Reaktorifysiikan laskentamenetelmät

Transkriptio

1 Reaktorifysiikan laskentamenetelmät Jyrki Peltonen Sekretessklass: Öppen (S1) 1 Reaktorifysiikan laskentamenetelmät Doc.no Jyrki Peltonen

2 Tehoreaktorien sijainti (430 kpl) maailmankartalla

3 Ydinvoimalaitokset (186 kpl) Euroopassa Källa: Svenska grafikbyrån/ski

4

5 NASA Visible earth

6 6 Reaktorifysiikka laskentamenetelmät Doc.no Jyrki Peltonen

7 Ydinreaktorifysiikka Osa reaktorianalyysia Neutronireaktioiden fysiikkaa Fissioketjureaktio ydinvoimalaitoksen reaktorisydämessä Neutronien liike-energia vaihtelee fissiossa vapautuvista nopeista 10 MeV hidastuneiseen, jotka ovat termisessä tasapainossa Neutrorinen hidastuminen, sironta ja absorptio Laskentamenetelmät ovat yksityiskohtaisia ja tarkkuus on hyvä 7 Reaktorifysiikan laskentamenetelmät Doc.no Jyrki Peltonen

8 Reaktorifysiikka Ydinreaktorin fysiikalla tarkoitetaan fissioketjureaktion fysiikkaa reaktorisydämessä tai vastaavassa Kaikki keskeinen reaktorifysiikka on koottuna nippupalamaohjelmiin, joilla ratkaistaan neutroninkuljetusyhtälö tasogeometriassa Myös satunnaisluvun avulla tapahtuva neutronipolkujen Monte- Carlo-simulointi on yleistynyt erityisesti tutkimustyössä Neutronin rata on suoraviivainen törmäysten välillä 8 Reaktorifysiikan laskentamenetelmät Doc.no Jyrki Peltonen

9 Esimerkki reaktorifyysikan vaiheista Perusydinvakiokirjastot JEF, ENDF-B Mittaustulokset, ydinfysiikka Moniryhmäisten kirjastojen luonti NJOY Laaditaan kerran Neutroninkuljetusyhtälön ratkaiseminen CASMO Kullekin polttoainenipulle 2-ryhmävakioiden parametrisointi CMS-LINK Reaktorin eri käyttötilat 3-ulotteinen kokosydämen malli SIMULATE-3 Reaktorianalyysit 9 Reaktorifysiikan laskentamenetelmät Doc.no Jyrki Peltonen

10 Atomin ja ytimen rakenne Protonit ja neutronit muodostuvat kolmesta kvarkista vahva vuorovaikutus Atomiytimet muodostuvat protoneista ja neutroneista vahvan vuorovaikutuksen jäännösvoima Protonien ja neutronien kokeman vahvan vuorovaikuksen kantama on keskikokoisen ytimen halkaisija Sidosenergian suurusluokat: Molekyylit ev; Ytimet MeV; Kvarkit GeV (1 ev = 1,6 x J) Atomi on hyvin pieni. Ydin paljon pienempi. Jos ytimen halkaisija olisi 10 cm olisi atomin halkaisija 1 km. 10 Reaktorifysiikan laskentamenetelmät Doc.no Jyrki Peltonen

11 Ydinfysiikkaa Vahva vuorovaikutus sitoo nukleonit yhteen mutta sähköinen hylkimisvoima pyrkii rikkomaan ytimen Neutronit osaltaan liima vahvan vuorovaikutuksen kautta Ytimen säde R = 1,25 x A 1/3 fm Säilymislakeja ydinreaktiossa: massa ja energia, varaus, nukleoniluku, liikemäärä (ja kvanttifysiikan säilymislait) Ydin hajoaa tai ytimen viritystila purkautuu ilman ulkoista vaikutusta - Alfa-hajoaminen (heliumydin) - Beeta-hajoaminen (elektoni tai positroni) - Gamma-aktiivisuus (sähkömagneettinen kvantti) 11 Reaktorifysiikan laskentamenetelmät Doc.no Jyrki Peltonen

12 Sidosenergia nukleonia kohti Keveiden ytimien yhdistymissä (fuusio) rautaan (Fe) asti vapautuu energiaa Raskaiden ytimen halkeamisessa (fissio) rautaan (Fe) asti vapautuu energiaa Varauksetomana, vahvasti vuorovaikuttava neutroni pääse ytimen ydinvoiman kantaman piiriin Hyvin raskaat ytimet voivat haljeta ylimääräisen neutronin läsnäolosta 12 Reaktorifysiikan laskentamenetelmät Doc.no Jyrki Peltonen

13 Neutronireaktioita Elastinen sironta (kohtioytimen viritystila ei muutu, biljardipallotörmäys): A Z(n,n) A Z Epäelastinen (kohtioydin virittyy): A Z(n,n ) A Z* Neutronikaappaus: A Z(n,γ) A+1 Z Varattujen hiukkasten tuottoreaktiot: A Z(n,p) A Y, A Z(n,α) A-3 X Neutronien tuottoreaktiot: A Z(n,2n) A-1 Z, A Z(n,3n) A-2 Z Fissio: A Z(n,f) B X + C Y + ν n 13 Reaktorifysiikan laskentamenetelmät Doc.no Jyrki Peltonen

14 Neutronivaikutusala Todennäköisyys sille, että neutroni liikkuessaan törmää ja aiheuttaa kyseisen neutronireaktion Neutronin kokema ytimen poikkipinta-ala Yksikkö barn (b), 1 b = m 2 Vaikutusalat riippuvat neutronin liikeenergiasta Suuruus vaihtelee nuklidien välillä, esim. Xe-135:n terminen absorptiovaikutusala on 2 x 10 6 barn, eli neutroni näkee ytimen halkaisijan tuhat kertaisena Viereisessä esimerkissä U-238:n absorptiovaikutusala 14 Reaktorifysiikan laskentamenetelmät Doc.no Jyrki Peltonen

15 Kevytvesireaktorin ja nopean reaktorin neutronivuo Fissioneutroni km/s, terminen neutroni 2,2 km/s

16 Fissio U-235:n fissiossa vapautuva energia (MeV) ja kantama: Fissiotuotteiden liike-energia 168 alle 1 mm Kerkeät fissiogammat 7 0,1 1 m Kerkeät neutronit 5 0,1 1 m Neutroniabsorptiogammat 7 0,1 1 m Fissiotuotteiden beeta-hajominen Elektronien liike-enegia 8 1 mm Neutriinojen liike-energia 12 ääretön 16 Reaktorifysiikan laskentamenetelmät Doc.no Jyrki Peltonen

17 Fissiotuotteet Fissiotuotteiden jakautuma kaksihuippuinen (ydin halkeaa massaluvultaan suuremmaksi ja pienemmäksi ytimeksi) Neutroneja ylimäärin, joten fissiotuotteet beeta-hajoavat 17 Reaktorifysiikan laskentamenetelmät Doc.no Jyrki Peltonen

18 Jälkilämpö ja käytetty polttoaine 0.07 Kevytvesireaktorin suhteellinen jälkilämpöteho Suhteellinen jälkiteho (-) e+006 1e+007 1e+008 1e+009 Aika sammutuksesta (s) Fissiotuotteiden ja transuraanien hajoamisenergia ensin 7% ja kolme tuntia sammutuksesta 1% Fissiotuoteet ja transuraanit ovat käytetyssä polttoaineessa, esimerkin kuva säteilyvaarallisuus nautittuna verrattuna luonnonuraanin nauttimiseen (luonnonuraani suora pisteviiva) suorassa loppusijoituksessa ja uudelleen kierrätettynä 18 Reaktorifysiikan laskentamenetelmät Doc.no Jyrki Peltonen

19 Hallittu ketjureaktio Kasvutekijä k = tuotettujen neutronien suhde poistuviin neutroneihin Kriittinen reaktori, kun k = 1 (teho vakio) Alikriitinen reaktori, kun k < 1 (teho sammuu) Ylikriitinen reaktori, kun k > 1 (teho kasvaa) Esimerkkinä kaksiryhmäteorian kasvutekijä: k = νσ f 1 + νσ f 2 Σ Σ + Σ + a1 12 a2 Σ12 + D B D B Reaktorifysiikan laskentamenetelmät Doc.no Jyrki Peltonen

20 Polttoainenipun kasvutekijä k palaman funktiona 20 Reaktorifysiikan laskentamenetelmät Doc.no Jyrki Peltonen

21 Reaktorisydämen palamajakautuma (osa 700 nipusta)

22 Reaktorisydämen tehojakautuma (osa 700 nipusta)

23 Kaksiryhmävaikutusalat Numero Symboli Vaikutusalatiedoston suure 1 τ Palama [MWd/kgU] 2 D 1 Nopean ryhmän diffuusiokerroin [cm] 3 Σ a1 Nopean ryhmän absorptiovaikutusala [cm -1 ] 4 νσ f1 Nopean ryhmän fissiotuottovaikutusala [cm -1 ] 5 Σ 12 Siirtovaikutusala [cm -1 ] 6 D 2 Termisen ryhmän diffuusiokerroin [cm] 7 Σ a2 Termisen ryhmän absorptiovaikutusala [cm -1 ] 8 νσ f2 Termisen ryhmän fissiotuottovaikutusala [cm -1 ] 9 A df1 Nopean ryhmän vuon epäjatkuvuustekijä [-] 10 A df2 Termisen ryhmän vuon epäjatkuvuustekijä [-] 11 σ Xe Ksenonin mikroskooppinen terminen absorptiovaikutusala [bar 12 1/v 1 Nopean ryhmän neutronien nopeuden inversi [1/(cm/s)] 13 1/v 2 Termisen ryhmän neutronien nopeuden inversi [1(cm/s)] 14 σ a1, Pu-239 Pu-239:n mikroskooppinen absorptiovaikutusala, ryhmä 1 [bar 15 σ a2, Pu-239 Pu-239:n mikroskooppinen absorptiovaikutusala, ryhmä 2[barn 16 Σ c1, U-238 U-238:n kaappausvaikutusala, nopea ryhmä [cm -1 ] 17 Σ c2, U-238 U-238:n kaappausvaikutusala, terminen ryhmä [cm -1 ] [1/(cm 2 s 18 N Pu239 Pu-239 atomitiheys homogenisoidussa nipussa [1/cm -3 ] 19 Σ f1 Nopean ryhmän fissiovaikutusala [cm -1 ] 20 Σ f2 Termisen ryhmän fissiovaikutusala [cm -1 ] 21 ε Fissioenergia [Ws/fissio] 22 γ I Jodin fissiotuotto-osuus [-] 23 γ Xe Ksenonin fissiotuotto-osuus [-] 24 γ Pm Prometiumin fissiotuotto-osuus [-] 25 σ Sm Samarium mikroskooppinen terminen absorptiovaikutusala [ba β 1, β 2, β 3, β 4, β 5, β 6 Viivästyneiden neutronien fissiotuotto-osuus [-]

24 Reaktorifysikaaliset takaisinkytkennät Σ = + nom Σ a x1 + a2x1 a3x1 + a x + a x a x + a x + N σ ( x,..., x ) + N σ Xe Xe 1 7 Sm Sm = ρ ρ 1 nom x c, eff c, eff ( ) nom c eff c eff x2 = T, T, / 300 ( nom ) f f x3 = T T / 50

25 Kaksiryhmäinen neutronien diffuusioyhtälö D D φ ( a1 12) 1 ( f 1 1 f 2 2) 2 φ + Σ 2 Σ a2 φ + Σ 2 = Σ φ = 12 φ 1 1 k νσ φ + νσ φ Φ = neutronivuo, Φ = neutronien määrä yksikkötilavuudessa x nopeus Indeksi 1 on nopeiden neutronien energiaryhmä Σ Indeksi 2 on termistern neutronien energiaryhmä Ainevakiot, diffuusiokerroin D ja vaikutusalat Σ riippuvat paikasta sekä reaktorin tilamuuttujista Tilamuuttujia ovat polttoaineen lämpötila, jäädytteen tiheys ja jäädytteen (molekyyli)lämpötila Yhtälöstä ratkaistaan ominaisarvo k ja neutronivuojakautumat eli nopea ja terminen vuo, Φ, paikkariippuvina. Tämän jälkeen voidaan laskea tehojakautuma ja muita suureita 25 Reaktorifysiikan laskentamenetelmät Doc.no Jyrki Peltonen

26 Esimerkki neutroninkuljetusyhtälöstä ψ(r,e,ω,t) = vuo neutronin paikan, liikenergian, liikesuunnan ja ajan funktiona Termit vasemmalta: Vuon muutos ajassa + nettovuoto + kaikki neutronireaktiot = neutronien sironta uuteen kulmaan ja energiaa + pysyvä neutronilähde + fissiossa syntyvät neutronit 26 Reaktorifysiikan laskentamenetelmät Doc.no Jyrki Peltonen

27 Esimerkki dynaamisesta onnettomuusanalyysista Loviisan reaktorin höyryputken katko Kuvassa reaktoriteho Reaktori jäähtyy höyrystimen sekundääripiirin kiehuessa kuiviin Jäähtymisen ja säätösauvaan oletetun lisävian seurauksena reaktori tulee uudelleen kriittiseksi 100 s kohdalla

28 Forsmark 3 (inkl. haverifilter)

29 Forsmark 3

30 Keihutusvesireaktorin pääprosessi

31 Ydinvoimalaitoksen valvomo

32 Polttoainepelletti ja polttoainenippu

33 Ydinpolttoaineen tekniikan kehitys Westinghouse, tidigare Asea Atoms, bränsleutveckling 8x8 SVEA-64 (8x8) SVEA-100 (10x10) SVEA-96 (10x10)

34 Kiehutusvesireaktori

35 Neutronivuon ilmaisimet LPRM - U-235 fissiokammio, fertiilin U- 234 suhteen sopivasti väkevöitynä - Kiinteästi sydämessä, sondiputkissa (28 kpl) neljällä korkeudella, sondit polttoainenippujen välissä APRM - LPRM:n keskiarvo - Neljä kanavaa reaktoripikasululle WRNM - Kymmenen dekadin mittausalue reaktorin käynnistysalueelle, 8 kpl TIP - Sydämeen ajaettava liikkkuva sondi, mittaa fissiogammaa

36 Tehojakaumaa mitaan jatkuvasti (LPRM) sekä kerran kuussa (TIP) 36 Reaktorifysiikan laskentamenetelmät Doc.no Jyrki Peltonen