Was ist ein überkritischer Wasserreaktor – SCWR – Definition?

Überkritischer Wasserreaktor – SCWR

Der überkritische Wasserreaktor (SCWR) ist ein Konzept des Reaktors der Generation IV, der bei überkritischem Druck (dh über 22,1 MPa) betrieben wird. Der Begriff überkritisches in diesem Zusammenhang bezieht sich auf die thermodynamischen kritischen Punkt von Wasser (T _CR = 374 ° C; p _CR = 22,1 MPa), und darf nicht mit dem verwechselt werden Kritikalität des Reaktorkerns , die Veränderungen in der beschreibt Neutronenpopulation in der Reaktorkern .

Der überkritische Wasserreaktor kann je nach Kernauslegung als thermischer Reaktor oder als schneller Neutronenreaktor betrieben werden . Das Konzept des überkritischen Wasserreaktors kann auf klassischen Druckbehältern wie in handelsüblichen PWRs oder auf Druckrohren wie in CANDU-Reaktoren basieren. Das Druckbehälterdesign überkritischer Wasserreaktoren wird hauptsächlich in der EU, den USA, Japan, Korea und China entwickelt, während das Druckkanaldesign hauptsächlich in Kanada und Russland entwickelt wird. Die Konstruktion des Druckbehälters ermöglicht die Verwendung eines herkömmlichen Hochdruckkreislaufs. Die Konstruktion mit Druckkanälen ermöglicht die Hauptmerkmale der passiven Wärmeabfuhr nach Unfällen und Zerfall durch Strahlung und Konvektion aus den verteilten Kanälen, auch wenn keine aktive Kühlung und kein aktives Schmelzen des Brennstoffs erfolgt und die Verwendung von Mehrfachdurchlaufreaktorströmen das Wiedererhitzen und Überhitzen ermöglicht.

Sowohl für Druckbehälter- als auch für Druckrohrkonstruktionen wurde ein Durchlauf-Dampfkreislauf ins Auge gefasst, bei dem keine Kühlmittelrückführung im Reaktor erfolgt. Ähnlich wie in Siedewasserreaktoren wird Dampf direkt der Dampfturbine zugeführt und das Speisewasser aus dem Dampfkreislauf wird wieder dem Kern zugeführt.

Ebenso kann der überkritische Wasserreaktor leichtes Wasser oder schweres Wasser als Neutronenmoderator verwenden . Wie zu sehen ist, gibt es viele SCWR-Konstruktionen, aber alle SCWRs haben ein Schlüsselmerkmal, nämlich die Verwendung von Wasser jenseits des thermodynamischen kritischen Punkts als primäres Kühlmittel. Da mit dieser Funktion die Spitzentemperatur erhöht werden kann , gelten die überkritischen Wasserreaktoren aufgrund ihres hohen thermischen Wirkungsgrads (~ 45% gegenüber ~ 33% für aktuelle LWRs) als vielversprechende Weiterentwicklung für Kernkraftwerke .

Vorteile und Herausforderungen von SCWRs

Wie aus seinem Namen hervorgeht, ist das Hauptmerkmal des SCWR die Verwendung von Wasser jenseits des thermodynamischen kritischen Punkts (T _CR = 374 ° C; p _CR = 22,1 MPa) als primäres Kühlmittel. SCWR-Designs weisen einzigartige Merkmale auf, die im Vergleich zu aktuellen Leichtwasserreaktoren (LWRs) viele Vorteile bieten.

• Hoher thermischer Wirkungsgrad. Da SCWRs überkritischen Dampf bei Drücken und Temperaturen liefern, die viel höher sind als bei herkömmlichen LWRs, erreichen sie einen höheren thermodynamischen Wirkungsgrad des Kraftwerks (~ 45% gegenüber ~ 33% bei aktuellen LWRs).
• Niedrigerer Kühlmittelmassenstrom.  Die Reaktorkühlmittelströmungsrate von SCWR ist viel kleiner als die von BWR und PWR, da der Enthalpieanstieg im Kern viel größer ist , was zu Komponenten mit geringer Kapazität des Primärsystems führt. Dadurch werden die Kühlmittelpumpen, Rohre und andere unterstützende Geräte kleiner. Darüber hinaus sind die einzigen Pumpen, die das Kühlmittel unter normalen Betriebsbedingungen antreiben, die Speisewasserpumpen und die Kondensatabsaugpumpen.
• Die höhere Dampfenthalpie ermöglicht es, die Größe des Turbinensystems zu verringern und somit die Kapitalkosten der herkömmlichen Insel zu senken.
• Kleinerer Kühlmittelbestand. Der Kühlmittelbestand ist kleiner, was die Größe des Sicherheitsbehälters mit Druckunterdrückungspools verringert .
• Da überkritisches Wasser keinen Phasenwechsel erfährt und in einer einzigen thermodynamischen Phase vorliegt, kann die Siedekrise (dh Abweichung vom Keimen der Keime – DNB oder Austrocknung ) nicht auftreten .
• Bei einem direkten Kreislauf überkritischen Kühlmittels entfallen Komponenten wie Dampftrockner, Abscheider und Dampferzeuger vollständig, wodurch die Anzahl der Hauptkomponenten verringert und die damit verbundenen Kosten eliminiert werden.
• Viele der Komponenten (z. B. Turbinen) sind leicht zu entwickeln und aus überkritischen fossil befeuerten Kraftwerken erhältlich.

Die Kombination aus fortschrittlicher wassergekühlter Reaktortechnologie und fortschrittlicher überkritischer fossiler Technologie wird voraussichtlich zu einem Reaktorkonzept führen, mit dem Grundlaststrom sehr wirtschaftlich und effizient erzeugt werden kann. Diese Funktion macht das SCWR auch zu einem sehr attraktiven Konzept für Versorgungsunternehmen, insbesondere für diejenigen, die Erfahrung sowohl mit wassergekühlten Reaktoren als auch mit überkritischen fossilen Anlagen haben.

Andererseits müssen zahlreiche Herausforderungen gelöst werden, bevor die ersten Kraftwerke dieses Typs gebaut werden können:

• Die Verkleidungsmaterialien müssen höheren Temperaturen standhalten (600-650 ° C unter normalen Betriebsbedingungen) als in heutigen LWRs.
• Die Wärmeübertragungsphänomene von der Manteloberfläche in überkritische Flüssigkeiten müssen gründlich verstanden werden. Insbesondere bei Transienten mit Druckentlastung von überkritischen zu unterkritischen Bedingungen.
• Aufgrund des geringeren Kühlmittelbestands schreitet das Austrocknen des Kerns bei einem Kühlmittelverlustunfall (LOCA) schneller voran.

Eigenschaften von SCWRs

SCWRs arbeiten bei Drücken über dem kritischen Druck. Die Eigenschaften von Wasser im Reaktor ändern sich allmählich und kontinuierlich von denen, die wir normalerweise mit einer Flüssigkeit assoziieren (hohe Dichte, geringe Kompressibilität), zu denen eines Gases (niedrige Dichte, große Kompressibilität) ohne Phasenänderung . Es gibt keine Änderung der Wasserphase im Kern. Andererseits unterliegen physikalische Eigenschaften wie Dichte, spezifische Wärme und spezifische Enthalpie signifikanten Änderungen, insbesondere im Temperaturbereich des pseudokritischen Bereichs (für 25 MPa zwischen 372 ° C und 392 ° C). Beispielsweise,

• Die Dichte von überkritischem Wasser am Einlass und am Auslass beträgt etwa 777 kg / m ³ (für 25 MPa und 280 ° C) und 90 kg / m ³ (für 25 MPa und 500 ° C).
• Die spezifische Enthalpie von überkritischem Wasser am Einlass und am Auslass beträgt etwa 1230 kJ / kg (für 25 MPa und 280 ° C) und 3165 kJ / kg (für 25 MPa und 500 ° C).

Aus neutronischer Sicht ist die Dichte des Wassers der wichtigste Faktor. Es gibt eine signifikante Änderung des Neutronenspektrums , die sich mit der axialen Koordinate des Kerns ändert. Es wird durch die stärkere Mäßigung an Orten mit größerer Dichte verursacht. Aus diesem Grund ist eine Berechnung der gekoppelten Neutronik-Thermohydraulik unvermeidlich, um die Verteilung des Neutronenflusses innerhalb des Kerns zu erhalten. In jedem Kernreaktor besteht eine direkte Proportionalität zwischen dem Neutronenflussund der thermischen Leistung des Reaktors .

Da das Kühlmittel (Moderator) eine signifikante Änderung der Dichte erfährt, kann das SCWR auch als schneller Neutronenreaktor ausgelegt werden. Diese Eigenschaft hängt von bestimmten Reaktordesigns ab.