Технологии за водно охлаждане на ядрени реактори

За нуждите на енергетиката се изисква достъп до големи количества вода, главно за охлаждане. Охлаждането с парен кондензат е най-големият консуматор на вода в ядрените централи. В много ситуации, с оглед пестене на водни ресурси в предприятието, се разглеждат алтернативи като сухо или мокро/сухо охлаждане.

Обикновено ядрените централи използват охлаждаща вода по два начина - за отвеждане топлината от сърцевината на реактора към парните турбини и за отстраняване остатъчните количества топлина от парната система.

Ако централата е близо до море, езеро, голяма река или голям водоизточник, охлаждането може да се осъществява посредством рециркулационна система, свързана към водоизточника, използваща големи количества вода, които преминават еднократно през кондензаторите и се връщат обратно към водоизточника с няколко градуса по-висока температура и без особени загуби в количествата. Водата може да бъде солена или сладка.

Малък процент от нея (около 1%) по-късно се изпарява заради по-високата й температура.

Ако централата не разполага с такива количества вода, охлаждането може да се извърши с вода, минаваща през кондензаторите, след което постъпва във водоохладителна кула, където възходящата тяга на въздуха през водните капки ги охлажда.

В някои случаи може да се използва и обектов водоем. Обикновено охлаждането се осъществява основно чрез изпаряване, като топлината се отвежда във въздуха. Мокрите охладителни кули изпаряват до 5% от потока за охлаждане на циркулиращата вода, постъпваща обратно в кондензатора.

Ефективната консумация в случая е 3 до 5% и това количество трябва постоянно да се допълва. Това е основният тип циркулационно охлаждане. Набиращите все по-голяма популярност сухи охладителни кули охлаждат водата в затворена верига, която отвежда топлината в атмосферата посредством механичен радиатор.

Охлаждане с отворен цикъл

Инсталациите, разположени в крайбрежни райони, използват най-често охлаждане с отворен цикъл. При него охлаждащата вода се черпи от морето, изпомпва се през кондензатора на турбината и се връща обратно в морето.

Ядрените централи черпят голямо количество вода, предимно повърхностна, за различните потребности на отделните производства. Количествата използвана вода са особено големи за производства с охладителни системи с единично преминаване. За 1000 MW инсталация потокът през кондензатора може да достига 45-65 m3/s.

Разчетният дебит на охлаждаща вода обикновено се базира на максималното допустимо повишение на температурата на водата над нормалната й стойност (за да не повлияе това на морската флора и фауна), или на възможно най-високата температура на водата на изход според изчисленията на органите, контролиращи качеството на водата. Централите, разположени край реки или езера, обикновено са по-ограничени откъм наличност на охлаждаща вода при охлаждане с отворен цикъл.

На всяка система за охлаждане, ползваща вода от природата, се монтират механични филтри за отстраняване на отпадъци или морски обитатели (риби, миди и др). Поради това част от потока се използва за почистване и изплакване на самите филтри, за да подсигури годността им за работа и следователно тази част от потока не се използва за охлаждане.

Необходимостта от промивна вода за почистване на филтриращи устройства възлиза на приблизително 0,4% от цялостния поток. В някои случаи за опазване на околната среда, като например ограничаване температурата на връщащата се в реката вода, се предприема охлаждане на изходящата вода преди връщането й обратно в езерото, реката или водоема, използвайки за целта басейни за охлаждане или охладителни кули, последователно или едновременно.

Мокро охлаждане със затворен цикъл

В системата със затворен цикъл (рециркулационна система) охлаждащата вода се изпомпва от кондензатора и се изпраща към охладител, който отвежда топлината към атмосферата. След това охладената вече вода се изпраща обратно в кондензатора. Системите със затворен цикъл могат да използват мокро, сухо или смесено охлаждане.

В някои рециркулационни системи с мокро охлаждане, вместо охлаждащи кули за крайно отвеждане на топлина от парния кондензатор към атмосферата, се използват охлаждащи басейни. Тези басейни са или естествени, или са изкуствено създадени. Отделянето на топлина към атмосферата става посредством лъчение, конвекция и изпаряване на водата от повърхността на басейна.

За това се изисква голяма повърхност, която да улесни топлообменния процес, като в някои проекти е заложено и пръскателно оборудване, което увеличава ефективната повърхност за топлообмен, генерирайки водни капки. Ползването на пръскателно оборудване позволява намаляване на изпарителната повърхност на охлаждащите басейни с до около 5%, но те все още заемат около 10-20% повече място от мокрите охладителни кули.

Топлообменът основно зависи от топографията на местността, влажността на въздуха, слънчевото лъчение и скоростта на вятъра. Водната повърхност за топлообмен в някои инсталации варира от 1500 до 3500 m2/MW с обем от близо 10 km3 на 1000 MW, разчетено при температурно повишение от 1о C в най-неблагоприятното време в годината. Студената вода се изпомпва от водоема, минава през кондензатора и се връща в езерото за разсейване на топлината. Предвидена е и добавъчна вода към водоема от реката, за да се компенсират загубите при изпаряване, продувка и течове в системата.

Мокрите охладителни кули редуцират общото количество използвана вода от природни източници с близо 95%, сравнено с охлаждането с единично преминаване. Въпреки че ползването на вода е дотолкова намалено, използваните количества все още са високи, до 1 m3/s за инсталация от 1000 MW. С оглед на това, ядрените централи трябва да са ситуирани до водоизточници.

В мокрите охладителни кули водата минава по каскади през охладителната кула и влиза в контакт с въздуха, който се въвежда в кулата посредством вентилатори за принудителна тяга или по естествен път. Когато водата минава през кулата, тя отдава топлината си към въздуха посредством конвекция и главно чрез изпарение. Охладената вода се събира в дъното на кулата и се изпомпва обратно в кондензатора за повторна употреба.

Изпарението в мократа охладителна кула зависи от местните атмосферни условия, относителната влажност на въздуха и температурата на сухия термометър (температурата на сухия въздух, измерена с обикновен термометър). Топлообменният капацитет на мократа охладителна кула, директно отнесен към изпарението, се увеличава с намаляването на относителната влажност при дадена температура на сухия термометър.

Водата, която се изпарява от кулата, е чиста. Това означава, че тя не съдържа никакви минерали, които се разтварят в охлаждащата вода. Изпарението концентрира количествата разтворени минерали в остатъка от водата в кулата. Ако нямаше ограничения, лимитът на разтворимост на минерали щеше да бъде достигнат много бързо. При достигане границата на разтворимост, разтворените минерали (най-често калциеви и магнезиеви соли) се отделят като неразтворим остатък или утайка.

Сухо охлаждане със затворен цикъл

Необходимостта от охлаждаща вода на централата може да е в разрез с изискванията, касаещи селското стопанство, промишлеността, населените места и околната среда. За да се намали консумацията на вода в топлоелектрическите централи, изпарителните мокри охладителни кули със затворен цикъл се заменят от сухи охладителни кули, където за охлаждане се използва само въздух.

Сухите охлаждащи системи обаче са по-скъпи в сравнение с мокрите и използването им може да понижи ефективността на инсталацията и да ограничи производителността й по време на най-горещите часове в годината. Спаданията в мощността с няколко мегавата поради повишено обратно налягане на турбината могат да доведат както до възможни проблеми в надеждността на системата, така и до големи финансови загуби за собствениците на инсталацията.

Сухите охлаждащи системи се разделят на директни и индиректни. В директните сухи охладителни системи изпусканата от турбината пара се подава директно на кондензатор с въздушно охлаждане. С помощта на насочена струя въздух, парата кондензира в тръбите на кондензатора, които са оребрени от страната на подавания въздух. Индиректните сухи охладителни системи имат отделен повърхностен конвенционален кожухотръбен кондензатор.

Изходящите количества пара от турбината кондензират посредством водата, която циркулира в междутръбното пространство на кондензатора. Водата, циркулираща през тръбите на кондензатора, бива охлаждана посредством въздух, насочен срещу оребрените тръби на топлообменниците. Индиректните сухи охладителни системи използват междинна верига между кондензатора и околната среда, което намалява ефективността, но дава повече контрол на оператора, отговарящ за процеса.

Така с бързи корекции се постигат оптимални количества конденз и обратно налягане в генератора, контролирайки потока в междинната верига, което прави индиректното сухо охлаждане по-подходящо за по-мащабни производства. Поради намаленото топлинно КПД обаче, тези системи са дори още по-скъпи.

Хибридно охлаждане със затворен цикъл

Смесените (сухи и мокри) охладителни системи са разработени, за да пестят вода в засушливи региони, като се избягват големите разходи за изграждането на сухи охладителни системи и се подсигуряват ниски температури на технологичните течности, където това е необходимо. Системата се използва за поддържане мощността на турбината близо до проектните нива, дори и при пикови атмосферни температури през летните месеци.

Има много начини работата на въздушно охлажданите кондензатори да се поддържа с минимално количество вода в тези кратки периоди в годината, когато и атмосферните температури, и енергийните нужди са високи.

Обикновено за целта се използват хибридни системи (т. е. единични охладителни кули с мокри и сухи дялове) или самостоятелни суха и мокра охладителни кули, където топлината се отвежда от две отделни охладителни системи. Сухата система разсейва по-голямата част или цялата топлина от кондензатора по времето на не толкова горещите летни месеци.

Мократа система разсейва част от топлината по време на пиковите летни месеци, когато производителността на сухата система е ограничена. Тези хибридни системи със сухи и мокри охладители могат да бъдат проектирани по много различни начини.

Намаляване използването на вода в охладителните системи

За помпите в различните охладителни системи, използващи едностранни потоци, за да намалят количествата използвана вода, могат да се използват вариатори. Изискването за охлаждаща вода ще бъде по-малко при операции с частично натоварване, както и при операции по спиране на системата, когато има само топлина от радиоактивно разпадане.

При тези условия на ниско потребление на вода, вариаторите ще намалят работната мощност на помпите. Вследствие на това работният капацитет на помпите може да бъде намален само до необходимия такъв, което ще редуцира и потреблението на вода в условията на частично натоварване.

Охлаждащият ефект зависи от разликата от температурите на мокрия термометър, на въздуха, който постъпва, и на този, който излиза от кулата. Ядрените централи, които имат постоянни топлинни натоварвания през цялата година, може да се наложи да използват охладителните си кули до предела на разчетната им мощност. През зимата, поради по-ниските температури на мокрия термометър, кулите могат да работят с редуцирани количества вода или въздух.

Вариаторите, управляващи вентилаторите на охлаждащите кули, са един от начините за пестене на вода и енергия. Изпаряваните количества могат да бъдат оптимизирани спрямо променящите се нужди от охлаждане или температурните амплитуди през сезона, ако операторът има възможност да управлява количествата преминаващ въздух. Друг вариант е използването на модулна система, позволяваща спиране на определен модул от кулата, когато няма необходимост от него.