Reaktory jadrowe
advertisement
ENERGETYKA JĄDROWA TADEUSZ HILCZER Reaktory jądrowe Typy reaktorów jądrowych • Kryteria klasyfikacji reaktorów jądrowych: – przeznaczenie, – energię neutronów powodujących rozszczepienia, – rodzaj paliwa, – konstrukcję i budowę rdzenia, – rodzaj moderatora – rodzaj chłodziwa – system odprowadzania ciepła. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 3 Typy reaktorów jądrowych • Ze względu na przeznaczenie reaktory można podzielić na: – reaktory energetyczne do produkcji energii elektrycznej, – reaktory badawcze, – reaktory szkoleniowe, – reaktory przeznaczone do produkcji plutonu, – reaktory do napędu statków, – reaktory wytwarzające ciepło do celów ogrzewczych, – reaktory do celów specjalnych (np. do produkcji radioizotopów, odsalania wody morskiej) • Często reaktory spełniają więcej niż jedną rolę. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 4 Typy reaktorów jądrowych • Ze względu na energię neutronów reaktory można podzielić na: – reaktory prędkie wykorzystujące neutrony o energiach powyżej 1 MeV, – reaktory termiczne wykorzystujące neutrony o energiach do 0,1 eV. • W reaktorach termicznych rozszczepieniu praktycznie ulegają tylko jądra 235U; niewielka część rozszczepień (około 3%) zachodzi w wyniku pochłonięcia przez jądra 235U i 238U neutronów prędkich. • W reaktorach prędkich praktycznie nie ma neutronów termicznych. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 5 Typy reaktorów jądrowych • Ze względu na konstrukcję rdzenia reaktory można podzielić na: – reaktory jednorodne – reaktory niejednorodne. • Reaktory jednorodne w zasadzie nie nadają się do celów energetycznych Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 6 Reaktor jednorodny • Rdzeń reaktora zawiera jednorodną mieszaninę materiału rozszczepialnego i spowalniacza – roztwór wodny związku uranu, np siarczanu uranylu UO2SO4, – mieszanina uranu i grafitu. • Ta sama masa mieszaniny paliwa – w naczyniu kulistym ma masę krytyczną, – w naczyniu o innym kształcie nie ma masy krytycznej. • Przelanie paliwa z rdzenia do innego naczynia powoduje wygaśnięcie reakcji rozszczepienia Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 7 Reaktor jednorodny kula masa krytyczna Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 8 Reaktor jednorodny stożek masa nie krytyczna Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 9 Reaktor niejednorodny • Rdzeń reaktora zawiera niejednorodny układ materiału rozszczepialnego i spowalniacza – roztwór wodny związku uranu, np siarczanu uranylu UO2SO4, – mieszanina uranu i grafitu. • Ta sama masa mieszaniny paliwa – w naczyniu kulistym ma masę krytyczną, – w naczyniu o innym kształcie nie ma masy krytycznej. • Przelanie paliwa z rdzenia do innego naczynia powoduje wygaśnięcie reakcji rozszczepienia Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 10 Reaktor niejednorodny stożek masa nie krytyczna Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 11 Typy reaktorów jądrowych • Ze względu na paliwo reaktory można podzielić na: – na rozszczepialnych izotopach uranu 235U i 233U – na rozszczepialnym izotopie plutonu 239Pu. • W reaktorach termicznych stosuje się głównie uran. • W reaktorach prędkich pluton. • Pluton w niewielkich ilościach jest również składnikiem mieszanego paliwa uranowo-plutonowego MOX , stosowanego w reaktorach termicznych. • Paliwo reaktorowe jest głównie w postaci uranu metalicznego, dwutlenku uranu UO2 albo węglika uranu UC. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 12 Typy reaktorów jądrowych • Ze względu na wzbogacenie paliwa w 235U reaktory można podzielić na: – na uranie naturalnym, – na uranie niskowzbogaconym (2-5% 235U), – na uranie średnio wzbogaconym, – na uranie wysoko wzbogaconym (ponad 90% 235U). • Konieczny stopień wzbogacenia zależy od zdolności pochłaniania neutronów w materiałach w rdzeniu oraz od jego konstrukcji. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 13 Typy reaktorów jądrowych • Ze względu na materiał spowalniacza reaktory można podzielić na: – reaktory cieżkowodne – reaktory lekkowodne, – reaktory grafitowe, – reaktory berylowe. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 14 Typy reaktorów jądrowych • Ze względu na materiał chłodziwa reaktory można podzielić na: – reaktory chłodzone z lekką wodą, – reaktory chłodzone ciężką wodą, – reaktory chłodzone gazem (dwutlenkiem węgla, helem, gazami dysocjującymi (N2O4), – reaktory chłodzone ciekłym sodem, – reaktory chłodzone substancjami organicznymi – itd. • W lekkowodnych reaktorach energetycznych woda jest jednocześnie spowalniaczem i chłodziwem. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 15 Elementy paliwowe • Stosuje się elementy paliwowe najczęściej w postaci prętów, cylindrów, pastylek, rurek, płytek, kul. • Paliwo zamknięte jest szczelnie w „koszulkach” ze stopów cyrkonu, stali nierdzewnej, stopów magnezu, stopów aluminium oraz powłok pirowęglowych. • Rodzaj materiału koszulki zależy od temperatury pracy, wymaganej odporności na utlenianie, trwałości mechanicznej, wysokiego przewodnictwa cieplnego, słabego pochłaniania neutronów itp. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 16 Reaktor jądrowy • Proces reakcji łańcuchowej odbywa się w rdzeniu reaktora jądrowego. • Warunkiem powstania reakcji łańcuchowej jest dostatecznie duża liczba neutronów termicznych w rdzeniu pochodzących z „poprzedniego” pokolenia procesu rozszczepienia, zapewniająca realizację rozszczepienia w następnym pokoleniu. • Taka reakcja rozwija się w sposób lawinowy i wydziela się coraz większa ilość ciepła. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 17 Pręty paliwowe • Pręty paliwowe dla elektrowni jądrowych zawierają pastylki wykonane z dwutlenku uranu (UO2). • Dwutlenek uranu uzyskuje sie ze wzbogaconego gazu UF6. • Sprasowane pastylki maja grubość około 1,5 cm i średnicę około 1 cm. • Surowe wypraski ogrzewane są temperatury do 1700°C, co daje im odpowiednią spoistość i wytrzymałość. • Po mechanicznej obróbce pastylek z dokładnością do 10-5 mm umieszczone są w rurkach, zwanych koszulkami. • Dla lepszej wymiany ciepła do koszulki wprowadza się hel. • Koszulki nie są całkowicie wypełnione pastylkami. • Powstaje odpowiednia przestrzeń dla gazowych produktów rozczepienia. • Wypełnione i szczelnie zamknięte koszulki są prętami paliwowymi, które wraz z prętami regulacyjnymi tworzą elementy paliwowe. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 18 Warunek działania reaktora jądrowego • Warunkiem działania reaktora jądrowego wykorzystującego reakcję rozszczepiania ciężkich jąder pod wpływem neutronów jest, aby w jego objętości czynnej w kolejnym n+1 pokoleniu rozszczepienia było dokładnie tyle neutronów nn+1 tyle samo, co w pokoleniu n. • Działanie reaktora jądrowego określa współczynnik n n1 rozmnożenia k: k nn – k = 1 - warunek normalnego działania – k < 1 - reaktor gaśnie – k > 1 - reaktor pracuje w systemie nadkrytycznym, prowadzącym do awarii. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 19 Elementy paliwowe • Ich konstrukcja może być bardzo różna, i tak w reaktorach wrzących znajdujemy często 7 x 7 prętów paliwowych w wiązce paliwowej, w reaktorze wodnym ciśnieniowym 15 x 15 lub 20 x 20. Także położenie prętów regulacyjnych może się w różnych reaktorach zasadniczo zmieniać. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 20 Warunek działania reaktora jądrowego • Nie wszystkie neutrony powstałe w procesie dzielenia jąder wywołują kolejne reakcje. • Dla nieskończonej objętości czynnej reaktora największe straty liczby neutronów pochodzą z ich pochłaniania. Straty neutronów termicznych (na 100 rozszczepień) źródło strat neutronów liczba neutronów pochłanianie w 238U pochłanianie w 235U pochłanianie w spowalniaczu pochłanianie w materiałach konstrukcyjnych pochłanianie w prętach kontrolnych inne straty razem straty do następnych rozszczepień 90 20 30 5 2 9 156 100 razem potrzeba 256 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 21 Wzbogacanie Wzbogacenie uranu • W elektrowni jądrowej wymienia się co roku prawie trzecią część elementów paliwowych na nowe. W dużej elektrowni jądrowej o mocy 1 GW opuszcza reaktor rok w rok ok. 30 t uranu. Ten materiał jest wprawdzie skażony groźnymi dla życia produktami rozpadu promieniotwórczego, jednak z drugiej strony zawiera cenne, możliwe do odzyskania materiały rozszczepialne. Stąd usuwanie i obróbka wysłużonych elementów paliwowych jest niezmiernie istotnym czynnikiem zarówno z punktu widzenia ochrony środowiska naturalnego, jak i opłacalności przedsięwzięcia. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 22 Warunek działania reaktora jądrowego • Dla nieskończenie wielkiego rdzenia nie bierze się pod uwagę ucieczki neutronów poza rdzeń. • Współczynnik rozmnożenia k dla nieskończenie wielkiego rdzenia: k e h f p e- współczynnik rozszczepienia neutronami szybkimi, h - średnia liczba neutronów powstających w jednej reakcji rozszczepienia, f - współczynnik wykorzystania neutronów termicznych, p - prawdopodobieństwo uniknięcia wychwytu rezonansowego. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 23 Warunek działania reaktora jądrowego • Współczynnik f - średnia liczba neutronów powstałych w uranie naturalnym w danym pokoleniu. • Dla reaktora jednorodnego: S a , 235 S a , x N xs a , x f S a , 235 S a , 238 S a ,m ; , Sa,x - makroskopowy przekrój czynny na pochłanianie, sa,x – przekrój czynny na pochłanianie, x - odpowiednio 235 i 238 dla izotopów uranu, m – dla spowalniacza, Nx – liczba odpowiednich jąder w jednostce objętości. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 24 Warunek działania reaktora jądrowego • Średnia liczba neutronów powstających w jednej reakcji rozszczepienia h: S a , 235 f n S a , 235 S a , 238 n - liczba neutronów powstałych w n-tym pokoleniu. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 25 Nieskończenie wielki rdzeń reaktora • W nieskończenie wielkim rdzeniu reaktora: • h - liczba neutronów rozszczepienia na jeden neutron pochłonięty w paliwie S p, f h n S p ,a • f - współczynnik wykorzystania neutronów w paliwie S p ,a f S a ,c • p - prawdopodobieństwo uniknięcia wychwytu rezonansowego podczas spowalniania neutronów • F - strumień neutronów termicznych Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 26 Warunek działania reaktora jądrowego • Współczynnik rozszczepienia neutronami e - stosunek liczby neutronów szybkich powstałych w określonym pokoleniu na skutek reakcji neutronów o dowolnej energii, do liczby neutronów szybkich powstałych w tym samym pokoleniu na skutek reakcji neutronów termicznych. • Dla uranu naturalnego e = 1,03. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 27 Jądra rozszczepialne jądro energia [MeV/nukleon] wiązania do rozszczepienia 238U 7,57 8 235U 7,59 6,5 233U 7,59 6,0 232Th 7,6 7,8 239Pu 7,56 5,0 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 28 Procesy w rdzeniu reaktora • Liczba neutronów w rdzeniu reaktora – Teoretyczna nt = liczba rozszczepień liczba neutronów w jednym rozczepieniu – Realna n = nt – strata neutronów strata neutronów = ucieczka + pochłanianie • Teoretyczny warunek krytyczny dn 0 dt Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 29 Procesy w rdzeniu reaktora • Strumień neutronów monoenergetycznych f = r v, r – gęstość neutronów, v - prędkość • W różnych punktach rdzenia r neutrony mają w różne energie. • W punkcie r liczba neutronów N(E,r) i gęstość neutronów r(E,r) zależy od rozkładu energii E(r). • Strumień neutronów w punkcie r jest funkcją energii neutronów: 2E f ( E, r ) r ( E, r ) mn Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 30 Procesy w rdzeniu reaktora • Liczba reakcji neutronowych typu m w jednostce objętości rdzenia i w jednostce czasu z jądrami typu x : Pm (r ) N x (r ) f ( E, r )sx,m ( E)dE f ( E, r )S x,m ( E, r )dE - liczba jąder x w jednostce objętości o współrzędnych r; s x ,m ( E ) - mikroskopowy przekrój czynny jądra x na reakcję m ; S x ,m ( E , r ) - makroskopowy przekrój czynny jądra x na reakcję m. N x (r ) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 31 Nieskończenie wielki rdzeń reaktora • W nieskończenie wielkim jednorodnym rdzeniu reaktora: – strumień neutronów nie zależy od punktu r – nie ma ucieczki neutronów • Warunek krytyczności: dn 0 dt produkcja = absorpcja • Współczynnik mnożenia dla nieskończenie wielkiego rdzenia: k= produkcja/absorpcja Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 32 Bilans neutronów w nieskończenie wielkim rdzeniu reaktora • Produkcja neutronów termicznych: f S p, f pv • Absorpcja neutronów termicznych: f S a,c • Współczynnik mnożenia w nieskończenie wielkim rdzeniu: S p , f pv k Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny f S p , f pv f S a ,c S p ,a S ,c S p ,a ph f 33 Współczynnik mnożenia realnego reaktora k ef k F (1 L) • F – prawdopodobieństwo uniknięcia ucieczki podczas spowalniania neutronów, • L – prawdopodobieństwo ucieczki neutronów termicznych Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 34 Ucieczka neutronów D 2 f f S a,c k F 1 0 2f B 2f 0 • parametr materiałowy S a ,c 2 Bm k F 1 D • Parametr geometryczny: 2 2 2 2 – prostopadłościan: Bg X Y Z 2 2 – kula, Bg R2 2 j – cylinder o wys. H Bg2 0 R H • Warunek krytyczności Bg2 Bm2 • Równanie dyfuzji Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 35 Ucieczka neutronów w czasie spowalniania • Prawdopodobieństwo nieucieczki neutronów F exp B 2t t - średnia odległość przebyta przez neutron w czasie spowalniania (tzw. wiek neutronu) Długość dyfuzji L: D 2 L S a ,c • Równanie krytyczne: k exp B 2t 1 1 B 2 L2 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 36 Parametry spowalniaczy spowalniacz Woda (H2O) Ciężka woda (D2O) Beryl Grafit Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny gęstość g/cm3 1,00 1,10 1,84 1,62 Sa [cm-1] t [ cm2] 0,017 0,00008 0,0013 0,00036 33 120 98 350 D [cm] 0,142 0,80 0,70 0,903 37 Reaktor jądrowy • Niebezpieczeństwo awarii rdzenia reaktora związanej z lawinowo narastającą reakcją łańcuchową można uniknąć przez kontrolowanie liczby powstających neutronów • Do regulacji służą materiały o dużym przekroju czynnym na pochłanianie. • Materiałem o bardzo dużym przekroju czynnym na wychwyt neutronów jest między innymi kadm. • Wprowadzenie kadmu do rdzenia reaktora powoduje zahamowanie reakcji łańcuchowej. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 38 Rdzeń reaktora • Rdzeń reaktora, strefa aktywna reaktora – centralna część reaktora z: – elementami paliwowymi, – spowalniaczem neutronów, – urządzeniami sterującymi, – układem chłodzenia. • W reaktorach termicznych elementy paliwowe i spowalniacz neutronów oraz kanałami do urządzeń sterujących ułożone sa w sieć, wypełniająca rdzeń reaktora. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 39 Rdzeń reaktora pręty z paliwem pręty regulacyjne Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 40 Paliwo jądrowe • Paliwo może być: – metaliczne (uran naturalny lub wzbogacony w izotop 235U), – tlenkowe (UO2), – węglikowe (UC). • Uran metaliczny stwarza problemy technologiczne. • Anizotropia własności fizycznych uranu jest przyczyną: – wydłużania i pęcznienia pod wpływem napromieniowania, – twardnienia i zwiększenia kruchości. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 41 Paliwo jądrowe • Uran reaguje chemicznie z wodorem, powstającym w wyniku radiolizy wody chłodzącej reaktor. • W warunkach normalnej eksploatacji uranu nie przekracza się temperatury 900K. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 42 Paliwo jądrowe • Najczęściej stosowaną postacią paliwa jądrowego jest dwutlenek uranu UO2. • Zalety: – niezmienna struktura krystaliczna do temperatury topnienia 3073 K, – obojętny wobec czynników chłodzących, – odporny na uszkodzenia radiacyjne. • Wady: – mały współczynnik przewodnictwa cieplnego, 5-10 razy mniejszy niż dla uranu naturalnego, – występowanie dużych gradientów temperatury w pręcie paliwowym prowadzących do znacznych naprężeń powodują pęknięcia. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 43 Paliwo jądrowe • Węgliki uranu UC i UC2 nie znalazły szerszego zastosowania poza reaktorami wysokotemperaturowymi. • Zalety: – większe przewodnictwo cieplne niż UO2 – większe współczynniki powielania dla neutronów prędkich. • Wady: – łatwość reakcji z wodą. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 44 Pręty paliwowe • Pręty paliwowe zawierają materiał rozszczepialny, którego skład jest zależny od typu reaktora. • Pręty paliwowe składają się zwykle z większej liczby elementów paliwowych • Element paliwowy otoczony jest koszulką, wykonaną zwykle z cyrkonu, zabezpieczającą substancje powstające w procesie rozszczepienia przed rozprzestrzenieniem w rdzeniu reaktora. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 45 Spowalnianie neutronów • Najbardziej prawdopodobna wartość z widma energii neutronów emitowanych w reakcji rozszczepienia wynosi 0,7 MeV. • Przekrój czynny na rozszczepienie 235U przez takie neutrony jest istotnie mniejszy niż dla neutronów termicznych, których energia w temperaturze 300 K wynosi około 0,025 eV. • Dalsze procesy rozszczepienia jądra 235U mogą spowodować neutrony o bardzo małej energii. • Warunkiem zainicjowania następnych procesów rozszczepienia uranu 235U przez neutrony uwolnione w poprzedzającym procesie jest zmniejszenie ich energii. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 46 Zasada spowalniania neutronów neutron szybki neutron wolny spowalniacz Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 47 Spowalnianie neutronów • W materiale spowalniacza neutron poprzez zderzenia sprężyste z jądrami oddaje część swojej energii. • Przekazywanie energii najbardziej skutecznie zachodzi przy zderzeniach neutronu z lekkimi jądrami (grafit, beryl, woda, ciężka woda). • Idealny spowalniacz powinien mieć małą liczbę masową i jednocześnie jak najniższy przekrój czynny na pochłanianie. • Jeżeli neutrony uwalniane w procesie rozszczepienia znajdą się w ośrodku bogatym w wodór, to zderzenie neutronów z protonami prowadzi do skutecznego spowolnienia. • Energia przekazywana w zderzeniach protonom zamienia się w energię termiczną. • W spowalniaczu wydziela się ciepło. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 48 Spowalniacz • Materiał spowalniacza musi mieć mały przekrój czynny na pochłanianie neutronów, rozproszenie neutronów i na neutronowe reakcje jądrowe. • Dobrym materiałem jest wodór zawarty w wodzie lub deuter w ciężkiej wodzie. • W czasie kolejnych zderzeń, neutron ma coraz mniejszą energię i może ulec pochłonięciu nie wywołując rozszczepienia. • Prawdopodobieństwo pochłaniania neutronów znacznie zmienia się przy bardzo niewielkich zmianach energii neutronów. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 49 Spowalniacz • Zależność przekroju czynnego od energii dla różnych spowalniaczy ma bardzo ostre maksima, zwane „rezonansami” (jądra atomowe są układami drgającymi). • Jeśli neutron ma energię, która odpowiada energii rezonansu, istnieje duże prawdopodobieństwo jego wychwytu. • Jeśli neutron porusza się z pewną prędkością w ośrodku, w którym atomy poruszają się z większą prędkością na skutek wzrostu temperatury, prawdopodobieństwo pochłaniania neutronu maleje. • Neutron spowolniony przez zderzenie może po kolejnym zderzeniu stracić zbyt dużo energii, by wpaść w wąski zakres rezonansu. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 50 Spowalniacz • Na skutek zjawiska Dopplera, związanego z ruchem termicznym atomów ogrzanego ośrodka, następuje poszerzenie przedziału rezonansowego co zwiększa prawdopodobieństwo wychwytu neutronu. • Zjawisko Dopplera niekorzystne w procesie spowalniania neutronów, jest wykorzystywane do zwiększenia bezpieczeństwa pracy rektorów jądrowych. • W przypadku, gdy rdzeń rektora zaczyna się ogrzewać na skutek braku dostatecznego chłodzenia, zawarta w rdzeniu masa izotopu 238U silniej pochłania neutrony i spontanicznie tłumi reakcję łańcuchową. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 51 Reakcja łańcuchowa Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 52 Reakcja łańcuchowa z reflektorem Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 53 Reakcja łańcuchowa z reflektorem Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 54 Reakcja łańcuchowa z reflektorem Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 55 Pręty sterujące • Do regulacji liczby neutronów w rdzeniu rektora jądrowego stosuje się tylko materiały, które mają najlepsze własności pochłaniania. • Materiał pochłaniający wprowadza się do rdzenia w postaci prętów. • Pręty sterujące są rozmieszczone w rdzeniu w określonych miejscach by liczba neutronów w całej objętości rdzenia była dokładnie taka, jaka jest potrzebna do stacjonarnej pracy reaktora. • Moc reaktora zależy od masy materiału pochłaniającego w obszarze czynnym rdzenia. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 56 Chłodzenie reaktora • Energia kinetyczna fragmentów rozszczepienia, neutronów, cząstek , częściowo kwantów , absorbowana w rdzeniu reaktora zamieniana jest w ciepło. • Do odprowadzenia tego ciepła służy system chłodzenia reaktora. • Rdzeń może być w całości zanurzony w substancji chłodzącej albo może przepływać przez systemem rur przechodzących przez rdzeń reaktora. • Materiałem chłodzącym może być woda gaz lub ciekły lekki metal. • Jeśli spowalniaczem jest woda, może stanowić również czynnik chłodzący. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 57 Chłodzenie reaktora • Chłodzenie reaktora może być zbyteczne w specjalnych konstrukcjach reaktorów basenowych małej mocy. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 58 Współczynnik mnożenia • Przebieg reakcji łańcuchowej charakteryzuje współczynnik mnożenia k, czyli stosunek liczby jąder rozszczepionych dla danego pokolenia, do liczby jąder rozszczepionych w pokoleniu poprzednim. • Czas pomiędzy kolejnymi pokoleniami jest – rzędu 10-3 s dla reaktora którego chłodziwem jest zwykła woda – rzędu 10-6 s dla rektora na neutrony prędkie. • Proces narastania lawiny neutronów w reaktorze jest procesem tak szybkim, że jakakolwiek interwencja zewnętrzna nie jest możliwa. • Utrzymanie reaktora w stanie stabilnej pracy jest możliwe dzięki istnieniu neutronów opóźnionych. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 59 Stan krytyczny • W reaktorach jądrowych dąży się do osiągnięcia wartości k = 1, gdyż wówczas jego praca jest ciągła i stabilna. • Na skutek zużywającego się materiału rozszczepialnego zmniejsza się współczynnik k, który musi być odpowiednio skompensowany. • Współczynnik k związany z neutronami natychmiastowymi jest stale utrzymywany nieco poniżej 1. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 60 Stan krytyczny • Niektóre produkty rozszczepienia, średnio po 10 s, emitują neutrony opóźnione. • Liczba neutronów opóźnionych jest niewielka, ale wystarcza do utrzymania reaktora w równowadze przy współczynniku mnożenia neutronów natychmiastowych mniejszym od 1. • Mała przerwa czasowa w pojawieniu się neutronów opóźnionych pozwała wprowadzić do rdzenia reaktora pręty regulacyjne i pręty bezpieczeństwa. • Pręty regulacyjne są tak ustawione, aby współczynnik k ~1. • Przy powolnym wyciąganiu pręta kontrolnego gęstość neutronów w rdzeniu reaktora rośnie. • Wówczas moc reaktora stale rośnie z prędkością, która zależy od czasu życia neutronów opóźnionych i 61 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny k. współczynnika Stan stabilny • Fizyczne parametry nie są jednakowe w całym wnętrzu rdzenia reaktora, a stopień krytyczności zależy od temperatury. • Aby lokalna zmiana krytyczności nie wywołała niekontrolowanej reakcji łańcuchowej, wzrost wydalanej mocy w reaktorze jądrowym musi stabilizować się spontanicznie, bez interwencji za pomocą prętów regulacyjnych. • Atomy 238U mogą silnie wpływać na pochłanianie neutronów wskutek zjawiska Dopplera, które zwiększa pozorną szerokość rezonansów absorpcyjnych. • Gdy rośnie temperatura zwiększa się zdolność pochłaniania neutronów przez 238U, co pozwała na spontaniczną stabilizację. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 62 Próżniowy współczynnik reaktancji • Do czynników, które odgrywają ważną rolę w stabilnej pracy reaktora jądrowego jest zdolność reaktora do chwilowego tolerowania – wzrostu temperatury – awarii układów służących do zatrzymania reakcji łańcuchowej. • Zdolność tę określa próżniowy współczynnik reaktancji – ujemny, gdy wzrost temperatury prowadzi do zatrzymania reakcji łańcuchowej bez interwencji z zewnątrz – dodatni, gdy wzrost temperatury prowadzi do wzmocnienia reakcji łańcuchowej. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 63 Stabilna praca reaktora • Do stabilnej pracy reaktora jądrowego niezbędne jest utrzymanie odpowiedniego bilansu neutronów. • Część neutronów natychmiastowych jest tracona w wyniku ich ucieczki na zewnątrz reaktora, absorpcji przez spowalniacz, chłodziwo, konstrukcję, produkty rozpadu oraz w wyniku reakcji nie prowadzących do rozszczepienia. • Reaktor pracuje stabilnie, gdy liczba aktów rozszczepienia jest stała w czasie. • Liczba neutronów w danym momencie musi być dokładnie równa liczbie neutronów potrzebnych do podtrzymania reakcji łańcuchowej czyli musi uwzględniać nieuniknione straty neutronów. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 64 Efektywny współczynnik mnożenia • Efektywny współczynnik mnożenia kef określa względny udziału neutronów wyzwolonych i traconych w reaktorze. • Jest to stosunek efektywnej liczby neutronów danej generacji do ich liczby w poprzedniej generacji. • Jeżeli kef = 1, reakcji jest w równowadze i reaktor znajduje się w stanie krytycznym. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 65 Regulacja mocy reaktora • Regulacji mocy reaktora sprowadza się do zmiany wartości efektywnego współczynnika mnożenia kef • Do zwiększenia mocy reaktora trzeba wartość kef powiększyć do wartości nieco większej od jedności. • Strumień neutronów będzie wówczas zwiększać się do chwili, w której przez usunięcie prętów regulacyjnych osiągnie się kef = 1 na wyższym poziomie mocy. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 66 Reaktywność • Reaktywność reaktora określa odchylenie przebiegu reakcji łańcuchowej w rdzeniu od stanu krytycznego 1 r 1 kef • Dla stanu krytycznego r = 0 • Początkowa reaktywność rdzenia jest kompromisem przeciwstawnych wymagań – powinna być duża żeby zapewnić długotrwałą pracę reaktora bez przeładowywania paliwa – powinna być ograniczona aby w dowolnych warunkach można było wyłączyć reaktor i utrzymać go w stanie podkrytycznym przez urządzenia sterujące. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 67 Bezpieczna praca reaktora • Ze względów bezpieczeństwa ze wzrostem temperatury (mocy reaktora) reaktywność powinna się zmniejszać, co zapewnia samoczynne ustalanie się mocy reaktora na mniejszym poziomie. • Prędkość procesów przejściowych charakteryzuje okres reaktora T. • Okres reaktora jest to czas, w którym, przy stałej reaktywności, gęstość strumienia neutronów (lub moc reaktora) zmieni się e-krotnie. • Jeżeli wartość okresu T zmniejszy poniżej wartości dopuszczalnej, automatycznie są zrzucane pręty bezpieczeństwa i następuje wyłączenie reaktora. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 68 „Nieucieczka” nautronów • Prawdopodobieństwa pozostania („nieucieczki”) neutronów w reaktorze stosuje się do oceny efektywnej populacji neutronów kef P k k - współczynnik mnożenia neutronów dla reaktora o nieskończenie dużych rozmiarach. • Prawdopodobieństwo P zwiększa się ze zwiększaniem się stosunku objętości do powierzchni zewnętrznej. • Przy projektowaniu reaktora poza doborem właściwych materiałów paliwowych, chłodziwa, proporcji konstrukcyjnych itd. trzeba zachować odpowiednie proporcje geometryczne rdzenia reaktora, zapewniające właściwy bilans neutronów. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 69 Kinetyka i dynamika reaktora • Kinematyka reaktora – zagadnienia związane z zachowaniem się populacji neutronów w reaktorze • wystarcza do opisu reaktorów małej lub zerowej mocy. • Dynamika reaktora – zagadnienia związane z efektami wpływającymi na zjawiska fizyczne zachodzące w rdzeniu (temperatura chłodziwa, cząstki pary w chłodziwie i spowalniaczu, oddziaływania produktów rozszczepienia itp.) • konieczne do opisu reaktorów dużej mocy. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 70 Sterowanie reaktorem • Sterowanie reaktorem polega na odpowiednim ustalaniu szybkości reakcji łańcuchowej tak, aby strumień neutronów w rdzeniu, proporcjonalny do wytwarzanej mocy, był dostosowany do aktualnej produkcji ciepła. • Bilans neutronów w rdzeniu w jednostce czasu określa wyrażenie: P - L - A = N, P - liczba produkowanych neutronów, L – liczba neutronów które uciekły z rdzenia, A – całkowita liczba pochłoniętych neutronów (prowadzących i nie prowadzących do rozszczepienia), N – liczba nadmiaru neutronów. • W celu utrzymania stałego poziomu mocy reaktora N = 0. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 71 Sterowanie reaktorem • Liczbę neutronów można regulować w różny sposób. • Liczbę produkowanych neutronów P można zmienić poprzez zmianę ilości paliwa w rdzeniu • Liczbę uciekających neutronów L przez zmianę geometrycznego kształtu rdzenia lub wprowadzenie reflektora. • Liczbę A poprzez wprowadzenie do obszaru rdzenia prętów regulacyjnych. • Odpowiednie wprowadzenie prętów regulacyjnych może spowodować, wygaśnie proces rozszczepienia. • Wyciągniecie prętów regulacyjnych może znowu uruchomić reakcję łańcuchową. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 72 Sterowanie reaktorem • Skuteczne sterowanie reaktorem jest możliwe, gdy istnieje odpowiedni zapas reaktywności r w rdzeniu, czyli nadmiar paliwa w stosunku do masy krytycznej. • W takich warunkach w każdej chwili poprzez wysunięcie prętów regulacyjnych można wprowadzić reaktor w stan nadkrytyczny. • Reaktor, w którym ilość paliwa w rdzeniu jest dokładnie równa masie krytycznej już po kilku poziomach procesu lawinowego osiągnie stan podkrytyczny i reakcja łańcuchowa wygaśnie. • Początkowy nadmiar paliwa musi być jednak skompensowany przez wprowadzenie do rdzenia prętów kontrolnych. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 73 Sterowanie reaktorem • Podczas ciągłej pracy reaktora zmniejsza się sukcesywnie początkowy zapas reaktywności. • Powodem jest zarówno zmniejszanie się liczby rozszczepialnych jąder 235U, jak i „zatrucie” rdzenia w wyniku powstawania w produktach rozszczepienia izotopów silnie pochłaniających neutrony. • Te efekty są w pewnym stopniu kompensowane przez powstawanie w rdzeniu rozszczepialnych jąder 239Pu z izotopu uranu 237U. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 74 Sterowanie reaktorem • Przy regulacji reaktywności za pomocą prętów kontrolnych musi być zachowana niezwykła ostrożność – niewielki wzrost współczynnika mnożenia k powyżej 1 powoduje lawinowy przyrost liczby neutronów w rdzeniu – przy wzroście liczby k o 0,01 liczba neutronów w czasie 1s wzrasta 104 razy. • Przy tak szybkim narastaniu mocy sterowanie reaktorem byłoby praktycznie niemożliwe, gdyby nie istniały neutrony opóźnione. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 75 Pierwszy reaktor jądrowy • Pierwszy reaktor jądrowy, nazywany wtedy stosem atomowym został zbudowany w 1942 roku w Chicago przez zespół fizyków kierowany przez Enrico Fermiego. • Reaktor zbudowano w pokoju do gry w squasha pod trybunami stadionu Uniwersytetu w Chicago. • Budowę stosu zaczęto od ułożenia kilku warstw grafitowych cegieł (pełniących rolę moderatora) na małym źródle neutronów. • Następnie układano warstwy grafitu zawierające uran metaliczny 235U lub tlenek uranu. • Uran był umieszczony w grafitowych cegłach w postaci małej kulki. • Ułożono „kopiec” szerokości ok. 7,5 m i wysokości ok. 6 m składający się z 350 ton grafitu, 36,5 ton tlenku uranu i 5,6 ton metalicznego uranu. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 76 Stos Fermiego Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 77 Pierwszy reaktor jądrowy • Kontrola reakcji rozszczepienia odbywała się za pomocą prętów kadmowych. • Stos posiadał dwa systemy bezpieczeństwa. • Pierwszy - człowiek z siekierą, który w razie niebezpieczeństwa przecinał sznur na którym wisiały tzw. pręty bezpieczeństwa z kadmu. – po przecięciu pręty opadały i reakcja zostawała zatrzymana. • Drugi - grupa ludzi stojąca na szczycie stosu zaopatrzona w wiadra z wodą bromowaną, którą w razie niebezpieczeństwa wylewali na stos. – woda bromowana bardzo silnie pochłania neutrony i dodatkowo przejmuje ciepło wydzielone w czasie reakcji. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 78 Pierwszy reaktor jądrowy • Uzyskanie samopodtrzymującej się reakcji jądrowej nastąpiło 12 grudnia 1942 roku o godzinie 3.25 lokalnego czasu. • Kadmowe pręty sterujące były stopniowo wyciągane z wnętrza stosu i po każdym małym kroku wykonywano obliczenia, aby sprawdzić czy reakcja jest samopodtrzymująca się. • Moc pierwszego reaktora była niewielka i wynosiła około 200W. • Po eksperymencie sterujące pręty kadmowe były wsunięte i reakcja łańcuchowa została zatrzymana. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 79 Reaktory badawcze • Reaktory naukowe i doświadczalne: – badania elementów reaktorów – badania wiązek neutronów, – naświetlanie neutronami, – produkcja izotopów promieniotwórczych – zastosowanie medyczne Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 80 Reaktor jądrowy MARIA • Jedyny obecnie w Polsce reaktor jądrowy MARIA znajduje się w Instytucie Energii Atomowej IEA w Świerku k. Otwocka, niedaleko Warszawy • Reaktor Maria uruchomiony w grudniu 1974 roku • Zbudowany w Polsce zgodnie z dokumentacją radzieckiego reaktora MR w Instytucie Kurczatowa w Moskwie. • Nazwa MARIA na cześć Marii Skłodowskiej-Curie. • Jest reaktorem naukowo-badawczym. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 81 Reaktor jądrowy MARIA • • • • • • Moc cieplna pojedynczego kanału - 1.8 MW Moc reaktora - 30 MW Typ reaktora: basenowy Moderator - woda i beryl Reflektor - grafit i woda Strumień neutronów termicznych: – w paliwie 2.51014 n/cm2s – w berylu 4.0 1014 n/cm2s • Pracuje 3300 godzin rocznie Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 82 Reaktor jądrowy MARIA • Rdzeń reaktora: – ciśnieniowe kanały paliwowe – pręty regulacyjne – matryca z bloków berylowych. • Wokół rdzenia - bloki grafitowe jako reflektor. • Całość w obudowie zamocowana na dnie basenu. • Obok basenu reaktora jest basen paliwowy do okresowego przechowywania wypalonego paliwa. • Pełni on również rolę podwodnej drogi transportowej do komór gorących i komory demontażowej. • Baseny oddzielone są śluzą. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 83 Reaktor jądrowy Maria kanał reaktora Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny kanał paliwowy 84 Reaktor jądrowy Maria Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 85 Reaktor Reaktorjądrowy jądrowyMARIA Maria Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 86 Reaktor Reaktorjądrowy jądrowyMARIA Maria Widok na basen z rdzeniem reaktora Rdzeń umieszczony jest na głębokości 7-miu metrów Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 87 Reaktor Reaktorjądrowy jądrowyMARIA Maria Basen przechowawczy - zużyte paliwo i instrumenty pomocnicze Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 88 Reaktor jądrowy Maria • Kanały paliwowe: – rury z elementem paliwowym umieszczone w rdzeniu reaktora między blokami berylowymi, • stacjonarne • z ruchomym elementem paliwowym – mają indywidualne podłączenia układu chłodzącego. oddzielne zawory odcinające na wejściu i wyjściu wody chłodzącej, przepływającej pod ciśnieniem. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 89 Reaktor jądrowy Maria • Kanał stacjonarny – pręt paliwowy mocowany za pomocą zamka kulowego, – element paliwowy przymocowany jest do wewnętrznej rury kanału. • Kanał z ruchomym elementem paliwowym – dłuższy, wewnętrzna rura kanału zawieszona jest na pręcie wyprowadzonym poprzez dławicę na zewnątrz, – możliwe przemieszczanie elementu paliwowego w kanale – elementy paliwowe poruszane są dwoma silnikami o mocy 40W. • W wyłączonym reaktorze ruchome elementy paliwowe znajdują się pod rdzeniem. – przed rozruchem są podnoszone i wprowadzane do rdzenia. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 90 Reaktor jądrowy Maria • Element paliwowy składa się z 6 koncentrycznych rur (jedna w drugiej) o długości 1 m, pokrytych aluminiową koszulką. • Każda rura zbudowana jest z dyspersji uranu UAlx(UO2) w Al. • Wzbogacenie uranu 235U : – w pierwszych latach 80% – obecnie 36%. • Elementy paliwowe produkowane są w Rosji. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 91 Reaktor Reaktorjądrowy jądrowyMARIA Maria Element paliwowy gotowy do włożenia do pochwy Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 92 Reaktor jądrowy MARIA Reaktor Reaktorjądrowy jądrowyMARIA Maria Świeży element paliwowy Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 93 System chłodzenia reaktora jądrowego Maria • Pierwotny obieg chłodzenia paliwa: – woda przepływa między rurami kanałów paliwowych – ciśnienie przepływającej wody wynosi (zależnie od miejsca) od 0.8 MPa do 1.8 MPa – maksymalna temperatura paliwa osiąga 450 K – przepływ chłodziwa (wody) wynosi: • przez kanał paliwowy 30 m3/h • przez obieg 600 ÷ 700 m3/h Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 94 System chłodzenia reaktora jądrowego Maria • Drugi pierwotny obieg chłodzenia: – basen wodny, w którym zanurzony jest reaktor • Ciśnienie atmosferyczne ok. 1000 hPa • Temperatura: – na wlocie 323 K – na wylocie 333 K • Przepływ wody w basenie wynosi 1400 m3/h Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 95 Pręty bezpieczeństwa reaktora jądrowego Maria • Pręty bezpieczeństwa i kompensacyjne (pochłaniające) – umieszczone w kanałach znajdujących się w blokach berylowych • Konstrukcja napędów i kanałów dla wszystkich trzech rodzajów prętów jest jednakowa – umożliwia optymalny wybór funkcji pracy każdego z zainstalowanych prętów. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 96 Matryca rdzenia i reflektor reaktora jądrowego Maria • • • • Matryca rdzenia składa się z bloków berylowych. Reflektor składa się z bloków grafitowych. Bloki mają te same wymiary zewnętrzne. Bloki grafitowe są ściętymi ostrosłupami o podstawie kwadratowej, część ma ścięte naroża. • Górny wymiar bloku (nakładki) wynosi 140 mm, dolny zaś 120 mm. • Wysokość bloków wraz z nakładkami wynosi 1585 mm. • Układ stożkowy pozwala na zainstalowanie nad rdzeniem większych elementów reaktora i urządzeń doświadczalnych. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 97 Matryca rdzenia i reflektor reaktora jądrowego Maria • Bloki grafitowe są osłonięte cienką blachą aluminiową. • Ze względu na możliwość pracy bloku w temperaturze przekraczającej 1000 K, grafit został odgazowany w próżni w temperaturze około 1000 K i nasycony azotem. • Szczelina między osłoną, a grafitem jest wypełniona azotem. • Analogiczną geometrię mają bloki berylowe ale nie mają osłony. • Między blokami znajdują się szczeliny ok. 1,5 mm, przez które może swobodnie przepływać chłodziwo. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 98 Reaktor Reaktorjądrowy jądrowyMARIA Maria Reaktor w czasie pracy Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 99 Reaktor Reaktorjądrowy jądrowyMARIA Maria Wymiana elementu paliwowego Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 100 Reaktor jądrowy EWA • Pierwszy polski reaktor EWA (Eksperymentalny, Wodny, Atomowy). • Reaktor EWA był reaktorem naukowo-badawczym. • Został sprowadzony z b.ZSRR i zamontowany w Świerku. • Pierwszy raz uruchomiony w roku 1958 • Początkowa moc 2 MW, stopniowo zwiększana 10 MW. • Reaktor został definitywnie zamknięty w roku 1995. • Pozostała pusta konstrukcja, która będzie służyć do przechowywania odpadów radioaktywnych. • Hala reaktora EWA znajduje się ok. 300 metrów od hali reaktora MARIA. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 101 Reaktor jądrowy EWA Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 102 Reaktor jądrowy EWA Górna część korpusu reaktora EWA. Mechanizmy sterujące i korby obrotowe Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 103
