stroom als gevolg van de aardbeving, gevolgd door de tsunami die de onsite EDG's en batterijen overstroomde en uitschakelde, leidde tot een langdurige black-out van het station dat resulteerde in kernmeltdowns. Als reactie, regelgevers wereldwijd gemandateerd extra diverse en flexibele strategieën (bijv. FLEX in de VS) die permanent geïnstalleerde back-up apparatuur, evenals draagbare pompen en generatoren die kunnen worden ingezet, zelfs als alle vaste systemen verloren gaan. Planten nu ook opslaan extra batterijen, bieden geharde ventilatieopeningen, en beschermen veiligheidsuitrusting tegen overstromingen buiten de ontwerpbasis.

Andere gebeurtenissen hebben ook geleid tot verbeteringen. In 1975, een brand bij Browns Ferry knock-out veiligheidsgerelateerde stroomkabels voor meerdere systemen, die de kwetsbaarheid van gedeelde kabel trays aantonen. Dit leidde tot strenge brand scheidingseisen. In 1986, een storing van een diesel generator in de Davis-Besse fabriek als gevolg van een defecte spanningsregelaar benadrukt de noodzaak van grondige component kwalificatie en regelmatige testen. Elk incident versterkt dat de voeding systemen voortdurend opnieuw moeten worden geëvalueerd tegen nieuwe bedreigingen.

Naarmate de nucleaire industrie evolueert met geavanceerde lichtwaterreators en kleine modulaire reactoren (SMR's), gaat het ontwerp van de voeding ook vooruit. De veiligheidsvoorzieningen omvatten vaak passieve veiligheidsvoorzieningen die de afhankelijkheid van actieve energiesystemen verminderen.Bij voorbeeld, natuurlijke circulatiekoeling elimineert de behoefte aan grote noodpompen. Ze zijn echter nog steeds afhankelijk van batterijen, UPS, en vaak dieselgeneratoren voor reactorbescherming en -besturing. Sommige onaangekondigde ontwerpen maken gebruik van geïntegreerde elektrische systemen met minder maar zeer betrouwbare componenten. Daarnaast vereist het gebruik van digitale instrumentatie- en besturingssystemen een hoge kwaliteit vermogen met zeer lage harmonischen en snelle transiënte respons, waardoor de vraag naar moderne UPS met vermogenskwaliteitskenmerken zoals actieve filtering.

Er is ook groeiende belangstelling voor alternatieve energiebronnen voor back-up, zoals waterstof brandstofcellen die kunnen zorgen voor een langdurige back-up zonder fossiele brandstof logistiek, of microgrids die de installatie kan eiland van een gespannen netwerk. Sommige sites zijn het verkennen van hybride batterijsystemen (lithium-ion voor hoge vermogen, lood-zuur voor energie) om de fiets en levensduur te verbeteren. Echter, elke nieuwe technologie die een nucleaire veiligheid toepassing moet strenge kwalificatie om te voldoen aan dezelfde betrouwbaarheidsnormen als bestaande componenten.

Conclusie

De voeding is de onuitputtelijke veiligheidsruggengraat van elke kerncentrale. Van de enorme nooddieselgeneratoren die een kleine stad kunnen voeden tot de precisie UPS die digitale beveiligingssystemen schoon aangedreven houden tijdens een storing, elk element is ontworpen, getest en gereguleerd om ervoor te zorgen dat elektriciteit stroomt naar veiligheidsapparatuur wanneer het nodig is. De nucleaire industrie zet zich in voor de verdediging van diepte, redundantie, diversiteit en continue leren van operationele ervaring zorgt ervoor dat de energietoevoer systemen positief bijdragen aan de algemene veiligheid en betrouwbaarheid van de opwekking van kernenergie. Naarmate nieuwe reactorontwerpen ontstaan en het dreigingslandschap verandert, blijft het fundamentele principe: veilige kernenergie vereist betrouwbare energie.

Voor meer informatie, raadpleeg de volgende gezaghebbende bronnen:
NRC-regulatoire gidsen voor elektriciteitssystemen
EPRI-kernenergieprogramma