Dlaczego tak długo trwa restart elektrowni jądrowej?

Kilka razy słyszałem, że działająca elektrownia jądrowa, która została zamknięta (niezwiązana z sytuacjami awaryjnymi; np. W celu regularnej kontroli) potrzebuje ponad 24 godzin (do 72 godzin?), Aby ponownie uruchomić.

Dlaczego to trwa tak długo?

Gdy reaktor jest wyłączony rdzenia wytwarza znacznie mniej ciepła, ale czy nadal wytwarzają ciepło przez mechanizm znany jako zaniku ciepła . Fakt, że rdzeń wytwarza mniej ciepła, oznacza, że ​​temperatura płynu chłodzącego będzie spadać, ale to, jak daleko ta temperatura spada, zależy od szybkości wytwarzania ciepła rozpadu. To z kolei opiera się na historii operacyjnej lub mocy, przy której elektrownia działała przed wyłączeniem. Może to być duże w przypadku elektrowni komercyjnych, ponieważ zazwyczaj działają one z bardzo dużą lub bardzo zbliżoną wydajnością, a przedsiębiorstwa energetyczne podnoszą i zmniejszają elektrownie węglowe lub gaz ziemny, aby modulować moc sieci. Ciepło rozpadu po dniu stanowi około pół procent historii energii, co w przypadku elektrowni o mocy 500 MW działającej z mocą oznacza, że ciepło rozpadu może wynosić 2,5 MW.

Tak więc, jeśli nastąpi krótkie wyłączenie, szybkość wytwarzania ciepła rozpadu jest tak wysoka, że ​​pierwotna instalacja pozostaje gorąca, a zatem mogą normalnie uruchomić się „szybko”. Mówię „szybko”, ponieważ chociaż pierwotna (promieniotwórcza strona) roślina może być jeszcze gorąca, wtórna instalacja parowa prawdopodobnie będzie zimna. W przypadku rozruchów instalacji wtórnych jednym z głównych problemów jest tworzenie się wilgoci w rurociągach. Dzieje się tak, gdy para dotyka (względnie) zimnej rury. Wilgoć w elektrowni parowej może powodować różnego rodzaju okropne rzeczy, ale przede wszystkim szkody powstają w wyniku uderzenia hydraulicznego w rurociągach i uderzenia wilgoci łopatek turbiny.

Dla przypomnienia: wiem o tym, ponieważ byłem nuklearną marynarką wojenną. Podczas mojej służby w Marynarce Wojennej najbardziej przerażającą rzeczą, jaką widziałem na statku, była rura parowa, może 18 cali średnicy, dosłownie skacząca o 2-3 cale przy każdym uderzeniu młotem wodnym, wiedząc, że jeśli rura się nie powiedzie, wszyscy w engineroom prawdopodobnie zostanie ugotowany żywcem. Pamiętaj, że w powyższym filmie para prawdopodobnie znajduje się pod ciśnieniem atmosferycznym lub nieco powyżej ciśnienia atmosferycznego i bardzo niskim przepływem i nadal brzmi, jakby ktoś uderzył młotkiem w ten grzejnik. Ta rura ma prawdopodobnie cal lub mniej średnicy.

Kondensat, który powstaje, gdy para dotyka rury, zostaje „uwięziony” w przepływie pary przez rurę. Para wypycha ten korek wody z bardzo dużą prędkością, jak młot (stąd „młot wodny”), łamiąc łopatki turbiny i uszkadzając orurowanie, a zwłaszcza połączenia orurowania.

Istnieją urządzenia zwane „pułapkami wilgoci” lub „ odwadniaczami pary ”, które usuwają wilgoć z systemu podczas normalnej pracy, ale objętość kondensatu powstającego podczas rozruchu zimnej instalacji jest tak duża, że ​​pułapki wilgoci nie nadążają. W połączeniu z niebezpieczeństwem stwarzanym przez uderzenie wodne i uderzenie wilgoci w turbinę oznacza, że ​​para jest doprowadzana do instalacji parowej bardzo, bardzo, bardzo powoli. Operatorzy instalacji muszą okresowo chodzić do ręcznie sterowanych odwadniaczy pary, aby „ wydmuchać ” kondensat. (Uwaga: instalacja parowa w tym filmie jest przerażająca i nie chciałbym tam pracować, ale warczenie, jakie wydaje, gdy kondensat się oczyszcza i para zaczyna wypływać, jest dokładnie tak, jak pamiętam)

Podsumowując, do tej pory: „szybkie” (24-godzinne) uruchomienie jest zwykle ograniczone przez wytwarzanie wilgoci w wtórnej instalacji parowej, spowodowane kontaktem pary z zimnymi rurami.

Początek instalacji pierwotnej może potrwać znacznie dłużej. Większość (wszystkich?) Reaktorów w USA to reaktory wodne pod ciśnieniem . Oznacza to, że pomimo 2-3-krotności (lub więcej!) Temperatury, w której woda zwykle gotuje się, w pierwotnej instalacji jest wystarczające ciśnienie, aby utrzymać wodę w postaci płynnej. Jest to duży nacisk, a orurowanie w głównej instalacji ma bardzo grube ściany, aby wytrzymać to ciśnienie.

Grube ściany oznaczają, że wnętrze rury może być „gorące”, podczas gdy zewnętrzna część rury jest „zimna”. Są to warunki względne; wszystko jest gorące.

Rozgrzewanie podstawowej rośliny to problem z kurczakiem i jajkami. Podstawową kwestią jest tutaj to, aby para wodna nigdy nie tworzyła się w reaktorze. Steam jest rzeczywiście dość dobrym izolatorem, co oznacza, że jeśli kiedykolwiek zrobiłem formę w reaktorze, nagle nie byłoby nic do chłodzenia paliwa, więc to się bardzo gorąco bardzo szybko (czytaj: stopić).

Musisz więc utrzymywać ciśnienie w układzie na tyle wysokim poziomie, aby para nie tworzyła się w reaktorze. ALE , gdybyś wywierał tak duży nacisk na przewody rurowe, gdy było zimno, złamałoby się ono za pomocą mechanizmu zwanego „ kruchym pęknięciem ”. Jest to nagła i katastrofalna awaria, której można uniknąć, jeśli rurociąg zostanie podgrzany do punktu, w którym ma pewną ciągliwość.

Musisz więc podgrzać rurociąg, ale nie możesz go tak rozgrzać, żeby się zagotował. Więc trochę go podgrzejesz, następnie trochę zwiększysz ciśnienie, a następnie podgrzejesz, zwiększysz ciśnienie itp.

Zazwyczaj występują przerwy zwane „namoczeniem”, które dają metalowi czas w rurociągu na wyrównanie temperatury. Zapobiega to narastaniu naprężeń wewnętrznych, ponieważ wnętrze rury jest „gorące”, a na zewnątrz „zimne”. Namaczanie zwykle zajmuje dużą część przez większość czasu uruchamiania - namaczanie trwa zwykle 12-24 godzin.

Tak więc podgrzewasz do punktu wygrzewania, a następnie zwykle zwiększasz ciśnienie do pośredniego ciśnienia, ogrzewasz do innego punktu wygrzewania, następnie zwiększasz ciśnienie do wyższego pośredniego ciśnienia, a następnie podgrzewasz i zwiększasz ciśnienie razem. Wszystko po to, aby pozostać poniżej limitów pękania, znanych jako „granica zapobiegania pękaniu kruchym”, co ponownie ma na celu zapewnienie, że ciśnienie temperaturowe, na które działa rurociąg, jest takie, aby rury nie spadły.

Tak więc, po rozgrzaniu podstawowej rośliny, możesz zacząć wprowadzać drugą roślinę do trybu online, więc zwykle jest to 2 dni dla podstawowej, a następnie kolejny dzień dla dodatkowej - to jest 72-godzinny rozruch.

Jak wspomniano, rozpadowe ciepło utrzymuje główną roślinę w cieple przez długi czas (może nawet miesiąc), więc jeśli nie masz dłuższej przerwy w dostawie prądu, zwykle możesz zacząć dość szybko, a ponownie „szybki” to około 24 godzin .

Ksenon jest wynikiem reakcji jądrowej i trucizny neutronowej. Jeśli nie czekasz na rozpad ksenonu, zjada on zbyt wiele neutronów i nie możesz przejść krytycznie. Zawsze mówią „nie ma wystarczającej liczby prętów do pociągnięcia”. Jeśli masz ładny nowy rdzeń reaktywny, możesz zacząć wcześniej. Jeśli rdzeń jest stary, będziesz musiał długo czekać na wystarczającą ilość ksenonu (i innych trucizn).

Zakład, w którym pracowałem, kosztował około miliona dolarów dziennie za awarię. Uwierzcie mi, gdyby mogli zacząć wcześniej, zrobiliby to.

Odpowiedź naprawdę sprowadza się do dwóch czynników: bezpieczeństwa i testowania. Poniżej przedstawię ogólne podsumowanie tych dwóch rzeczy, ale prawdziwa odpowiedź jest dość skomplikowana.

Istotą operacji elektrowni jądrowych jest bezpieczeństwo jądrowe. Nie mówię o bezpieczeństwie osobistym, które należy do Administracji Bezpieczeństwa i Zdrowia w Pracy (OSHA), choć ma to pewien wpływ. Co więcej, jest to ogólne bezpieczeństwo ludności przed zdarzeniem radiologicznym. Elektrownie jądrowe są zaprojektowane w taki sposób, aby ryzyko takiego zdarzenia było jak najbardziej zminimalizowane.

Gdy roślina się włącza, przechodzi różne tryby . Każdy tryb ma swój własny zestaw kryteriów testowania i akceptacji, które muszą zostać spełnione, aby roślina mogła zostać podwyższona w trybie. Istnieje wiele systemów, a te rzeczy wymagają czasu. Szczególnie ważne są systemy krytyczne dla bezpieczeństwa jądrowego.

Elektrownia jądrowa zacznie działać w pełni dopiero wtedy, gdy wszystkie systemy przejdą testy i będzie można bezpiecznie uruchomić elektrownię.

Jest wiele powodów, dla których czas potrzebny jest na uruchomienie lub powrót do pełnej mocy w komercyjnych elektrowniach jądrowych. W USA istnieją dwa główne typy instalacji: reaktory z wrzącą wodą (BWR) i reaktory z wodą pod ciśnieniem (PWR). Odpowiedzi będą się różnić w zależności od typu reaktora, a nawet wersji tego typu. Powszechnym wyjaśnieniem, o którym nie wspomniałem, jest to, że wszystkie komercyjne elektrownie jądrowe unikają dokonywania zmian mocy cieplnej> 15% w dowolnym okresie 4 godzin. Ma to na celu ochronę integralności okładziny paliwowej. Pracowałem w komercyjnej branży energetyki jądrowej przez prawie 20 lat - i nie pracowałem przez ponad 20 lat - więc może poprawili okładzinę paliwową i to już nie jest problem - ale było to obowiązkowe ograniczenie w moich czasach.

Chuk prawie doszedł do końca. Ale z punktu widzenia odpowiedzi na pytanie (teraz tak mi powiedziano) kod ASME B&PV ogranicza szybkość nagrzewania do 30 stopni celsjusza na godzinę. Normalne rośliny działają w temperaturze około 300 stopni Celsjusza. Zapewni to minimalną teoretyczną szybkość nagrzewania rośliny. Po drugie, gdy roślina zostanie wyzwolona, ​​zostanie znaleziona pierwsza przyczyna wyzwolenia i jej usunięcie. Do ogrzewania strony wtórnej potrzebna jest para, dla której uruchamiane są kotły pomocnicze. Wreszcie chemia wody wszystkich roślin zostaje przywrócona, a to wymaga czasu.