Poznaj atom

Materiały konstrukcyjne w energetyce jądrowej

Piątek 18 stycznia 2013

Energetyka jest dziedziną przemysłu, która wymaga użycia materiałów wysokiej jakości. Szczególnie jeśli chodzi o energetykę jądrową. Precyzja i staranne wykonanie elementów, a także ciągła kontrola ich stanu technicznego stanowią o bezpieczeństwie pracy elektrowni jądrowych.

Część wymagań stawianych materiałom w energetyce jądrowej jest podobna do tych obecnych w energetyce konwencjonalnej. Pozostałe wynikają ściśle ze specyficznych warunków panujących w reaktorze oraz zjawisk chemicznych i fizycznych, które tam zachodzą. Do pierwszej grupy należą przede wszystkim własności mechaniczne materiałów: powinny mieć one należytą wytrzymałość, odporność na pękanie i tzw. pełzanie (powolne odkształcenie następujące przy stałym lub zmiennym obciążeniu przy podwyższonej temperaturze, potęgowane przez napromieniowanie neutronami). W tej grupie znajduje się: odporność na korozję, brak długożyciowych radioizotopów powstałych w wyniku napromienienia materiału neutronami, mały przekrój czynny na pochłanianie neutronów Łącząc ze sobą różne materiały w elementach reaktora należy uwzględnić także różnice niektórych ich własności, a także możliwość ich łączenia np. przez spawanie.

Zbiornik ciśnieniowy reaktora, w którym znajduje się serce elektrowni jądrowej czyli rdzeń reaktora, jest w zasadzie jedynym niewymienialnym elementem obiegu pierwotnego. Ponieważ blok energetyczny projektuje się obecnie na 50-60 lat eksploatacji, reaktor powinien być wykonany w sposób zapewniający przynajmniej tyle lat bezawaryjnej pracy. Przez prawie cały ten czas zawiera wodę o temperaturze sięgającej 330°C pod ciśnieniem 160 atmosfer, a ścianki zbiornika są ciągle „bombardowane” przez neutrony. Wykonuje się go ze stali konstrukcyjnej zawierającej chrom, molibden i wanad oraz około 0,15% węgla. Ponieważ reaktor jest zbyt duży, aby wykonać go w całości (zależnie od typu, około 4,5 metra średnicy, 12 metrów wysokości, masa około 300 ton) najpierw kuje się kręgi o odpowiedniej grubości i średnicy, a następnie spawa się je ze sobą i z dnem kształtowanym na prasach. Grubość ścianki zbiornika reaktora ciśnieniowego wynosi średnio 250 mm, a na wysokości króćców i kołnierzy nawet do 600 mm. Ponieważ w zbiorniku re aktora wodnego wrzącego panuje ciśnienie o połowę niższe niż w reaktorze wodnym ciśnieniowym, jego ścianki są mniej obciążone i mogą być nieco cieńsze, przeciętnie 200 mm. Zbiornik taki jest natomiast większy, mierzy ponad 27 metrów wysokości i ponad 7 metrów średnicy. Wynika to z tego, że w górnej jego części znajdują się elementy osuszające parę, które w reaktorach ciśnieniowych mieszczą się w wytwornicach pary.

Dla zabezpieczenia zbiornika reaktora przed korozją jego ściany plateruje się dwiema warstwami stali kwasoodpornych chromowo-niklowych o łącznej grubości nie przekraczającej jednego centymetra. Ze stali tego rodzaju wykonuje się także różnego rodzaju oprzyrządowanie wnętrza reaktora jak płyty sitowe podtrzymujące zestawy paliwowe, czy rury wiodące pręty sterujące.

Paliwo w rdzeniu reaktora składa się z pastylek paliwowych sprasowanego tlenku uranu umieszczonych w rurkach wykonanych ze stopu cyrkonu z niobem lub cyną, które tworzą razem pręt paliwowy o długości około 3 metrów. Pręty paliwowe zebrane są w wiązki liczące od stu do kilkuset elementów, nazywane kasetami paliwowymi. W rdzeniu reaktora jednocześnie znajduje się kilkaset kaset paliwowych, liczba ta zależy od modelu i dostawcy reaktora. Na przykład w reaktorach projektowanych w Rosji, kasety paliwowe maja przekrój sześciokąta, a z kolei w reaktorach projektu zachodniego kasety paliwowe mają przekrój kwadratowy. W reaktorach typu WWER-440 (takich, jakie miały stanąć w Żarnowcu) rdzeń zawiera 349 kaset paliwowych zawierających po 126 prętów paliwowych o długości 2860 mm każdy, co daje w sumie prawie 126 kilometrów cyrkonowych rurek. Całość daje się zmieścić w zbiorniku reaktora dzięki temu, że średnica prętów paliwowych wynosi około jednego centymetra.

Wybór cyrkonu jako podstawowego materiału na koszulki paliwowe uzasadniony jest przede wszystkim małym pochłanianiem neutronów przez ten metal, odpornością na korozję w środowisku wody i produktów rozszczepienia uranu oraz dobre własności mechaniczne. Badawcze reaktory wodne pracujące w niższych temperaturach, zamiast stopów cyrkonu używają stopów aluminium, natomiast reaktory chłodzone ciekłymi metalami takimi jak sód bądź ołów mają koszulki paliwowe wykonane ze stali chromowo-niklowych.

Pręty sterujące używane do regulacji mocy reaktora, a także jego wygaszania wykonuje się z materiałów o dużej zdolności pochłaniania neutronów. Zależnie od projektu mogą to być: węglik boru, tlenek europu lub stop indu, kadmu i srebra.

W reaktorach wodnych ciśnieniowych woda obiegu pierwotnego znajdującego się pod wysokim ciśnieniem, uniemożliwiającym jej wrzenie, przekazuje ciepło wodzie w obiegu wtórnym. Miejscem, gdzie obiegi te się spotykają i następuje wymiana ciepła są wytwornice pary. Gorąca woda obiegu pierwotnego przechodzi w nich przez tysiące cienkich rurek zanurzonych w wodzie obiegu wtórnego, która wrze przejmując ciepło. Powstała tam para jest kierowana do turbiny połączonej z generatorem.

Korpus wytwornicy pary wykonany jest ze stali konstrukcyjnej natomiast rurki grzejne z odpornych na korozję stopów niklu (rozwiązanie zachodnie) albo stali chromowo-niklowych (stosowane w projektach rosyjskich). W pierwszym przypadku wytwornica ma kształt pionowo ustawionego walca o wysokości przekraczającej 20 metrów i średnicy około 5 metrów, w drugim przypadku wytwornica ułożona jest poziomo, jej długość wynosi kilkanaście metrów, średnica również około 5 metrów. Podobnie zbudowany jest stabilizator ciśnienia, jedynie w jego przypadku miejsce rurek wymieniających ciepło między obiegami zajmują grzałki elektryczne i króciec doprowadzający chłodniejszą wodę z obiegu.

Główne rurociągi obiegu pierwotnego mają średnice miedzy 500 a 800 mm, a ich grubość wynosi około 30 mm. Mogą być wykonywane w całości z chromowo-niklowych stali kwasoodpornych bądź z ze stali konstrukcyjnych platerowanych od wewnątrz stalą kwasoodporną. Pozostałe rurociągi obiegu pierwotnego o mniejszych średnicach, będące elementami np. systemów awaryjnego chłodzenia, są w całości wykonane ze stali chromowo-niklowych.
Zarówno łopatki turbin jak i kadłub turbiny wykonane są, podobnie jak w przypadku konwencjonalnych elektrowni cieplnych opalanych węglem, z chromowych i chromowo-molibdenowych stali żarowytrzymałych. Kondensator chłodzący i skraplający parę za turbiną najczęściej wykonany jest ze stali kwasoodpornych. W przypadku elektrowni chłodzonych wodą morską materiał ten przejawia skłonność do pękania korozyjnego, dlatego w jego miejsce stosuje się stop niklu z miedzą albo stopy tytanu.

Sam budynek elektrowni zbudowany jest z betonu zbrojonego. Grubość ścian pomieszczeń nieistotnych z punktu widzenia bezpieczeństwa elektrowni wynosi do 800 mm. Budynek reaktora składa się z dwuwarstwowej obudowy bezpieczeństwa, najczęściej w kształcie cylindra zwieńczonego czaszą. Wewnętrzna obudowa wykonana jest zazwyczaj ze sprężonego betonu o grubości ponad półtora metra i wyłożona jest od środka hermetyczną ponad pół centymetrową blachą ze stali chromowo-niklowej. Wstępne naprężenie betonu zwiększa jego wytrzymałość na wypadek wzrostu ciśnienia w budynku reaktora spowodowanym przerwaniem obiegu pierwotnego. Zewnętrzna obudowa wykonana jest z betonu zbrojonego o grubości nie przekraczającej metra. W przestrzeni między obudowami mogą się znajdować elementy pasywnych systemów bezpieczeństwa, takie jak wymienniki ciepła czy zraszacze mające na celu odprowadzenie z budynku reaktora energii wyzwolonej w razie wypadku.

FOT: Instalacja pokrywy zbiornika ciśnieniowego reaktora (dzięki uprzejmości U.S. NRC)
Facebook