Reaktor ciężkowodny ciśnieniowy (PHWR) – CANDU

Cechy charakterystyczne

W reaktorach CANDU rolę chłodziwa i moderatora pełni ciężka woda. Ciężka woda pozwala zastosować uran naturalny jako paliwo. Jest to korzystne dla krajów, które chcą uniknąć budowy bardzo kosztownych instalacji wzbogacania uranu, a dysponują własnymi instalacjami i opanowaną technologią produkcji ciężkiej wody.

Reaktory CANDU posiadają poziome rury ciśnieniowe, w których umieszczane są pręty paliwowe. Przechodzą one przez niskociśnieniowy zbiornik stalowy zwany kalandrią, kilkukrotnie większy niż zbiornik w reaktorach lekkowodnych, wypełniony ciężką wodą przy stosunkowo niskim ciśnieniu i temperaturze. Duże wymiary rdzenia są spowodowane zastosowaniem ciężkiej wody jako moderatora – do spowolnienia neutronu rozszczepieniowego do energii termicznej potrzeba większej ilości ciężkiej niż lekkiej wody. Wymusza to również konstrukcję kanałowego systemu chłodzenia paliwa, gdyż zbiornik ciśnieniowy o takich wymiarach byłby niezwykle ciężki, kosztowny i trudny w transporcie na miejsce budowy elektrowni.

Stosowane paliwo jest w postaci pastylek ceramicznych z naturalnego UO₂, umieszczane w prętach paliwowych podobnie jak w reaktorach PWR i BWR. Pręty te są łączone w wiązki po kilkadziesiąt sztuk i są znacznie krótsze niż zestawy paliwowe w reaktorach lekkowodnych, ich długość nie przekracza zwykle 50 cm. Podczas pracy reaktora są one stopniowo wsuwane coraz głębiej z obu powierzchni czołowych zbiornika naprzemiennie, w celu wyrównania nierównomierności w wypalaniu paliwa. Usuwane są zaś z przeciwnych końców kanałów po drugiej stronie rdzenia za pomocą robotów. Reaktory te mogą mieć przeprowadzane przeładunki paliwa w trybie pracy ciągłej, średnio codziennie wymienia się 15 wiązek paliwa.

Reaktor CANDU pozwala na zastosowanie różnego rodzaju paliwa w różnych kanałach, dlatego możliwe jest stosowanie jako paliwa wyżej wspomnianego uranu naturalnego, ale również i toru, zużytego paliwa z reaktorów lekkowodnych oraz produktów ubocznych z zakładów wzbogacających uran.  Reaktory te mają możliwość produkcji plutonu o wojskowej jakości oraz trytu. Pluton można uzyskać dzięki wyładowaniom paliwa podczas eksploatacji reaktora, natomiast tryt tworzy się w trakcie bombardowania  neutronami deuteru, który jest składnikiem ciężkiej wody.

Niskie ciśnienie panujące w reaktorze i temperatura moderatora nie przekraczająca 100 ^oC powodują, że CANDU nadają się do produkcji izotopów promieniotwórczych.

Obieg termodynamiczny zrealizowany jest identycznie jak w reaktorze PWR. Ciepło pobierane przez chłodziwo pierwotne oddawane jest w wytwornicy pary wodzie obiegu wtórnego, która zamienia się w parę nasyconą o ciśnieniu 4,7 MPa i temperaturze rzędu 280 ^oC przy stopniu zawilgocenia 0,25%. Sprawność takiej elektrowni nie przekracza 32%.

Bezpieczeństwo

Reaktory CANDU uważane są za najbezpieczniejsze na świecie. Poza redundancją i biernymi systemami dbającymi o ich poprawną pracę, które można  spotkać w reaktorach każdego typu, CANDU wyróżniają się przede wszystkim:

• setkami rur ciśnieniowych umieszczonych w zbiorniku reaktora powodujących, że można bez problemu zlokalizować utratę chłodziwa, tzw. LOCA (Loss of Coolant Accident) w jego niewielkim obszarze, co za tym idzie – zminimalizować skutki tej poważnej awarii do niewielkiej strefy. Co więcej dwa obiegi na pętlę (w CANDU zwykle stosowane są dwie pętle) powodują, że z pracy wyłączona jest tylko ¼ reaktora,
• niskociśnieniowym i niskotemperaturowym moderatorem, który zawarty w dużej objętości między rurami ciśnieniowymi może z powodzeniem odbierać ciepło minimalizując ryzyko stopienia rdzenia,
• moderatorem zapewniającym niskociśnieniowe środowisko pracy dla prętów regulacyjnych, całkowicie eliminując ryzyko ich „wystrzelenia”, często rozważane w analizach bezpieczeństwa reaktorów PWR,
• przeładunkami paliwa w trakcie pracy reaktora, pozwalającymi na wykrywanie uszkodzonego paliwa i usunięcie go z rdzenia, niwelując do minimum skażenie rurociągów obiegu pierwotnego i upraszczając eksploatację.

Poważną wadą reaktorów CANDU jest fakt, iż po ok. 30 latach eksploatacji wymagają one kapitalnego remontu, co podnosi koszty ich utrzymania i konserwacji. Remont ten spowodowany jest koniecznością ulepszenia systemów bezpieczeństwa, potwierdzeniem zdatności użytkowej elektrowni, a przede wszystkim – wymianą poziomych rur ciśnieniowych.