Hlavní cirkulační čerpadla zabezpečují koloběh chladicí vody v primárním okruhu.
Hlavní cirkulační čerpadla zabezpečují koloběh chladicí vody v primárním okruhu.
V jaderných elektrárnách je technologie výroby elektřiny, energetické konverze, podmíněna výměnami tepla a kontinuální cirkulací teplonosných médií. Pohyb jednotlivých kapalných médií zabezpečují nejrůznější čerpadla – mechanická zařízení, která dodávají protékajícím kapalinám určitou formu kinetické nebo tlakové energie. V jaderné elektrárně se nacházejí stovky čerpadel různých výkonů a provedení. Nejdůležitějšími jsou hlavní cirkulační čerpadla v primárním okruhu, která pomocí nucené cirkulace primárního chladiva zabezpečují odvod tepla z aktivní zóny reaktoru do tepelných výměníků – parogenerátorů. Hlavní cirkulační čerpadlo je velké a složité zařízení. Náročnost jeho konstrukce je dána nejen pracovními parametry (velký průtok, tlak 12–16 MPa a teplota kolem 300 °C), ale také jeho rolí spolehlivé bezpečnostní bariéry, zabraňující úniku radioaktivních látek mimo primární okruh elektrárny.
V podstatě existují dva přístupy v začlenění cirkulačního čerpadla do primárního okruhu. První v rámci eliminace případných úniků počítá s uzavřením celého čerpadla (včetně elektromotoru) do hermetického tlakového pouzdra, které je součástí primárního okruhu. Druhý přístup ponechává v primárním tlakovém pouzdru jen samotné čerpadlo, a ostatní komponenty se nacházejí vně pouzdra. Důležitým bezpečnostním prvkem se v tomto případě stává ucpávkové utěsnění rotujícího hřídele, vycházejícího z tlakové oblasti.
Z hlediska bezpečnosti je výhodné co nejmenší narušení integrity primárního okruhu. Proto se v minulosti používala cirkulační čerpadla, kompletně uložená v tlakových obalech (pouzdrech), které byly hermeticky spojeny s primárním okruhem.
Při umístění tělesa čerpadla společně s hnacím elektromotorem do zóny plného tlaku primárního okruhu není nutné utěsňovat spojovací hřídel pomocí hlcených ucpávek. Proto se tomuto typu čerpadel někdy říká bezucpávková.
Schematické zobrazení bezucpávkového čerpadla
Hřídel i elektromotor zapouzdřeného cirkulačního čerpadla se nacházejí ve vodě pod tlakem. Přítomnost vody vlivem tření snižuje účinnost čerpadla a samozřejmě klade vyšší nároky na izolaci statorového vinutí elektromotoru. Variantním řešením je použití suchého statoru – hermeticky odděleného statorového vinutí od rotoru kovovou přepážkou. V tomto případě není potřebná dodatečná izolace vinutí, ale magnetické pole, a tím i účinnost elektromotoru negativně ovlivňuje právě zmíněná hermetická přepážka.
Z bezpečnostního hlediska by každé cirkulační čerpadlo mělo mít na hřídeli masivní setrvačník, který by v případě přerušení napájení elektromotoru po nezbytnou dobu poháněl čerpadlo a zabezpečoval tak nepřetržité chlazení aktivní zóny. U bezucpávkového čerpadla je vždy řešena otázka kompromisu mezi velikostí setrvačníku a velikostí (objemem, hmotností, cenou) pouzdra, ve kterém se setrvačník s čerpadlem nachází. Doba doběhu zapouzdřeného čerpadla se obyčejně pohybuje jen kolem 5 sekund.
V dnešní době v jaderné energetice převládá trend používat hlavní cirkulační čerpadla, u nichž je těleso čerpadla umístěno v hermetickém pouzdře, které je součástí primárního okruhu, a elektromotor se setrvačníkem se nacházejí vně okruhu. Obě části jsou propojeny hřídelí, procházející z oblasti vysokého tlaku primárního chladiva do oblasti atmosférického tlaku. Velký důraz je proto kladen na utěsnění hřídele, zabraňující úniku radioaktivního chladiva do prostor mimo primární okruh.
Schematické zobrazení čerpadla s utěsněnou hřídelí
Konstrukce mechanických těsnících systémů je poměrně složitá a pro jejich práci jsou potřebné další pomocné systémy, například systém tlakové ucpávkové vody. Na druhou stranu může čerpadla s utěsněnou hřídelí pohánět klasický elektromotor s vyšší účinností. Na hřídeli vně primárního okruhu je i dostatek místa pro masivní setrvačník, který umožňuje využít doběh čerpadla při ztrátě napájení v řádu několika desítek sekund. Tato fyzikální výhoda dává řídicí automatice v případě potřeby dostatek času na obnovení napájení čerpadla nebo přepnutí jeho napájení na záložní zdroj a tím zabezpečit nepřetržité chlazení aktivní zóny reaktoru.
Vzhledem k nižším ztrátám na tření a k použití standardního elektromotoru mají čerpadla s utěsněnou hřídelí o 10 až 15 % vyšší účinnost než původní zapouzdřená čerpadla. Společně s objemově a hmotnostně menším tlakovým pouzdrem, jednodušším (mazání a chlazení) a dostupným (revize a opravy) motorem je jejich cena přibližně poloviční oproti zapouzdřeným čerpadlům stejného výkonu.
Počet cirkulačních čerpadel v primárním okruhu odpovídá počtu cirkulačních smyček. Proto je u reaktoru VVER 440 šest cirkulačních čerpadel a u novějších VVER 1000 jsou jen čtyři. V obou případech jsou čerpadla umístěna na studených větvích primárních smyček. Jejich sání je spojeno primárním potrubím se studeným kolektorem parogenerátoru, výtlak z čerpadla směřuje do spodních nátrubků tlakové nádoby reaktoru. Větší počet primárních smyček u VVER 440 dovoluje provozovat blok s nižším výkonem i při poruše a odstavení jedné z nich, reaktor VVER 1000 s nefunkční smyčkou již provozovat nelze.
Provedením jsou hlavní cirkulační čerpadla jednostupňová, ucpávková, odstředivá, jejich umístění na palubě HCČ kolem reaktoru je vertikální s asynchronním motorem nahoře. Hřídel cirkulačního čerpadla je uložena v kluzných ložiscích mazaných tlakovým olejem, kromě prvního ložiska za oběžným kolem, které je, z důvodu zamezení kontaminace primární vody olejem, mazáno vodou. S rotorem motoru je hřídel spojena zubovou spojkou. Tělesa čerpadel nejsou pevně uchycena k podlaze, ale mají částečnou možnost horizontálního posuvu. Toto opatření umožňuje kompenzovat teplotní dilatace primárního potrubí.
Pro hlavní cirkulační čerpadla je charakteristický dlouhodobý bezúdržbový provoz během celé palivové kampaně (1 rok). Správnou funkci čerpadla a dodržování předepsaných parametrů pomáhají udržovat různé pomocné systémy, jako jsou například okruhy chlazení motoru nebo mazání ložisek. Důležitým podpůrným systémem čerpadla je okruh těsnící vody, zabezpečující hlcení těsnících ucpávek.