Pourquoi faut-il autant de temps pour redémarrer une centrale nucléaire?

J'ai entendu plusieurs fois qu'une centrale nucléaire en fonctionnement qui a été arrêtée (non d'urgence, par exemple pour un contrôle régulier) a besoin de plus de 24 heures (jusqu'à 72 heures?) Pour se remettre en marche.

Pourquoi cela prend-il si longtemps?

Lorsqu'un réacteur est arrêté le noyau produit beaucoup moins de chaleur, mais ils ne produisent encore la chaleur à travers un mécanisme appelé décomposition thermique . Le fait que le cœur produise moins de chaleur signifie que la température du liquide de refroidissement va baisser, mais jusqu'où cette température baisse dépend du taux de génération de chaleur de décroissance. Ceci est à son tour basé sur l'historique d'exploitation, ou la puissance à laquelle l'usine fonctionnait avant l'arrêt. Cela peut être important pour les centrales commerciales, car elles fonctionnent généralement à pleine capacité ou presque et les compagnies d'électricité font monter et descendre les centrales au charbon ou au gaz naturel pour moduler la capacité du réseau. La chaleur de décroissance après une journée représente environ un demi pour cent de l'historique de l'énergie, ce qui, pour une centrale de 500 MW fonctionnant à pleine capacité, signifie que la chaleur de décroissance pourrait être de 2,5 MW.

Donc, s'il y a un bref arrêt, le taux de génération de chaleur de désintégration est si élevé que la centrale primaire reste chaude et peut donc normalement démarrer assez "rapidement". Je dis "rapidement" car, alors que le primaire (côté radioactif) de la centrale peut encore être chaud, la centrale à vapeur secondaire aura probablement refroidi. Pour les démarrages d'installations secondaires, l'une des grandes préoccupations est la formation d'humidité dans la tuyauterie. Cela se produit lorsque la vapeur touche le tuyau (relativement) froid. L'humidité dans la centrale à vapeur peut provoquer toutes sortes de choses terribles, mais les dommages proviennent principalement des coups de bélier dans la tuyauterie et de l'humidité des aubes de turbine.

Pour mémoire: je le sais parce que j'étais un nuke de la Navy. Dans mon passage dans la Marine, la chose la plus terrifiante dont j'ai été témoin sur le navire était un tuyau à vapeur, peut-être de 18 pouces de diamètre, sautant littéralement de 2 à 3 pouces à chaque coup de marteau, sachant que si le tuyau échouait, tout le monde dans le la salle des machines serait probablement cuite vivante. Gardez à l'esprit que, dans la vidéo liée ci-dessus, la vapeur est probablement à la pression atmosphérique ou juste au-dessus de celle-ci et à très faible débit et cela ressemble toujours à quelqu'un qui frappe sur ce radiateur avec un marteau. Ce tuyau a probablement un pouce ou moins de diamètre.

Le condensat qui se forme lorsque la vapeur touche la tuyauterie est «entraîné» dans le flux de vapeur à travers le tuyau. La vapeur pousse ce bouchon d'eau à très grande vitesse, comme un marteau (d'où «coup de bélier»), brisant les aubes de turbine et endommageant les tuyauteries et surtout les joints de tuyauterie.

Il existe des dispositifs appelés "pièges à humidité" ou " purgeurs de vapeur " qui éliminent l'humidité du système pendant le fonctionnement normal, mais le volume de condensat formé au démarrage de l'installation à froid est tel que les pièges à humidité ne peuvent pas suivre. Ceci, combiné au danger présenté par les coups de bélier et les impuretés d'humidité dans la turbine, signifie que la vapeur est admise dans la centrale à vapeur très, très, très lentement. Les opérateurs de l'usine doivent périodiquement se déplacer vers des purgeurs à commande manuelle pour " purger " le condensat. (Remarque: la centrale à vapeur dans cette vidéo est horrible et je ne travaillerais pas là-bas, mais le grognement qu'elle produit lorsque le condensat se dissipe et que la vapeur commence à sortir est exactement ce dont je me souviens.

Donc, pour résumer jusqu'à présent: le démarrage "rapide" (24 heures) est généralement limité par la génération d'humidité dans la centrale à vapeur secondaire, causée par la vapeur en contact avec les tuyaux froids.

Le démarrage de l'usine primaire peut prendre beaucoup plus de temps. La plupart (tous?) Des réacteurs aux États-Unis sont des réacteurs à eau sous pression . Cela signifie que, bien qu'elle soit à 2-3 fois (ou plus!) La température à laquelle l'eau bout normalement, il y a suffisamment de pression dans la plante primaire pour garder l'eau sous sa forme liquide. Cela représente beaucoup de pression, et la tuyauterie de l'usine primaire a des parois très épaisses pour résister à cette pression.

Les parois épaisses signifient qu'il est possible que l' intérieur du tuyau soit "chaud" tandis que l' extérieur du tuyau est "froid". Ce sont des termes relatifs; tout est chaud.

Le réchauffement de la plante primaire est un problème de poule et d'oeuf. La principale préoccupation ici est de s'assurer qu'aucune vapeur ne se forme dans le réacteur. La vapeur est en fait un très bon isolant, ce qui signifie que, si elle a jamais fait forme dans le réacteur, tout à coup , il n'y aurait rien à refroidir le combustible, il obtiendrait très très chaud très rapidement (lire: faire fondre).

Vous devez donc maintenir le système sous pression suffisamment haut pour que la vapeur ne se forme pas dans le réacteur. MAIS , si vous mettiez autant de pression sur la tuyauterie pendant qu'elle était froide, elle se fracturerait, via un mécanisme appelé " fracture fragile ". Il s'agit d'une défaillance soudaine et catastrophique qui peut être évitée si la tuyauterie est chauffée au point qu'elle présente une certaine ductilité.

Donc, vous devez chauffer la tuyauterie, mais vous ne pouvez pas la faire si chaude qu'elle bout. Vous chauffez donc un peu, puis augmentez un peu la pression, puis chauffez, mettez sous pression, etc.

En règle générale, il existe des pauses appelées "trempages", qui donnent au métal dans le tuyau le temps d'égaliser la température. Cela empêche les contraintes internes de s'accumuler car l'intérieur du tuyau est "chaud" et l'extérieur "froid". Les trempages prennent normalement une grande partie de la majorité du temps de démarrage - les trempages durent généralement 12 à 24 heures.

Ainsi, vous chauffez jusqu'à un point de trempage, puis vous mettez généralement la pression à une pression intermédiaire, vous chauffez à un autre point de trempage, puis vous augmentez la pression à une pression intermédiaire plus élevée, puis vous chauffez et mettez la pression ensemble. Tout cela est fait pour rester sous les limites de fracture connues sous le nom de "limite de prévention de la rupture fragile", qui, encore une fois, est de s'assurer que la température-pression à laquelle la tuyauterie est soumise est telle que les tuyaux ne tombent pas.

Donc, une fois que vous avez réchauffé la plante primaire, vous pouvez commencer à mettre la plante secondaire en ligne, donc c'est généralement 2 jours pour le primaire et puis un autre jour pour le secondaire - c'est le démarrage de 72 heures.

Comme mentionné, la chaleur de décroissance garde la plante primaire chaude pendant une longue période (jusqu'à peut-être un mois), donc à moins que vous ne soyez dans une panne prolongée, vous pouvez généralement démarrer assez "rapidement", où encore "rapide" est d'environ 24 heures .

Le xénon est le résultat de la réaction nucléaire et d'un poison neutronique. Si vous n'attendez pas que le xénon se désintègre, il consomme trop de neutrons et vous ne pouvez pas devenir critique. Ils disent toujours "il n'y a pas assez de tiges pour tirer". Si vous avez un nouveau noyau réactif agréable, vous pouvez commencer plus tôt. Si le noyau est vieux, vous devrez attendre longtemps avant de décomposer suffisamment de xénon (et d'autres poisons).

L'usine où je travaillais coûtait environ un million de dollars par jour pour une panne. Croyez-moi, s'ils pouvaient commencer plus tôt, ils le feraient.

La réponse se résume vraiment à deux facteurs: la sécurité et les tests. Je vais donner un résumé générique de ces deux choses ci-dessous, mais la vraie réponse est assez compliquée.

Le nœud du fonctionnement des centrales nucléaires tourne autour de la sûreté nucléaire. Je ne parle pas de la sécurité personnelle, qui est du ressort de la Occupational Safety and Health Administration (OSHA), bien que cela ait un certain facteur. De plus, il s'agit d'une sécurité générale pour le public contre un événement radiologique. Les centrales nucléaires sont conçues de telle sorte que le risque d'un tel événement soit minimisé autant que possible.

Lorsqu'une plante se met sous tension, elle subit différents modes . Chaque mode a son propre ensemble de critères de test et d'acceptation qui doivent être remplis avant que la centrale puisse être encore élevée en mode. Il y a beaucoup de systèmes, et ces choses prennent du temps. Les systèmes essentiels à la sûreté nucléaire sont particulièrement surveillés.

Une centrale nucléaire ne deviendra pleinement opérationnelle que lorsque tous les systèmes auront réussi leurs tests et que la centrale pourra fonctionner en toute sécurité.

Ce sont de nombreuses raisons pour le temps nécessaire au démarrage ou au retour à l'exploitation à pleine puissance dans les centrales nucléaires commerciales. Aux États-Unis, il existe deux principaux types de centrales, les réacteurs à eau bouillante (REB) et les réacteurs à eau sous pression (REP). Les réponses varieront selon le type de réacteur et même la version du type. Une explication courante que je n'ai pas vue mentionnée est que toutes les centrales nucléaires commerciales évitent de faire> 15% de changements de puissance thermique sur une période de 4 heures. Il s'agit de protéger l'intégrité de la gaine de combustible. J'ai travaillé dans l'industrie nucléaire commerciale pendant près de 20 ans - et j'en suis absent depuis plus de 20 ans - alors peut-être qu'ils ont amélioré le revêtement du combustible et ce n'est plus un problème - mais c'était une contrainte obligatoire de mon temps.

Chuk a presque réussi. Mais du point de vue de répondre à la question, (maintenant c'est ce que l'on me dit), le code ASME B&PV limite le taux de chauffage à 30 degrés centigrades par heure. Les plantes normales fonctionnent à environ 300 degrés centigrades. Cela vous donnera un taux de chauffe théorique minimum de la plante. Deuxièmement, lorsqu'une plante est déclenchée, la première cause de déclenchement est trouvée et sa rectification. Pour chauffer le côté de la seconde, il faut de la vapeur pour laquelle des chaudières auxiliaires sont démarrées. Enfin, la chimie de l'eau de toutes les plantes est restaurée et cela prend du temps.