3. USINAS NUCLEARES PWR
3.3 Circuito Secundário
3.3.3 Circuito de Água de Resfriamento do Condensador
O circuito de água de resfriamento do condensador é o sistema responsável pela condensação do vapor de exaustão da turbina de baixa pressão. O principal equipamento envolvido é o condensador. A água utilizada para o resfriamento do vapor pode ser obtida pela água do mar, dos rios e dos lagos.
3.3.3.1 Condensador
O condensador é um trocador de calor superficial de múltiplos tubos, com escoamento no interior dos mesmos da água não tratada do circuito de resfriamento. Externamente aos tubos escoa o vapor a baixa pressão e temperatura oriunda da turbina de baixa pressão (TBP). O objetivo é realizar a condensação e a manutenção da baixa pressão do vapor após a TBP para que através do bombeamento das bombas do circuito secundário possa elevar a pressão até a pressão prevista no sistema de vaporização do gerador de vapor (BEREZNAI, 2005; ALSTON, 2012b).
Na Figura 3.16 é apresentado um condensador típico utilizado em usinas nucleares. O vapor já utilizado na turbina de baixa pressão (TBP) é direcionado para o condensador. À medida que o vapor escoa externamente aos tubos do condensador este é resfriado pela troca de calor realizada com a água de resfriamento que escoa internamente aos tubos do condensador. O vapor é condensado num reservatório localizado na parte inferior do condensador chamado de poço quente, onde é mantido um determinado nível de condensado em diversos regimes de operação da usina nuclear.
Uma vez condensado o vapor, a água será reutilizada dentro de um ciclo fechado do sistema de água de alimentação do gerador de vapor, já que esta água está limpa, quimicamente tratada e desmineralizada. Além disso, o condensado apresenta uma carga térmica na saída do condensador, necessitando-se, assim, de menos energia para vaporização no gerador de vapor. Logo, a água de resfriamento é regulada para permitir a maior retenção de calor na condensação do vapor.
A criação de vácuo no condensador é conseguida pela diminuição do volume específico do vapor/líquido entre a entrada (16,56 m3/kg) e a saída (0,001 m3/kg) do condensador (dados
considerados da usina nuclear P1000), permitindo, assim, uma redução de aproximadamente 16560 vezes de volume.
Figura 3.16- Condensador Fonte: Adaptado Bereznai, 2005.
Quanto menor a pressão de saída na TBP, maior será a energia desenvolvida no eixo da turbina a vapor. No caso da usina nuclear P1000, a expansão do vapor nas turbinas a pressão atmosférica (101,3 kPa) desenvolveria um trabalho aproximadamente 15% menor em relação as condições de projeto ou de operação (40°C e 7,5 kPa).
Nos condensadores são citados os seguintes problemas associados a operação ou ao longo da vida útil do equipamento: a corrosão, o desgaste, a infiltração de ar (gases não condensáveis), o super-resfriamento do condensado (diminuição da temperatura do condensado pelo aumento da concentração de ar) e o subresfriamento (resfriamento do condensado a uma temperatura inferior à temperatura de saturação correspondente à pressão de operação) (MAZURENKO,
Tipos de Arrefecimentos em Condensadores
A água é utilizada de duas formas dentro da usina nuclear PWR: a primeira para transportar a energia térmica gerada no núcleo do reator para as turbinas a vapor e, a segunda, para rejeitar o calor excedente da condensação do vapor no condensador (cerca de 2/3 da energia gerada no reator nuclear) (WNA, 2015g). A quantidade de água necessária para o resfriamento do vapor após a TBP dependerá em muito da capacidade geradora e da eficiência térmica da usina nuclear.
No caso das usinas nucleares PWR, um volume elevado de água de resfriamento é necessário, já que quase toda rejeição de calor ocorre no condensador. Por essas razões, as usinas nucleares devem estar localizadas em regiões com alta disponibilidade de água. Portanto, torna-se um fator limitante na localização e na construção das usinas nucleares.
Basicamente podem haver três modos de resfriamento do vapor de exaustão da TBP no condensador em uma usina nuclear (IAEA, 2012). O resfriamento direto que é indicado em lugares com grande disponibilidade de água (rios, mares, lagos), no qual o resfriamento do vapor acontece com a captação da água de resfriamento e uma única passagem no condensador e, por fim, retorna ao ambiente. O resfriamento indireto ou de recirculação de água que consiste na circulação da água de resfriamento no sistema para o resfriamento do vapor e é indicado em lugares com menor disponibilidade de água e que requer um controle ambiental da água devolvida para a vizinhança, sendo estes os mais utilizados. Neste caso são muito empregadas às conhecidas torres de resfriamento. Finalmente, o resfriamento a seco que utiliza o ar para o resfriamento do vapor, mas ainda, é pouco utilizado.
Na Figura 3.17 é apresentado o resfriamento indireto ou de recirculação da água de resfriamento. A água de resfriamento após resfriar o vapor de exaustão da TBP é borrifada do topo da torre (1) através do bombeamento. A água que cai normalmente passa por uma série de defletores com a finalidade de mantê-la dispersa em pequenas gotas para promover a evaporação. O processo de convecção pode ser natural ou forçado. No caso da convecção forçada são utilizados ventiladores instalado no topo da torre que suga o ar das imediações abaixo da torre, formando um escoamento ascendente em sentido contrário ao das gotículas de água que caem. À medida que a água/ar interagem termicamente entre si, uma fração do escoamento de água se evapora no ar úmido (2). A água acumulada e já resfriada na parte inferior da torre retorna a circular no condensador com auxílio de uma bomba (3). Como uma
parcela da água de entrada da torre se evapora no escoamento de ar úmido, uma quantidade equivalente de água de reposição deve ser adicionada (4).
Figura 3.17- Resfriamento indireto ou de recirculação da água de resfriamento Fonte: Adapatado IAEA Nuclear Energy Series, 2012.