Sisteme de securitate specifice cne

SISTEME DE SECURITATE SPECIFICE CNE

In functionare, sistemul nuclear are inmagazinata o cantitate importanta de energie mecanica (fluid sub presiune), termica si radioactiva.

Orice accident in partea nucleara poate elibera radioactivitate. Sistemele tehnice de securitate sunt destinate limitarii distrugerilor zonei active a reactorului. Ele sunt dispuse "in linie", astfel daca un sistem de protectie se defecteaza, un altul ii ia locul,

Mijloace de limitare a consecintelor accidentelor nucleare

1. Masuri intrinseci - reactor cu coeficient de reactivitate negativ (care se opreste de la sine in cazul lipsei de control, inventar de radioactivitate cat mai redus)
2. Cai naturale: difuzia atmosferica si depunerea aerosolilor activi, existenta unor distante de siguranta fata de centrele populate
3. Masuri de siguranta ingineresti
1. prevenirea pericolului de topire a zonei active a reactorului , prin racirea speciala a RN in caz de avarie
2. eliminarea controlata a produselor de fisiune radioactive, prin filtrare si spalare
3. reducerea presiunii din reactor si din spatiul inconjurator, cu scopul de a reduce viteza de infiltrare a produselor radioactive in mediul exterior
4. bariere in jurul circuitului primar

Masurile de siguranta ingineresti trebuie sa corespunda unor anumite criterii:

functionarea lor sigura trebuie conceputa si incercata pentru toate situatiile credibile de accident

functionarea lor trebuie sa fie posibila si in situatii neprevazute ivite dupa declansarea accidentului

asigurarea intretinerii capacitatii de functionare si verificarea ei repetata in timp prin incercari

redundanta spatiala (prin trasee distantate intre ele) si redundanta structurala (prin natura diferita a actionarilor de rezerva - de exemplu actionarea electrica dublata de actionarea pneumatica)

Aceste masuri au conditii speciale de lucru:

F      nu contribuie la functionarea normala

F      se face foarte rar apel la functionarea lor

F      daca nu raspund atunci cand sunt actionate, pot conduce la consecinte foarte grave (efect de clinchet)

F      actionarea falsa are consecinte economice importante

AMC = accident maxim credibil - cel care prin efectele sale radioactive asupra mediului ambiant nu poate fi plauzibil depasit pe durata vietii centralei. AMC poate fi consecinta unui defect de instalatie, defect de sistem de masura si control sau a unei erori umane.

La RN racite cu apa - AMC = pierderea accidentala a presiunii prin ruperea circuitului primar.

La RN PWR, aceasta rupere se considera ca are loc pe o conducta principala pe traseul RN - GA - Pompa - RN.

La RN - AMC = BWR ruperea conductelor principale de abur sau de alimentare cu apa a RN.

Principala masura inginereasca de securitate nucleara fata de mediul ambiant este realizarea unei bariere in jurul circuitului primar = anvelopa sau container general.

Functiile anvelopei

rezistenta mecanica la presiunea si temperatura AMC, simultan cu sarcinile gravitationale, climatice si seismice, precum si la actiunea unor proiectile din interior sau exterior.

etanseitate (se admite o pierdere de continut de 1% in 24 de ore la presiunea si temperatura AMC)

ecranare contra radiatiilor

Tipuri de anvelope

a) anvelopa cu presiune limitata esapare in atmosfera a varfului de presiune (reactoare VVER)

reactor nuclear

anvelopa metalica etansa

anvelopa din beton armat

sistem de injectie cu apa la avarie

ventilator

filtru de aer

cos

spatii de reducere a presiunii cu volum de apa

conducte de legatura

condensatoare cu gheata

camera depresionara

clapeta de suprapresiune

b) anvelopa cu retinere totala a presiunii (reactoare PWR, PHWR, GCR-AGR, HTGR, FBR)

3. anvelopa din beton armat

8. spatii de reducere a presiunii cu volum de apa

9.conducte de legatura

c) Cu retinere totala si atenuarea presiunii

cu bazin de apa stagnata in care se barboteaza si condenseaza vaporii.

Cu o masa de gheata cu rol de condensator

1. reactor nuclear
2. anvelopa metalica etansa
3. anvelopa din beton armat
4. sistem de injectie cu apa la avarie
5. ventilator
6. filtru de aer
7. cos
8. spatii de reducere a presiunii cu volum de apa
9. conducte de legatura
10. condensatoare cu gheata
11. camera depresionara
12. clapeta de suprapresiune

Cu retinere totala si atenuarea presiunii

cu o camera mentinuta in depresiune, legata de cladirea reactorului si prevazuta cu condensare prin pulverizare cu apa   

Constructiv, anvelopa se poate realiza:

     cu spatii inchise cu pereti din beton armat, rezistenti la presiune si captusiti cu tabla de otel

     cu invelitoare de forma cilindrica sau sferica, din beton armat, beton precomprimat sau tabla de otel

     cu doua invelitori:

prima, din otel sau beton precomprimat, cu rol de rezistenta si etansare

a doua, exterioara, cu rol de protectie climatica si ecranare radioactiva

Dintre invelitori se absoarbe permanent aerul (1m intre ele).

     Cu straturi multiple, in care alterneaza betonul cu tabla de otel

Prin dispunerea RN intr-o caverna sapata in stanca

Prin dispunerea submarina a cladirii reactorului

Anvelopa de protectie reduce cantitatea de radioactivitate eliminata de centrala in exterior si probabilitatea de aparitie a accidentului care degaja intreaga cantitate de radioactivitate a sistemului nuclear in mediul ambiant → permite reducerea distantelor de excludere intre CNE si localitatile invecinate.

Cea mai importanta sursa de pericole nucleare este RN, unde in timpul functioarii sw acumuleaza produse de fisiune, unele cu durata lunga de viata (gaze nobile, halogeni, metale volatile) care se pot raspandi usor in atmosfera. Pentru impiedicarea punerii in libertate a elementelor radioactive, exista 3 bariere:

1. Teaca elementelor combustibile - care poate retine complet produsele de fisiune in functionare normala
2. Instalatiile tehnologice ale circuitului primar - care este vehiculat agentul de racire al RN si in care produsele de fisiune pot patrunde in urma defectarii tecilor
3. Instalatii prevazute sa opreasca raspandirea produselor de fisiune in atmosfera - in cazul ruperii unei conducte de agent de racire, deci a scoaterii din functiune a barierelor 1 si 2.

In afara produselor de fisiune, in RN si in circuitul agentului de racire al RN, pot sa apara produse de coroziune si eroziune, care in conditiile din RN pot deveni radioactive. Prin acumulare in deverse locuri din centrala (coturi, ventile, preincalzitoare) pot deveni o sursa periculoasa pentru personalul de exploatare.

O alta sursa o constituie instalatiile anexe de depozitare a elementelor combustibile si a deseurilor radioactive rezultate din procesul tehnologic. Acestea sunt prevazute cu ecran de protectie.

reactor

generator de abur

pompe de circulatie

conducte principale

tratarea agentului de racire

depozit deseuri radioactive

turbina

sistem de aspiratie cu filtre

cos

racire condensator

container elemente uzate

scurgeri ape inactive

I prima bariera - tecile elementelor combustibile

II peretii circuitului primar

III ecran beton

IV control dozimetric

Mijloace tehnice de securitate nucleara

Dpv al modului de actionare

Mijloace active

sistemele de protectie automata

mecanisme de oprire rapida a RN

sisteme de racire de avarie a zonei active

sisteme de racire a zonei etanse (pulverizare cu apa)

sisteme de racire a elementelor de constructie

pompe de racire de rezerva

VIR - ventil de inchidere rapida

Alte instalatii care intra in functiune la producerea unei avarii, in scopul limitarii efectelor

Mijloace pasive

Tecile elementelor combustibile

Sistemul de circulatie al agentului de racire

Vasul de presiune al RN sau tuburile de presiune

Anvelopa din beton captusita cu manta de otel

Sistemul de condensare a aburului expandat prin ruperea circuitului primar

Protectia biologica contra radiatiilor

Sistemul de filtre la cosul de evacuare a gazelor

Instalatii auxiliare

Instalatii pentru curatirea continua a agentului de racire al RN de impuritati (produse de eroziune si coroziune)

Instalatii pentru degazarea agentului de racire si recombinarea sau eliminarea gazelor de radioliza, protectia termica a ecranului biologic

Instalatiile de colectare si tratare a scurgerilor radioactive inainte de eliminarea in mediul ambiant

Tratarea deseurilor radioactive

Deseuri radioactive - gazoase, lichide sau solide - care provin din exploatarea sistemului nuclear si depind de tipul reactorului folosit.

Sistemul de tratare este ales si dimensionat in functie de:

cantitatea de deseuri si structura lor

limitarile legate de radioactivitate

conditiile locale de depozitare si problema zonelor invecinate locuite

posibilitatile de transport

Deseuri gazoase - gaze activate si produse de fisiune scapate din neetanseitatile elementelor combustibile

Surse

F      gaze scapate din circuitul de racire al RN GCR, AGR

F      aer de la racirea cu aer a exranelor biologice

F      gaze de la expansiunea fluidului primar la pornire

F      gaze extrase din condensatorul principal si de la etansarile turbinei, la instalatii cu cicluri termice directe

F      gaze necondensabile de la degazarea circuitului de racire si moderare a RN racite cu apa

F      gaze din spatiul de condensare al RN BWR, la reducerea presiunii

F      ventilarea cladirii reactorului, a laboratoarelor si atelierelor cu materiale active si aerisirea rezervoarelor si instalatiilor in care se lucreaza cu lichide active.

Gazele au timpi de injumatatire redusi.

Tratare prin:

1. filtrarea gazelor vederea retinerii aerosolilor

filtrare grosiera cu cicloane, apoi

filtrare avansata pana la 99.9% cu ajutorul carbunelui activ si a filtrelor totale cu cartuse filtrante de celuloza sau azbest

2. racirea gazelor
3. depozitarea gazelor - 60 ore, in vederea reducerii naturale a activitatii si asteptarii conditiilor meteorologice favorabile eliminarii
4. diluarea gazelor - cu aer neactiv provenit de la ventilarea partii conventionale
5. evacuarea gazelor - printr-un cos inalt, dimensionat in functie de conditiile impuse de zona invecinata si de debitul de gaze degajate la AMC

Deseuri lichide

se datoresc ionilor activi dizolvati sau a particulelor radioactive aflate in suspensie in apa

apa slab radioactiva, medii radioactiva, puternic radioactiva (dupa cantitatea si natura chimica a particulelor)

la RN racite si moderate cu apa cantitatea de deseuri lichide este importanta

nivele maxime de radioactivitate apar la RN cu apa grea datorita prezentei tritiului

Surse

• purjele si neetanseitatile circuitului primar de racire si moderare, si drenarea echipamentelor
• apa condensata din camerele umede de reducerii a presiunii la BWR si din bazinul de calmare
• golirea circuitelor intermediare si speciale de racire ale zonei active
• apa de transport pentru evacuarea rasinilor uzate si introducerea celor noi
• regenerari si deversari de la instalatiile de tratare a apei
• spalatorie haine acces in zona activsi ape reziduale de la laboratoarele radiochimice
• apa de spalare de la instalatiile de decontaminare

Tratare

a.      depozitarea substantelor active pe toata durata de viata a centralei, in rezervoare etanse (beton armat izolat sau otel inpxidabil cu capacitati pana la 1000 m³)

b.     depozitarea limitata a apei pentru micsorarea activitatii de diluare cu apa de racire (in circuit deschis) si eliminare spre exterior (solutie acceptabila la deseuri slab active)

c.      decontaminarea apei - o aduce la un nivel de activitate care permite evacuarea prin tratare cu mase schimbatoare de ioni (acestea sunt deseuri solide puternic active)

factor de decontaminare - raportul dintre activitatea initiala si finala a apei ( 10³ in cazul tratarii chimice)

factor de concentrare - raportul dintre cantitatea initiala de apa deseu si cantitatea finala necesara a se depozita (10³-10 )

d.     decontaminarea prin vaporizare, condensand apa cu ajutorul unor condensatoare sub vid sai prin comprimare. Produsul rezidual este namol radioactiv amestecat cu apa, care poate fi considerat ca deseu solid (factor de decontaminare (10 - 10) , iar cel de concentrare 100-400).

Deseuri solide

Provin

F      direct - ca urmare a operatiilor de exploatare a sistemului nuclear

F      indirect - ca urmare a tratarii deseurilor gazoase sau lichide

mase ionice uzate

materiale filtrante

piese si aparate defecte scoase din uz

haine de protectie

resuri de la laboratoare

namoluri si prafuri radioactive

Deseurile solide pot fi:

• materiale combustibile
• materiale compactabile
• piese rigide

Majoritatea deseurilor solide se depoziteaza, urmarindu-se reducerea volumului lor, inglobarea in containere pentru usurarea manipularii si izolarea lor.

Deseurile solide se incinereaza, iar cenusa este tratata ca material compactabil.

Probleme de amplasare exploatare

Dispozitia echipamentului CNE

Amplasarea echipamentului in CNE este dictata de separarea accesului in spatiile de exploatare in functie de nivelul lor de radioactivitate.

In cazul schemelor termice cu mai multe circuite, prezenta a 3-6 GA conduce la o schema de legatura generator - turbina cu bare colectoare sau cu inele de abur. Conductele de legaturasunt mai lungi datorita invelisului de protectie al sistemului nuclear si datorita schemei folosite.

Sistemul de manipulare al combustibilului realimenteaza R nuclear cu fascicule de combustibil proaspat in timpul functionarii normale a RN. El este proiectat sa functioneze la toate nivelele de putere ale RN. Sistemul asigura depozitarea temporara a combustibilului proaspat si a celui iradiat.

Fasciculele de combustibil sunt impinse in canalul RN de masina de incarcat combustibil, actionata de la distanta. Combustibilul iradiat este descarcat in acelasi timp de o alta masina de combustibil, situata la capatul opus al canalului de combustibil, si este transferat intr-un bazin cu apa de langa cladirea reactorului nuclear.

Operatiile masinii de incarcare-descarcare, la RN cu manipularea combustibilului sub sarcina, sunt succesiuni de operatii mecanice care pot fi automatizate integral si supuse conducerii directe prin calculator.

Elementele de combustibil uzat sunt depozitate in bazinul de calmare, unde sunt pastrate in apa demineralizata. Apa din bazin este racita si filtrata, circuland in circuit inchis.

RANDAMENTE ALE CNE

Fluxuri de masa si energie in CNE cu abur

A.    Fluxuri care au legatura cu exteriorul CNE

a.      Fluxuri de masa

Combustibil

Deseuri radioactive

Aer pentru ventilatie

Apa si termic de adaos

Apa de racire

b.     Fluxuri de energie

Electrica

Termica, livrata consumatorilor

B.    Fluxuri interioare CNE

a.      Fluxuri de masa - circuitele termice, cu probleme de tratare, preincalzire,degazare, pompare, compensare de presiune, eliminarea umiditatii agentilor termici

b.     Fluxuri de energie - serviciile interne electrice si cu abur ale consumatorilor interni

Bilantul energetic al CNE cu abur - reprezentat in diagrama Sankey, pune in evidenta pierderile de energie ale CNE cu abur, corespunzatoare randamentului general al CNE (considerata la bornele generatorului electric)

t =randamentul circuitului termic 0.2-0.5

r= randamentul reactorului 0.98-0.99

i= randamentul relativ intern al turbinei 0.75-0.85

m= randamentul mecanic al grupului turbogenerator 0.98-0.99

cd= randamentul conductelor centralei 0.97-0.99

ga= randamentul generatorului de abur 0.98-0.99

g= randamentul generatorului electric

si= randamentul servicii interne 0.84-0.95

tr= randamentul transformatorului electric 0.98-0.99

Bilantul energetic al CNE indica marimea si locul pierderilor de caldura, deci abaterile fata de primul principiu al termodinamicii.

Bilantul exergetic indica marimea si locul pierderilor de exergie (pierderi de lucru mecanic maxim realizabil).

In CNE cu abur, din cantitatea de caldura produsa in reactor, cea mai mare parte se pierde in condensatorul de abur, evacuata in apa de racire.

Pierderea de exergie in condensator este relativ redusa datorita diferentei relativ mici de temperatura

intre agentii termici.

Randamentul reactorului = raportul dintre cantitatea de caldura preluata de agentul de racire al Reactorului si caldura degajata ca rezultat al fisiunii.

Circuitul agentului de racire este inchis→ nu exista pierderi de caldura de la sursa calda la mediul ambiant. Exista pierderi mici:

conductibilitatea in mediul ambiant

racirea protectiei biologice

racirea corpului reactorului

racirea moderatorului

racirea altor elemente ale reactorului nuclear

prin apa de purjare

→ randamentul reactorului ~ 1 fata de randamentul cazanului - 0.85-0.95

Cresterea randamentului CNE

Cresterea parametrilor agentului termic in reactor si mai ales a temperaturii la iesirea din reactor - este legata de introducerea in zona activa a unei cantitati de materiale de constructie necesare pentru a mari rezistenta si stabilitatea la temperaturi inalte si la coroziune → scade bilantul neutronilorprin cresterea absorbtiei parazite → utilizarea mai proasta a combustibilului sau necesitatea cresterii imbogatirii combustibilului → creste costul combustibilului.

Temperatura maxima care poate fi realizata in ciclul CNE cu abur este limitata de temperaturile admisibile ale miezului si tecii elementului combustibil.