Trocador de calor usina nuclear

Tipos de usinas nucleares com trocadores de calor

Trocadores de calor são componentes essenciais de usinas nucleares.

• Gerador de vapor:

  Os geradores de vapor (SGs) funcionam muito como usinas nucleares com trocadores de calor. A principal diferença é que eles transferem o calor proveniente das barras de combustível radioativo para um sistema secundário de água, o que o faz evaporar e produzir vapor. Este último irá girar as turbinas conectadas aos geradores, produzindo eletricidade.

• Gerador de vapor de tubo em U:

  Um gerador de vapor de tubo em U é um tipo específico de gerador de vapor ou trocador de calor que possui um tubo em forma de U invertido vertical. Ele também é usado em reatores de água pressurizada e funciona de forma semelhante a um gerador de vapor que transfere calor do sistema de água primário para o secundário; a água no sistema secundário passa pelos tubos em forma de U, onde o calor é transferido, e então evapora em vapor.

• Gerador de vapor de dupla cisalhamento:

  Um gerador de vapor de dupla cisalhamento funciona de forma semelhante a um gerador de vapor de tubo em U. A principal diferença é que ele possui um feixe de tubos em forma de V invertido configurado como um cisalhamento duplo. A água passa pelos tubos e é aquecida até virar vapor.

• Trocador de calor de refinado:

  Um trocador de calor de refinado é um componente crucial em usinas nucleares utilizado para recuperar calor de correntes de refinado radioativas. Essas correntes são os subprodutos dos processos de extração de material nuclear, como o reprocessamento de combustível nuclear usado. A função principal do trocador de calor de refinado é transferir calor do refinado quente, que é um líquido radioativo, para outro fluido ou sistema sem permitir que as duas correntes se misturem.

Especificações e manutenção

As seguintes são especificações típicas para um trocador de calor de uma usina nuclear:

• Material: Os trocadores de calor nucleares são feitos de aço ligado que pode suportar alta temperatura e pressão. Aços inoxidáveis comuns são 316L, 304L e 1,25Cr-1Mo.
• Capacidade: A capacidade é a quantidade de calor que o trocador de calor transfere por unidade de tempo. Em uma usina nuclear, a capacidade de um trocador de calor costuma estar na faixa de várias centenas de milhares a vários milhões de kcal/h.
• Temperatura e pressão de trabalho: Os trocadores de calor de usinas nucleares podem se adaptar a alta temperatura e alta pressão. A temperatura de trabalho pode atingir 300~400°C, e a pressão pode atingir 1.000 kg/cm² ou mais.
• Forma de vedação: Os métodos de vedação dos trocadores de calor em usinas nucleares incluem flanges, soldas e uma combinação das duas. Os trocadores de calor que usam métodos de vedação soldada, soldas de fusão e soldas são fortes e à prova de vazamentos. Isso os torna adequados para ambientes de alta pressão. Os trocadores de calor que usam flanges podem ser facilmente desmontados e mantidos. O uso de juntas entre flanges melhora a confiabilidade da vedação.

O desempenho e a vida útil dos trocadores de calor de usinas nucleares dependem de uma manutenção adequada. As seguintes são algumas dicas de manutenção e inspeção de rotina para trocadores de calor de usinas nucleares:

• Inspeção de rotina: Os trocadores de calor devem ser inspecionados em uma base regular para garantir que estão funcionando corretamente e para descobrir problemas precocemente. Durante a inspeção, a condição externa do equipamento deve ser verificada para garantir que não haja danos ou vazamentos. Ao mesmo tempo, os parâmetros de operação, como diferença de pressão, diferença de temperatura etc., devem ser monitorados para garantir que estejam dentro da faixa normal.
• Limpeza: Se os trocadores de calor estiverem entupidos, sua condutividade térmica será reduzida. Isso fará com que a perda de energia aumente e a eficiência operacional diminua. Portanto, os trocadores devem ser limpos regularmente para evitar o acúmulo de incrustações.

Cenários de trocadores de calor de usinas nucleares

• Conversão de energia térmica em energia elétrica

  No núcleo do reator nuclear, a fissão nuclear gera calor. Um trocador de calor (o próprio vaso do reator é às vezes considerado um trocador de calor gigante) transfere essa energia térmica para o refrigerante (geralmente água) que flui através dele. O refrigerante aquecido então produz vapor, que aciona turbinas para converter energia térmica em energia elétrica.

• Transferência de calor do combustível usado para o ambiente

  As barras de combustível usadas na piscina de armazenamento também envolvem um trocador de calor. O calor produzido pelo decaimento de materiais radioativos no combustível usado deve ser transferido para a água circundante (atuando como um trocador de calor e meio de refrigeração) para evitar que o combustível usado superaqueça. Neste cenário, os trocadores de calor desempenham um papel crucial na gestão da segurança e estabilidade a longo prazo da usina nuclear.

• Sistemas de segurança

  Em caso de acidente ou emergência, os trocadores de calor nos sistemas de segurança são críticos. Por exemplo, em um sistema de refrigeração de emergência (ECS), os trocadores de calor transferem imediatamente o calor do reator para outros refrigerantes (como água ou gás) para resfriar rapidamente o reator. Isso evita possíveis perigos, como a fusão do núcleo do reator, e garante a segurança da planta e do ambiente circundante.

• Sistemas de recuperação de calor

  Algumas usinas nucleares utilizam sistemas de trocadores de calor para recuperar o excesso de calor e convertê-lo em outras formas de energia. Por exemplo, por meio de trocadores de calor, o excesso de energia térmica pode ser usado para aquecer água e produzir vapor industrial, que pode ser fornecido a empresas próximas para produção e manufatura. Isso não apenas melhora a eficiência de utilização da energia térmica, mas também reduz a emissão geral de carbono da sociedade.

Como escolher trocadores de calor para usinas nucleares

Esses são os fatores críticos a serem discutidos ao planejar como construir trocadores de calor nucleares.

• Acoplado a um reator nuclear

  Certifique-se de que o trocador de calor esteja acoplado ao reator nuclear. Outros componentes podem incluir um laço intermediário e turbina, entre outras coisas. O acoplamento preciso depende do projeto do reator.

• Refrigerante

  O trocador de calor deve funcionar bem com o refrigerante usado na usina nuclear. Nesse caso, a água é usada, mas pode ser pressurizada ou supercrítica com base na tecnologia que está sendo usada.

• Capacidade e tamanho

  Ao escolher um trocador de calor, calcule a capacidade e quanta energia precisa ser transferida. Nesse caso, quanto mais, melhor. Além disso, as usinas nucleares são grandes, o que significa que o trocador de calor tem que ser muito grande para atender às demandas de energia. Certifique-se de que haja espaço e que a tecnologia também possa acomodar o grande tamanho.

• Materiais

  Os materiais devem ser compatíveis com fluidos radioativos. Além disso, eles devem ser capazes de suportar ciclos térmicos e resistência à corrosão, erosão ou incrustações como discutido acima. Se o trocador estiver dentro do confinamento, fora da vista normal, o componente também deve ser capaz de resistir a condições extremas e ter materiais facilmente conhecidos, estudados e confiáveis.

• Segurança

  O trocador de calor deve ser à prova de vazamentos. Projete barreiras duplicadas e robustas para interromper liberações acidentais para o ambiente. O projeto deve ser robusto, para que ele não falhe durante as demandas operacionais. A seleção deve incluir análise de risco extensiva e bem estudada para garantir que o componente seja seguro.

Perguntas e Respostas

P1: Qual é a finalidade de um trocador de calor em uma usina nuclear?

R1: A finalidade de um trocador de calor em uma usina nuclear é transferir calor do circuito primário para o circuito secundário. Assim, facilitando a geração de vapor para acionar a turbina para produzir eletricidade. Os trocadores de calor também ajudam a controlar e gerenciar o fluxo de calor dentro do sistema da usina de energia.

P2: Que tipos de trocadores de calor são usados em usinas nucleares?

R2: O tipo mais comum de trocador de calor usado em usinas nucleares é o trocador de calor de casco e tubos. Outros tipos diferentes podem incluir trocadores de calor refrigerados a ar, trocadores de calor de placas e trocadores de calor de dupla tubulação.

P3: Como um trocador de calor funciona em uma usina nuclear?

R3: O trocador de calor em uma usina nuclear funciona pelo processo de transferência de calor. O calor do reator nuclear é transportado por um fluido no circuito primário. O fluido então passa pelo trocador de calor. Posteriormente, o trocador de calor transfere o calor para um segundo fluido em um circuito separado. O segundo fluido então produz vapor que aciona uma turbina conectada a um gerador para produzir eletricidade.