O que são bombas de refrigerante do reator?
Bombas de refrigerante do reator são instaladas em usinas nucleares. O objetivo de uma bomba de refrigerante do reator (RCP) é fornecer fluxo forçado de refrigerante primário para remover o calor (energia térmica) gerado pelo núcleo do reator durante o processo de fissão. Mesmo sem uma bomba, haveria fluxo de circulação natural através do reator devido à variação de temperatura, e consequentemente densidade, do refrigerante primário. No entanto, esse fluxo não é suficiente para remover o calor gerado quando o reator está em operação. O fluxo de circulação natural é suficiente para a remoção de calor quando a planta está desligada ou quando apenas o calor de decaimento está presente.
RCPs são acionadas por grandes motores elétricos refrigerados a ar, projetados para operação contínua. O motor é acoplado a um impulsor centrífugo de fluxo misto via uma série de eixos instalados em série (discutido mais adiante neste artigo).
É importante saber - uma 'bomba de refrigerante do reator' também é às vezes chamada de 'bomba de resfriamento do reator', embora esta seja uma definição incorreta.
Exemplo de Circulação Forçada e Natural (de uma caldeira de tubos de água)
O refrigerante do reator (refrigerante primário) entra no lado de sucção da bomba a partir da saída do gerador de vapor. A água tem sua velocidade aumentada pelo impulsor da bomba. Esse aumento de velocidade é então convertido em pressão na voluta de descarga. Uma usina de reator de água pressurizada (PWR) típica operará com o circuito de refrigerante primário a aproximadamente 155 bar (2248 psi).
Após o refrigerante sair do lado de descarga da bomba, ele entrará na entrada do vaso do reator através do tubo 'perna fria'. O refrigerante primário fluirá através dos conjuntos de combustível do reator para coletar calor; ele é então enviado de volta aos geradores de vapor através do tubo 'perna quente'. Uma usina de reator de água pressurizada (PWR) típica operará com uma temperatura de perna fria de aproximadamente 290°C (554°F) e uma temperatura de perna quente de aproximadamente 320°C (608°F).
É importante saber - uma 'perna fria' é um tubo que conecta uma RCP a um reator. Uma 'perna quente' conecta um reator a um gerador de vapor. Uma 'perna de transferência', ou 'tubo de transferência', conecta um gerador de vapor a uma RCP. As pernas frias e quentes são nomeadas devido à temperatura do refrigerante primário em cada perna.
Partes da Usina de Reator de Água Pressurizada
Projeto da Bomba de Refrigerante do Reator
Os motores das RCPs são do tipo gaiola de esquilo (motor de indução) e geralmente operam a aproximadamente 6kV ou 13kV, dependendo da tensão de alimentação. A velocidade de rotação (rpm) de uma RCP é ditada pela frequência de alimentação do motor, que é de 50Hz ou 60Hz, dependendo da localização geográfica. Uma RCP típica pode girar a aproximadamente 1.200 - 1.500 rpm e pesar mais de 100 toneladas.
Uma RCP típica de reator de água pressurizada operará a uma pressão de aproximadamente 155 bar (2248 psi) e em uma faixa de temperatura entre 290°C-320°C (554°F-608°F), mas esses fatores são ditados pelo sistema de refrigerante do reator.
A classificação de potência de um motor de RCP será tipicamente de 6.000 a 10.000 bhp (4,5 MW a 7,5 MW). A grande quantidade de energia é necessária para fornecer o fluxo necessário de refrigerante para a remoção de calor; RCPs podem atingir taxas de fluxo de 25.000 m3/hr (11.000 galões por minuto).
Quais são as principais partes de uma bomba de refrigerante do reator?
O modelo 3D interativo da saVRee representa uma bomba centrífuga de fluxo misto, estágio único, sucção única. As principais partes de uma RCP são indicadas abaixo.
Partes da Bomba de Refrigerante do Reator
Bocal de Sucção
O refrigerante primário é puxado para dentro da bomba através deste bocal; o refrigerante é puxado para dentro da bomba a partir da perna de transferência.
O refrigerante primário é descarregado da bomba através deste bocal; o refrigerante é descarregado na perna fria.
Impulsor
O impulsor é um impulsor centrífugo de fluxo misto. O termo 'fluxo misto' refere-se ao fluxo axial na base do impulsor e ao fluxo radial para fora do impulsor. Este tipo de impulsor é usado para taxas de fluxo médio a alto e pressões médias a altas; o design é semelhante ao de uma turbina Francis.
Eixo
O eixo transfere o movimento rotativo criado pelo motor elétrico para o impulsor; ele é mantido em alinhamento usando rolamentos. Devido ao comprimento do eixo, ele é dividido em várias partes, o acoplamento da metade da bomba, acoplamento da metade do motor e acoplamento espaçador; essas partes juntas são coloquialmente referidas como 'o eixo da bomba', embora isso seja tecnicamente incorreto, pois o eixo é composto por mais de uma peça.
Rolamento Guia
Cargas radiais exercidas pela bomba durante a operação são transferidas para rolamentos guia. Rolamentos hidrostáticos autoalinhantes são usados para manter o eixo verticalmente alinhado. A pressão de descarga do impulsor centrífugo atua sobre uma placa de equilíbrio do mancal, que garante que o alinhamento do mancal - e do eixo - esteja correto sempre que a bomba estiver em operação.
Conjunto de Vedação
O conjunto de vedação da bomba é geralmente a área da bomba que requer mais intervenções de manutenção, pois forma uma barreira de pressão dinâmica. É essencial que uma vedação confiável entre o lado hidráulico da bomba e o eixo principal seja mantida. Se a integridade da vedação for comprometida, ocorrerá um vazamento de refrigerante primário.
A vedação do eixo é realizada na parte superior da carcaça da bomba usando um cartucho de vedação removível que contém três vedações mecânicas instaladas em série. As molas de vedação mecânica pressionam as faces de carboneto de titânio e grafite estacionário juntas e garantem que as faces permaneçam alinhadas. O caminho de fluxo tortuoso da vedação inferior para a vedação superior garante pouco vazamento através do conjunto de vedação do eixo. Para garantir que as partes da vedação mecânica não falhem devido a altas temperaturas, é fornecido resfriamento da vedação. Abaixo do conjunto de vedação, um impulsor auxiliar é chaveado ao impulsor principal. O fluxo de água de vedação através do resfriador de vedação é fornecido pelo impulsor auxiliar.
É importante saber - as vedações do eixo têm vários designs diferentes e o descrito acima é apenas um desses tipos.
Difusor
Após o líquido ser descarregado do impulsor, ele flui através de um difusor. A forma do difusor faz com que a velocidade do líquido diminua e sua pressão aumente (princípio de Bernoulli); uma carcaça de voluta realiza a mesma função.
Motor Elétrico
Um motor elétrico é usado para girar o impulsor. Os motores das RCPs são motores de indução de gaiola de esquilo de corrente alternada com uma tensão de operação típica entre 6kV a 13,8 kV (dependendo do design).
Acoplamento Espaçador
O acoplamento espaçador é instalado entre o acoplamento da metade da bomba e o acoplamento da metade do motor; ele pode ser removido para dar ao pessoal acesso mais fácil à vedação do eixo e à barreira térmica.
Água de Resfriamento de Componentes (CCW)
O circuito de água de resfriamento de componentes (CCW) é alimentado para um trocador de calor integral e a barreira térmica da bomba. O CCW remove o calor dos internos da bomba para evitar superaquecimento. Tanto o trocador de calor integral (água do circuito primário resfriada / CCW), quanto o resfriador de CCW (CCW / circuito de água de resfriamento externo), usam trocadores de calor de casco e tubo.
O-Rings Metálicos
O-rings e vedações mecânicas são instalados em vários locais dentro da bomba para selar/fechar caminhos de fluxo não intencionais. Dois O-rings são instalados entre a carcaça da bomba e a tampa da carcaça. Se o O-ring interno falhar, a água de resfriamento quente fluirá por um caminho de drenagem para um sump de contenção. Sensores de temperatura instalados no caminho de drenagem alertam o pessoal sobre qualquer fluxo de vazamento de refrigerante.
Volante
Um volante é uma peça pesada em forma de disco, que suaviza vibrações. Ele faz isso armazenando energia rotacional e depois usando essa energia para resistir a mudanças na velocidade de rotação da máquina. A quantidade de energia armazenada no volante é a raiz quadrada de sua velocidade de rotação. Um volante de RCP também garante que a bomba continue a girar mesmo se o reator for desligado, proporcionando resfriamento adequado do reator mesmo quando não há energia elétrica disponível.
Trocador de Calor Externo
Um trocador de calor de casco e tubo externo transfere calor do circuito de água de resfriamento de componentes (CCW) para um dissipador de calor, por exemplo, torre de resfriamento.
Acoplamento da Metade do Motor
A parte inferior do acoplamento da metade do motor conecta-se ao acoplamento espaçador. O movimento rotativo do acoplamento da metade do motor é transferido para o acoplamento espaçador.
Acoplamento da Metade da Bomba
A parte superior do acoplamento da metade da bomba conecta-se ao acoplamento espaçador. O movimento rotativo do acoplamento espaçador é transferido para o acoplamento da metade da bomba.
Rolamento Radial Superior e Rolamento de Empuxo
O rolamento radial superior e o rolamento de empuxo estão localizados perto do topo do motor elétrico. Rolamentos radiais lidam com cargas radiais (cargas atuando perpendicularmente ao eixo da bomba), enquanto rolamentos de empuxo lidam com cargas axiais (cargas atuando paralelamente ao eixo da bomba).
Resfriador de Ar
O ar é resfriado em um resfriador de ar antes de ser entregue ao espaço entre a tampa da bomba e a carcaça do motor; o ar de resfriamento remove o calor residual.
Duto de Ar
O ar de resfriamento é transferido através de dutos de ar.
Rolamento Radial Inferior
O rolamento radial inferior acomoda cargas perpendiculares ao eixo do motor.
Impulsor Auxiliar
O impulsor auxiliar serve a dois propósitos principais: fornece pressão para o mancal de apoio autoalinhante e fornece uma pequena quantidade de fluxo para as vedações da bomba; o fluxo para as vedações da bomba é puxado através da barreira térmica.
Tubo de Coleta
Para fornecer um meio de determinar vazamento de vedação, um sistema de coleta de vedação é utilizado. Vazamentos além da terceira vedação mecânica são coletados em um tubo de coleta que envolve o eixo da bomba. Vazamentos no tubo de coleta são constantemente monitorados.
Bucha de Restrição
A bucha de restrição fornece uma restrição entre o fluido sendo bombeado pelo impulsor e a área da vedação mecânica, de modo que o fluxo seja reduzido ou controlado.
Recursos Adicionais
https://www.nuclear-power.net/reactor-coolant-pump
https://www.ksb.com/centrifugal-pump-lexicon/reactor-pump/191846