PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2017

Transkriptio

1 PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2017 Prof. Filip Tuomisto Reaktorifysiikan perusteita, torstai

2 Ydinenergiatekniikka lämmön- ja siten sähköntuotanto ydinreaktioiden avulla keitetään vettä ja höyry pyörittää turpiineja poikkeaa perinteisestä höyryturpiinilaitoksesta polttoaineen suuren tehotiheyden vuoksi lämpö syntyy ydinreaktioista, ei kemiallisesta palamisesta aiheuttaa ylimääräistä päänvaivaa polttoaineen palamisen hallinta edellyttää melko vaikean fysiikan ymmärtämistä (ei tällä kurssilla) ydinvoimalaitos on varsin monimutkainen järjestelmäkokonaisuus johtuu osittain turvallisuuden varmistamisesta

3 Päivän aiheet Fissio, polttoaine, neutronit Kasvutekijä, kriittisyys Reaktorikinetiikka Reaktiivisuus Fissiotuotteet, jälkilämpö

4 Ydinreaktiot, fissio Fissiossa syntyy: kaksi keskiraskasta ydintä, nämä tytäraineineen ovat fissiotuotteita uusia nopeita neutroneja (U-235: keskimäärin 2,42 kpl) energiaa n. 200 MeV (n. 3 x J) Fissioneutronien energia on keskimäärin 2 MeV suurin osa syntyy kerkeinä välittömästi polttoaineytimen haljetessa pieni osa syntyy viivästyneinä fissiotuotteiden hajotessa. U-235: β = 0,65 % Muita ydinreaktioita: kaappaus sironta

5 Kriittisyys, kasvutekijä kasvutekijä: uuden sukupolven neutronien lukumäärän suhde edellisen sukupolven neutronien määrään oikeammin: uusien neutronien syntymisnopeuden suhde neutronien häviämisnopeuteen (todellisuudessa neutronisukupolvia ei ole) kasvutekijä k eff = εpfηp nl ε : nopean fission tekijä p : resonanssin välttämistodennäköisyys f : terminen käyttösuhde η : fissiota kohti syntyvät neutronit P nl : vuotamattomuustekijä kasvutekijän suhde 1:een määrää kriittisyyden (k < 1 alikriittinen, k = 1 kriittinen, k > 1 ylikriittinen)

6 Kinetiikkaa, osa I Säilymislaki: neutronien lukumäärän muutosnopeus = neutronien syntynopeus neutronien häviämisnopeus Ratkaisu: n(t) = n(0) e (k 1)t/L, missä L on neutronien keskimääräinen elinaika reaktorissa Tyypillisissä kevytvesireaktoreissa L = 100 µs. Onko tällainen reaktori säädettävissä? Ilmiselvästi jotain on nyt unohdettu Tässä oletettiin kaikki neutronit kerkeiksi, mitenköhän käy jos huomioidaan myös viivästyneet?

7 Kinetiikkaa, osa II Määritellään tehollinen elinaika L eff = (1 β)l + β τ, missä β on viivästyneitten neutronien osuus ja τ niiden keskimääräinen viive (U-235: τ = 13s) Laitetaan edellisen kalvon ratkaisuun L:n paikalle L eff, mitenköhän neutroneille käy? Viivästyneet neutronit dominoivat! Varoitus: tämäkin on yksinkertaistus Pätee vain, jos k < 1 + β Muutoin reaktori on kerkeästi ylikriittinen

8 Reaktiivisuus Kätevämpi suure: reaktiivisuus ρ = (k 1)/k k 1 Miten kriittisyydet nyt määritellään? Toinen kätevä suure: reaktorin periodi Tehonmuutoksen tyypillinen aika T = L eff / (k 1) = L eff / ρ Mikä määrää reaktiivisuuden? Miten sen tulee käyttäytyä? Oleellista: tehon reaktiivisuuskerroin Stabiilille reaktorille dρ / dp < 0

9 Reaktorin säätö

10 Fissiotuotteet, jälkilämpö Reaktorissa syntyy kymmeniä erilaisia fissiotuotenuklideja suurin osa radioaktiivisia, hajoaa itsestään β-hajoamisella myös ns. reaktorimyrkkyjä, kuten Xe-135 ja Sm-149 (absorboivat voimakkaasti neutroneja) Neutronit aktivoivat myös rakennemateriaaleja, kuten terästä myös korroosiotuotteet jäähdytteessä Jälkilämpö aiheutuu radioaktiivisista fissiotuotteista! Nämä ovat erityisen tärkeitä asioita kun polttoainetta poistetaan reaktorista jne.

11 Yhteenveto Ydinreaktorin toiminta perustuu polttoaineen fissioketjureaktioon ja siinä vapautuvaan lämpöön Neutronit avainasemassa, puhutaankin neutroniikasta teho suoraan kytköksissä fissioita aiheuttavien neutronien määrään Stabiilisuuden hallinta oleellista yksinkertaisilla malleilla voidaan selittää toimintaa kvalitatiivisesti Radioaktiivisuus hankala sivutuote

12 Pohdiskellaan hieman kriittisyyttä Mitä tapahtuu U-235-polttoaineen fissioihin perustuvassa tyypillisessä kevytvesiydinreaktorissa yhdessä sekunnissa, jos reaktiivisuus yhtäkkiä kasvaa 50 pcm? Vertaa kahta tilannetta: huomioidaan vain kerkeät neutronit huomioidaan sekä kerkeät että viivästyneet neutronit

13 Kotitehtävä maanantaiksi Lue kappaleet (laitostyypit, turvallisuus-järjestelmät, kehityssuuntia, sivut 41 78) Jorma Sandbergin toimittamasta Säteilyturvakeskuksen (STUK) julkaisemasta Ydinturvallisuus -kirjasta (Karisto Oy, 2004). Vastaa (kirjallisesti) seuraaviin kysymyksiin: Mitkä ovat Suomessa käytössä olevat voimalaitostyypit? Mitä muita laitostyyppejä on? Mitkä ovat eri laitostyyppien tärkeimmät yhtäläisyydet ja erot? Mitkä ovat tärkeimmät turvallisuustoiminnot? Mikä on suojarakennuksen tehtävä? Millaisia sähkö- ja automaatiojärjestelmiä ydinvoimalaitos sisältää? Miten aktiiviset ja passiiviset turvallisuusjärjestelmät poikkeavat toisistaan? lisäksi edellisen kalvon pohdiskelutehtävät