Obiegi wodne
Woda w reaktorze jądrowym pełni nie tylko rolę moderatora i reflektora, ale również służy do odbioru energii cieplnej z rdzenia.
Woda w reaktorach wodnych ciśnieniowych (PWR) podgrzewana jest w rdzeniu do temperatury ponad 300 ºC, ale ciągle jest w stanie ciekłym dzięki wysokiemu ciśnieniu. Woda ta krąży w zamkniętym obiegu zwanym obiegiem pierwotnym, do którego, oprócz zbiornika z reaktorem, należą również stabilizator ciśnienia, wytwornica pary oraz pompa cyrkulacyjna. Te urządzenia połączone między sobą rurociągami o wysokiej wytrzymałości tworzą tzw. pętlę. W zależności od producenta, z reaktorem może być połączonych od 2 do 6 pętli.
Stabilizator ciśnienia
Stabilizator ciśnienia służy do zniwelowania wahań ciśnienia w całym obiegu. Ma postać zbiornika w kształcie cylindra. Wypełniony jest częściowo wrzącą wodą, a częściowo parą wodną. W dolnej części, gdzie zbiera się woda zainstalowane są grzałki o mocy około 1,5 MW do jej podgrzewania.
Z kolei w górnej części, gdzie znajduje się para wodna, umieszczony jest zespół wtrysku wody, który służy do skraplania pary, co powoduje spadek ciśnienia w całym obiegu. W przypadku, gdy w obiegu rośnie temperatura, wzrasta również ciśnienie pary w stabilizatorze. Aby je obniżyć uruchamiane są spryskiwacze, które schładzają parę. Para zaczyna skraplać się, co powoduje zmniejszenie ciśnienia. W przeciwnym wypadku (gdy temperatura w obiegu jest niska, ponieważ wzrasta obciążenie bloku), uruchamia się grzałki, dzięki którym woda jest podgrzewana. Zwiększenie wrzenia wody powoduje powstawanie większej ilości pary wodnej. W efekcie uzyskuje się większe ciśnienie w obiegu.
Ogólnie działanie stabilizatora można porównać do wypełnionego gorącą wodą garnka. Jeżeli chcemy uzyskać większą ilość pary, wówczas włączamy grzałkę na najwyższy poziom i przykrywamy go. Gdy chcemy zmniejszyć parowanie, zmniejszamy „moc” palnika i zabieramy przykrywkę.
Wytwornica pary
Wymiennikiem ciepła między pierwotnym a wtórnym obiegiem chłodzenia jest wytwornica pary. Jest to duży cylindryczny zbiornik, w którym woda obiegu pierwotnego oddaje ciepło wodzie obiegu wtórnego. W wytwornicy pary znajdują się tysiące rurek w kształcie litery U (tzw. U-rurek), do których dopływa rurociągiem gorąca (ok. 330°C) woda z reaktora. Rurki zanurzone są w wodzie obiegu wtórnego, wypełniającej do pewnej wysokości zbiornik wytwornicy. Woda obiegu wtórnego odbiera ciepło od rurek, wrze, czyli zamienia się w parę, która posłuży do produkcji energii elektrycznej. Wody z obiegu pierwotnego i wtórnego są oddzielone od siebie szczelnymi ściankami U-rurek i nie mieszają się ze sobą. Po oddaniu ciepła do wody obiegu wtórnego, woda obiegu pierwotnego wraca do reaktora.
Pompy cyrkulacyjne zapewniają stały przepływ wody między wytwornicą pary a reaktorem. Do wody przepływającej przez wirnik pompy przekazywana jest dodatkowa energia, niezbędna do pokonania oporów przepływu.
Maszynownia
Wkraczamy do budynku maszynowni, gdzie znajduje się tzw. turbozespół złożony z turbiny i generatora prądu. Zarówno w elektrowniach jądrowych, jak i konwencjonalnych, gdzie spala się węgiel, ta część wyposażenia siłowni wygląda tak samo. Stąd też używa się pojęcia „wyspa konwencjonalna”, aby określić wszystkie ważne dla elektrowni elementy, niezbędne do produkcji energii elektrycznej, a niezwiązane bezpośrednio z reaktorem jądrowym. Tym określeniem podkreśla się także ich „zwyczajność”, co jest ważne, gdy planuje się odpowiednie strefy, w których może przebywać personel bez narażenia na promieniowanie jonizujące.
W wytwornicy pary powstaje para wodna. W pierwotnym obiegu chłodzenia mamy do czynienia z gorącą wodą, która krąży między reaktorem a wymiennikami ciepła. Mamy również tzw. wtórny obieg chłodzenia, gdzie występuje woda zarówno w stanie ciekłym, jak i gazowym. Należy pamiętać, że woda z obiegu pierwotnego nie miesza się z wodą obiegu wtórnego, ponieważ jest od niej oddzielona ściankami U-rurek. Jedynie energia cieplna jest transportowana pomiędzy tymi dwoma obiegami. W drugim obiegu wody, który należy do „wyspy konwencjonalnej”, powstaje para wodna. Najpierw jednak do wymiennika ciepła wpływa woda pod ciśnieniem ok. 6 MPa i o temperaturze ok. 220 ºC. W wymienniku przejmuje ona ciepło, podgrzewając się aż do 280 ºC i zmienia swój stan skupienia na gazowy.
Turbina
W kolejnym etapie para wodna trafia do turbiny. Zbudowana jest ona zazwyczaj z kilku części, tzw. stopni, w zależności od ciśnienia gazu, który przez nią przepływa. Dzięki turbinie możliwa jest zamiana energii cieplnej na energię mechaniczną. Stopień turbiny składa się najczęściej z wieńca nieruchomych łopatek kierowniczych oraz wieńca łopatek wirnikowych przytwierdzonych do obracającego się wału. Każda łopatka, to cienka blaszka wygięta w łezkowaty sposób. W nieruchomej części turbiny entalpia pary, czyli w dużym uproszczeniu jej ciepło, zamieniane jest na energię kinetyczną. Następnie w części wirnikowej na łopatkach ta energia przekształca się w energię mechaniczną, dzięki czemu wał może się obracać. Opuszczając ostatni stopień turbiny para wodna ma niskie ciśnienie i temperaturę rzędu kilkudziesięciu stopni.
Skraplacz
Po opuszczeniu ostatniego stopnia turbiny para powinna zostać skroplona, aby mogła być ponownie użyta w wytwornicy pary. Do tego niezbędny jest skraplacz. Ciśnienie pary w tym urządzeniu jest bardzo niskie, tzw. „próżnia w skraplaczu”. Aby doprowadzić do kondensacji pary, czyli jej skroplenia, należy szybko odebrać ciepło. Proces ten realizowany jest dzięki wymiennikom ciepła – rurkom wypełniającym przestrzeń skraplacza. Para wodna omywa chłodne rurki i się na nich skrapla. Wewnątrz rurek przepływa woda z tzw. trzeciego obiegu, który można nazwać obiegiem otwartym lub obiegiem wody chłodzącej, ponieważ woda chłodząca, w zależności od umiejscowienia geograficznego elektrowni, może być pobierana z rzek, jezior czy morza lub krążyć w obiegu zamkniętym i schładzać się w chłodni kominowej. Należy mieć jednak na uwadze, że również i w tym przypadku wymienniki ciepła, a dokładnie ścianki rurek, „przepuszczają” energię, ale nigdy materię.
Generator prądu
Wspomniany wcześniej wał jest długim, sztywnym walcem łączącym turbinę z generatorem prądu. Głównymi elementami prądnicy jest wirnik lub rotor połączony z obracającym się wałem, a także stojan zamontowany na obudowie. Generator prądu wydaje się skomplikowanym urządzeniem, jednak jego zasada działania jest bardzo prosta. W polu magnetycznym, wytworzonym np. przez elektromagnesy, podczas poruszania przewodnikiem indukuje się w nim napięcie i zaczyna płynąć prąd. W generatorze uzwojenie wirnika, zasilane prądem stałym, tworzy silny strumień magnetyczny, który obracając się, indukuje w uzwojeniu stojana napięcie. Wał obraca się z prędkością 3000 obrotów/min.
Chłodnia kominowa
Woda przeznaczona do chłodzenia ze skraplacza jest pompowana do chłodni kominowej na szczyt zraszalnika i tam rozdeszczowana w jego wnętrzu po powierzchni. Opadając, oddaje ciepło do powietrza przepływającego od dołu do góry (w przeciwprądzie). Ruch powietrza wymuszony jest przez ciąg kominowy powstający w kominie nadbudowanym nad zraszalnikiem. Znaczna część ciepła jest odbierana wodzie w wyniku parowania (odparowaniu ulega około 1,5% wody). Pozwala to na ochłodzenie wody w krańcowym przypadku do temperatury termometru wilgotnego, przeważnie temperatura schłodzonej wody jest o kilka do kilkunastu stopni wyższa niż temperatura powietrza zewnętrznego.
Ochłodzona woda zbiera się w basenie zbiorczym na dnie chłodni, skąd zasysana jest przez pompy obiegowe. Woda krąży w systemie zamkniętym, stanowiąc czynnik chłodzący skraplacze.
Dzięki dużej wysokości chłodni kominowych i podgrzewaniu powietrza w ich wnętrzu powstaje efekt kominowy, wymuszający przepływ powietrza od dołu do góry chłodni bez zastosowania wentylatorów.
