1.3.1 Werkingsprincipe
Een nucleaire productie-eenheid bestaat uit een nucleair deel en een conventioneel deel. Elektriciteit wordt geproduceerd door gebruik te maken van de warmte die in de reactorkern vrijkomt door de splijting van uranium licht verrijkt in 235U (tussen 3 en 5%), dat de splijtstof vormt. Deze warmte wordt gebruikt om het water te verwarmen dat onder druk in het primaire circuit wordt gehouden. In stoomgeneratoren stroomt het water van het primaire circuit door duizenden afgesloten buizen en geeft het zijn warmte af aan het water in het secundaire circuit. Het water in het secundaire circuit wordt omgezet in stoom onder hoge druk die gebruikt wordt om een turbine met hoge snelheid aan te drijven, die een alternator aandrijft die elektriciteit produceert. Aan de uitgang van de turbine wordt de stoom in de condensor weer omgezet in water en vervolgens teruggestuurd naar de stoomgenerator voor een nieuwe cyclus. Het proces van elektriciteitsopwekking wordt geïllustreerd in Figuur 1-5.
Figuur 1-5 Schema van een kerncentrale
1.3.2 Nucleair deel
De reactoren van KCD zijn van het type “Pressurized Water Reactor” (PWR). De reactorgebouwen hebben elk een dubbel insluitingssysteem. De ringvormige ruimte tussen de twee behuizingen is in onderdruk om lekkage naar de omgeving te voorkomen.
De splijtstof is in de vorm van uraanoxidepellets, cilindrisch in de vorm van ongeveer 8 tot 9 mm in diameter en 15 mm hoog. De splijtstofpellets worden gestapeld in gesloten buizen van ongeveer 4 m hoog: de combinatie van de pellets en de buis wordt meestal de splijtstofstaaf genoemd. Splijtstofstaven worden in verschillende bundels geassembleerd tot een metalen structuur die een zogenaamd
splijtstofelement vormt (zie Figuur 1-6). Het is in deze vorm dat de splijtstof op de site wordt geleverd en gebruikt.
Figuur 1-6 Splijtstofelement
Het deel waar de kernsplijtingsreactie plaatsvindt, wordt de kern genoemd; het is de set
splijtstofelementen die uranium bevat. De splijtstofelementen worden in een welbepaalde volgorde in het reactorvat geplaatst (stalen vat gevuld met water). De splijtstofelementen blijven daar ongeveer 48 maanden. Een kwart van de splijtstof wordt ongeveer om de 12 maanden uit de reactor verwijderd en vervangen door splijtstofelementen met daarin nieuwe splijtstof. De verbruikte splijtstofelementen van KCD-1 en KCD-2 worden opgeslagen in het splijtstofbekken in het gebouw voor nucleaire diensten (GNH). Wanneer de verbruikte splijtstofelementen voldoende zijn gekoeld, worden deze overgebracht naar het SCG.
Dit type assemblage maakt het mogelijk de thermische energie die vrijkomt door de splijting over te dragen op het water in het primaire circuit, zonder dat de splijtingsproducten de afgedichte
splijtstofstaven verlaten.
De kernsplijtingskettingreactie brengt de splijtstofelementen op hoge temperatuur (ongeveer 900°C). De warmte uit de reactorkern wordt overgebracht naar het water3 dat in een gesloten en afgesloten circuit circuleert. Dit eerste circuit wordt het primaire circuit genoemd. Het water in dit circuit bereikt een gemiddelde temperatuur van 300°C. In een drukwaterreactor wordt het water onder druk gehouden door middel van een drukregelaar, die voorkomt dat het water kookt. Primaire pompen worden gebruikt om drukverliezen in het circuit te compenseren.
Het warme water in het primaire circuit brengt op zijn beurt de warmte over naar een tweede gesloten circuit, het secundaire circuit. Beide zijn hermetisch afgesloten van elkaar. De warmte-uitwisseling vindt plaats in een stoomgenerator, een grote cilindrische warmtewisselaar bestaande uit duizenden buizen. De eenheden KCD-3 en KCD-4 hebben drie lussen, elk uitgerust met een stoomgenerator en een primaire pomp, maar slechts één drukregelaar voor het volledige primaire circuit. De eenheden KCD-1 en KCD-2 hebben slechts 2 lussen.
3 Water met toegevoegd boorzuur, dat het proces matigt (vertraagt) en overtollige neutronen absorbeert om de kettingreactie te controleren.
Splijtstofelement (onder) en splijtstofpellet (rechtsboven)
De werking van een kernreactor wordt nauwkeurig gecontroleerd. Om de reactor te starten, te stoppen, te bedienen op verschillende vermogensniveaus, werken de operatoren in op de intensiteit van de
kettingreactie door middel van controlestaven die gemaakt zijn van materialen die neutronen kunnen absorberen. Het inbrengen van deze staven in de reactorkern zorgt ervoor dat de neutronen worden geabsorbeerd en zodus neemt het aantal kettingreacties af. In het geval van een onverwachte situatie vallen deze zelfde staven automatisch in de kern, waardoor de kettingreactie in minder dan 2 seconden wordt gestopt. De staven worden dus gebruikt voor snelle variaties in reactorvermogen. Bovendien wordt aan het kernwater een in water oplosbare neutronenabsorber, boor, toegevoegd om de intensiteit van de splijtingsreactie te regelen; de boorconcentratie wordt dagelijks aangepast.
1.3.3 Conventioneel deel
Het water in het primaire circuit geeft zijn warmte af aan het water dat in het secundaire circuit circuleert.
Er is dus geen vloeistofuitwisseling, maar alleen warmte-uitwisseling, die plaatsvindt in de stoomgenerator. Wanneer het water in contact komt met de buizen van het primaire circuit van de stoomgenerator, wordt het water in het secundaire circuit warm en verandert het in stoom. De
geproduceerde stoom drijft een turbine aan: de calorische energie wordt omgezet in kinetische energie.
Elke turbine bestaat uit een hogedruklichaam en twee lagedruklichamen. Een alternator, gekoppeld aan elke turbine, zet de kinetische energie uiteindelijk om in elektriciteit, die naar het hoogspanningsnet wordt gestuurd, zie Figuur 1-5.
De door de turbine gebruikte stoom wordt gekoeld in de condensor, waar hij na contact met duizenden buizen weer wordt omgezet in vloeibaar water. In de buizen circuleert het water van een derde circuit, het tertiaire circuit of koelcircuit genaamd, dat wordt gevoed door water uit de Schelde. Het water in het secundaire circuit kan dan worden teruggestuurd naar de stoomgenerator om opnieuw te worden verwarmd in de stoomtoestand en de cyclus voort te zetten.
Net als de grote conventionele thermische centrales gebruiken de eenheden KCD-3 en KCD-4 koeltorens, om de temperatuur van het koelwater te verlagen door natuurlijke luchtcirculatie. Het verwarmde water wordt aan de voet van de toren verspreid in de vorm van druppels en wordt gekoeld door de opstijgende luchtstroom. Het grootste deel van dit water keert terug naar de condensor, terwijl de rest in de rivier wordt geloosd, waarbij slechts een klein deel, ongeveer 2%, in de atmosfeer verdampt: dit is de
condensatiepluim die de toren verlaat. De condensorkoeling van de eenheden KCD-1 en KCD-2 gebeurt door rechtstreekse doorstroming. In de loop der jaren werd de mogelijkheid gecreëerd om ook dit koelwater, in functie van behoefte, over de koeltorens te sturen.
Veel kringen en bijgebouwen maken ook de werking van de energiecentrales mogelijk, zoals:
conventionele hulpdieselketels voor de stoomproductie bij het opstarten van de eenheid of als back-up bij het niet beschikbaar zijn van stoomtrafo's op nucleaire installaties;
nooddieselmotoren in verband met nucleaire veiligheid en de bijbehorende tanks;
stationaire batterijen;
transformatoren die de geproduceerde elektriciteit naar het hoogspanningsnet sturen.