Rdzeń reaktora PWR

Kaseta paliwowa reaktora PWR
Około 200 kaset (zestawów) paliwowych tworzy rdzeń reaktora

  • Rdzeń składa się z wielu prętów paliwowych  zgrupowanych w zestawach 15x15, 16x16 lub 17x17 prętów.
  • Siatki dystansujące chronią pręty w zestawach przed wyginaniem.
  • Rdzeń reaktora o mocy elektrycznej 1000 MW zawiera ok. 200 zestawów. Jego wymiary  to ok. 3,5-5 m wysokości i 3-3,5 m średnicy.
  • Ciepło, wytworzone w prętach paliwowych wskutek reakcji rozszczepienia, jest odbierane przez wodę przepływającą przez rdzeń od dołu ku górze.
  • Część zestawów zawiera wsuwane od góry pręty regulacyjne, z materiałami silnie pochłaniającymi neutrony, jak bor czy kadm. Służą do sterowania mocą i wygaszania reaktora.

Na przykład reaktor EPR (reaktor PWR III generacji) ma 17x17 prętów w zestawie, z czego 265 to pręty paliwowe, a 24 regulacyjne. UO2 w zestawie EPR waży ok. 600 kg, a rdzeń składa się z 238 zestawów. Wysokość prętów wynosi 4,8 m, a średnica rdzenia reaktora 3,8 m.

Wokół rdzenia są umieszczone komory jonizacyjne służące do pomiarów strumieni neutronów, Wewnątrz kaset paliwowych znajdują się czujniki, służące do kontrolowania temperatur, ciśnień i rozkładów strumienia neutronów. Wyniki tych pomiarów są potrzebne do sterowania mocą reaktora.

Pastylka, pręt i zestaw paliwowy
Pręt paliwowy to szczelnie zamknięta, cienkościenna rurka z pastylkami paliwowymi w środku. Dla łatwiejszego manipulowania paliwem pręty są umieszczane w zestawach

  • W reaktorach PWR paliwem jest najczęściej UO2 wzbogacony do 2-5% i sprasowany w pastylki paliwowe,
  • Pastylki są umieszczane w koszulkach, tworząc  pręty paliwowe, grupowane w zestawach paliwowych.
  • Wysokość pastylki paliwowej to ok. 15 mm, średnica – 9 mm. Pręta paliwowego odpowiednio: 3,5 m i 11 mm.
  • 230 pastylek mieści się w pręcie, 250 prętów wchodzi w skład zestawu, a ok. 200 zestawów tworzy rdzeń reaktora.

Koszulka to szczelnie zamknięta, cienkościenna rurka z materiału odpornego na bardzo wysokie temperatury i słabo pochłaniającego neutrony. Najczęściej koszulki są wykonywane z zircaloyu - stopu cyrkonowego z domieszkami ok. 1,5–2,5% cyny oraz niewielkimi dodatkami niklu, chromu, niobu i żelaza.

Lekka woda, w której zanurzony jest rdzeń, spełnia potrójną rolę: chłodziwa, moderatora i reflektora, czyli odbiera ciepło z rdzenia, spowalnia neutrony i odbija do wnętrza reaktora neutrony, ktore chcą uciec na zewnątrz. Neutrony są przez wodę spowalnianie do prędkości termicznych o energiach do ok. 0,1 eV, a więc reaktor PWR jest lekkowodnym reaktorem termicznym.

Woda jest doskonałym chłodziwem - tanim, bezpiecznym, o bardzo dobrze znanych właściwościach termodynamicznych i fizycznych, a jednocześnie jest dobrym moderatorem. Spowalnia skutecznie neutrony, ale ze względu na ich znaczne pochłanianie przez wodór, narzuca konieczność użycia jako paliwa uranu lekko wzbogaconego (3...5% U235), gdyż przy użyciu uranu naturalnego nie osiągnęłoby się stanu krytycznego.

Poważną wadą wody jest silne oddziaływanie korozyjne, szczególnie w wysokich temperaturach.

Kaseta paliwowa reaktora PWR
Pastylka, pręt i zestaw paliwowy