Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Elementy teorii reaktorów jądrowych Opracował: Adam FIC.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Elementy teorii reaktorów jądrowych Opracował: Adam FIC."— Zapis prezentacji:

1 Elementy teorii reaktorów jądrowych Opracował: Adam FIC

2 Elementy teorii reaktorów jądrowch2 Podstawowe pojęcia i jednostki Dualizm w mechanice kwantowej, zasada de Brogliea Materia korpuskularna – fala elektromagnetyczna, Materia polowa (prom. elektromagnetyczne) – pęd, Masa m, 1u (jednostka masy atomowej) = 1/12 m( ) = 1.66· kg Relatywistyczny przyrost masy: c=2.9979·10 8 m/s

3 Elementy teorii reaktorów jądrowch3 Podstawowe pojęcia i jednostki Energia E, 1 eV (elektronowolt) = 1.602· J Energia całkowita cząstki korpuskularnej (zasada równoważności masy i energii Einsteina): 1 u = MeV Energia spoczynkowa: Energia kinetyczna: dla małych prędkości (v<

4 Elementy teorii reaktorów jądrowch4 rodzaje cząstek Neutrony n, Protony p, Cząstki, elektrony, pozytony Cząstki, fotony Neutrino Antyneutrino m 0 –masa ładunek spoczynkowa u u 1 e 4 u 2 e ·10 -4 u -e, +e - T 1/2 =12.8 s 1 e =1.602· C neutrony termiczneepitermiczne (pośrednie)prędkie E< 1 eVE> 100 keV

5 Elementy teorii reaktorów jądrowch5 Osłabianie cząstek

6 Elementy teorii reaktorów jądrowch6 Budowa jądra atomowego Nuklidy X – symbol chemiczny pierwiastka Z – liczba porządkowa=liczba protonów w jadrze A – liczba nukleonów w jądrze Izotopy – różne A Izobary – różne Z - promień jądra, R 0 1.3· cm Odziaływania pomiędzy nukleonami: siły jądrowe i coulombowskie

7 Elementy teorii reaktorów jądrowch7 Budowa jądra atomowego, reakcje jądrowe Przykład Model jądra złożonego Zasady zachowania: - liczby nukleonów - ładunku - energii całkowitej

8 Elementy teorii reaktorów jądrowch8 Budowa jądra atomowego, energia wiązania

9 Elementy teorii reaktorów jądrowch9 Rozpad radioaktywny Rodzaje rozpadów Rozpad Rozpad - Wychwyt K Rozpad +

10 Elementy teorii reaktorów jądrowch10 Rozpad radioaktywny, prawo rozpadu prawo rozpadu Aktywność 1Ci=3.7·10 10 Bq, s -1 – stała rozpadu Okres półrozpadu T 1/2 Def: Średni czas życia t s Łańcuch promieniotwórczy ???

11 Elementy teorii reaktorów jądrowch11 Oddziaływanie promieniowania na organizmy żywe Oddziaływania promieniowania ( n ) w ośrodkach materialnych - jonizacja, - wywoływanie reakcji jądrowych, - pochłanianie energii. Skutki oddziaływania promieniowania na tkanki organizmów żywych - somatyczne, - genetyczne. Dawki promieniowania - dawka ekspozycyjna (X, gamma), - dawka pochłonięta - równoważnik dawki C/kg, 1R (Rentgen) = C/kg Grej (Gy), 1 Gy = 1 J/kg = 100 rd (rad) Sivert (Sv), 1 Sv= 100 rem Współczynnik jakości Q - X, gamma powyżej 30 keV- 1 - powyżej 30 keV- 1 - trytu- 2 -, neutrony, protony, ciężkie jony neutrony termiczne- 4.5 Moce dawek Źródła otwarte i zamknięte !

12 Elementy teorii reaktorów jądrowch12 Dawki promieniowania Dawki dopuszczalne - narażenie zawodowe: całe ciało50 mSv oczy150 mSv inne, skóra500 mSv - zawodowe awaryjnie całe ciało0.5 Sv pojedyncze narządy 3 Sv - zawodowe, kobiety do 45 lat 12 mSv -ludzie nie pracujący z prom., młodociani i kobiety w ciąży całe ciało 1 (5)mSv oczy 15 mSv inne, skóra 50 mSv Narażęnie średnie w Polsce - tło naturalne2.7 mSv - narażenie medyczne0.85 mSv Skutki narażenia Dawka w Sv 6,00 - prawie 100% zgonów Narażenie średnie na świecie Napromieniowanie ze źródeł naturalnych - 2,4 mSv 1. Promieniowanie kosmiczne -0,4mSv 2. Promieniowanie z gleby - 0,4 mSv 3. Pierwiastki radioaktywne wchłaniane lub wdychane - 1,6 mSv Napromieniowanie ze źródeł sztucznych - 1,1 mSv 4. Napromieniowanie pochodzenia medycznego - 1 mSv 5. Działalność przemysłowa - 0,1 mSv

13 Elementy teorii reaktorów jądrowch13 Średnie dawki po awarii w Chernobylu w pierwszym roku

14 Elementy teorii reaktorów jądrowch14 Reakcje jądrowe neutronów – przekroje czynne oddziaływanie total rozpraszanie scattering rozpr. sprężyste elastic scatt.inelastic scatt. rozpr. niesprężyste pochłanianie absorpion rozszczepienie fission (n, ) (n,p)(n,2n) Model jądra złożonego reakcji (przykład):Przekroje czynne (mikroskopowe i makroskopowe) mikroskopowe cm 2 1 barn= cm 2 makroskopowe cm -1

15 Elementy teorii reaktorów jądrowch15 Reakcje jądrowe neutronów – przekroje czynne Przekroje czynne interpretacja def: przykłady: H 2 O, sH =38 b, sO =4.2 b Sposób 1 Sposób 2 Przykładowa zależność przekrojów czynnych od energii neutronów Przykładowe wartości przekrojów czynnych w barnach, v=2200 m/s Przykładowe wartości przekrojów czynnych w barnach, neutrony prędkie 2450

16 Elementy teorii reaktorów jądrowch16 Reakcje jądrowe neutronów – przekroje czynne U-235 U-238 Ogólna charakterystyka przekrojów czynnych

17 Elementy teorii reaktorów jądrowch17 Reakcje jądrowe neutronów – rozszczepienie Energie progowe E pr na reakcję rozszczepienia i minimalna energia kinetyczna neutronu E k min A E pr, MeV ~0~0 ATh-232U-233U-235U-238Pu-239 E k min, MeV1.3~ 0 1.2~ 0

18 Elementy teorii reaktorów jądrowch18 Reakcje jądrowe neutronów – rozszczepienie Produkty rozszczepienia: Energia rozszczepienia Neutrony rozszczepieniowe Ciepło rozszczepieniowe

19 Elementy teorii reaktorów jądrowch19 Rodz neutr. Neutrony termiczneNeutrony prędkie E f ef, MeV Reakcje jądrowe neutronów – rozszczepienie Energia rozszczepienia E f = 200 MeV Przejmowanie energii rozszczepienia - energia kinetyczna fragmentów ~ 80 % - energia kinetyczna neutronów rozszczepieniowych ~ 3 % - energia natychmiastowego promieniowania gamma ~ 4 % - energia cząstek ~ 4 % - energia neutrin ~ 5% - energia reakcji wtórnych ~ 4 % Efektywna energia rozszczepienia E f ef Nuklid

20 Elementy teorii reaktorów jądrowch20 Reakcje jądrowe neutronów – rozszczepienie Rodzaje neutronów rozszczepieniowych: - neutrony natychmiastowe, - neutrony opóźnione (około 0.67 % dla U-235) Średnia liczba neutronów rozszczepieniowych przypadających na jedno rozszczepienie i pochłonięcie (v=2200 m/s) 2,512,472,902,96 2,282,072,102,17 Widmo Watta neutronów natychmiastowych Energia średnia: Energia najbardziej prawdopodobna: Neutrony natychmiastowe

21 Elementy teorii reaktorów jądrowch21 Reakcje jądrowe neutronów – rozszczepienie Neutrony opóźnione Udziały neutronów opóźnionych przy rozszczepieniach różnych nuklidów neutronami termicznymi nuklid Dane dotyczące neutronów opóźnionych poszczególnych grup przy rozszczepieniu U-235 neutronami termicznymi grupa E, MeV aiai T 1/2 i, s

22 Elementy teorii reaktorów jądrowch22 Reakcje jądrowe neutronów – rozszczepienie Generacja ciepła w rdzeniu Ciepło natychmiastowe Ciepło powyłączeniowe sek (207) min (91) godz (40) Ciepło powyłączeniowe w MW w reaktorze o mocy cieplnej 3000 MW mies. (11) doba (21)

23 Elementy teorii reaktorów jądrowch23 Reakcje jądrowe neutronów rozpraszanie sprężyste - spowalnianie Model rozpraszania sprężystego neutron jądro neutron jądro Układ laboratoryjny Układ środka masy Zasady zachowania energii i pędu przynoszą: 0 E E

24 Elementy teorii reaktorów jądrowch24 Reakcje jądrowe neutronów rozpraszanie sprężyste - spowalnianie Wielkości charakteryzujące jakość moderatorów: Średni logarytmiczny dekrement energii Zdolność spowalniania Współczynnik spowalniania Dane dla moderatorów H2OH2OD2OD2OBeC

25 Elementy teorii reaktorów jądrowch25 Cykl neutronów w reaktorze jądrowym efektywny współczynnik mnożenia reaktywność - średnia liczba neutronów rozszczepieniowych na pochłonięcie w paliwie, - współczynnik rozszczepień neutronami prędkimi, p – prawdopodobieństwo uniknięcia wychwytu rezonansowego, f – współczynnik wykorzystania neutronów termicznych, k - efektywny współczynnik mnożenia w reaktorze nieskończenie dużym, P f – prawdopodobieństwo uniknięcia ucieczki neutronów prędkich, P f – prawdopodobieństwo uniknięcia ucieczki neutronów termicznych Stan reaktora podkrytyczny krytyczny nadkrytyczny

26 Elementy teorii reaktorów jądrowch26 Wielkości opisujące pole neutronów Funkcja rozkładu gęstości neutronów względem energii i kierunku Gęstość neutronów Funkcja rozkładu gęstości strumienia neutronów względem energii i kierunku Funkcja rozkładu gęstości strumienia neutronów względem energii Gęstości strumienia neutronów Funkcja rozkładu gęstości prądu neutronów względem energii Gęstości prądu neutronów Kierunkowe gęstości prądu neutronów

27 Elementy teorii reaktorów jądrowch27 Obliczanie natężeń reakcji Przykłady zastosowań Współczynnik efektu prędkiego Osłabianie równoległej wiązki x dx S Średnia droga swobodna neutronu w ośrodku

28 Elementy teorii reaktorów jądrowch28 Transport neutronów w przybliżeniu dyfuzyjnym Analogia: przewodzenie ciepła dyfuzja neutronów prawo Fouriera:prawo Ficka: Ogólna postać bilansu: akumulacja = - ucieczka + produkcja Bilans energii: Bilans neutronów:

29 Elementy teorii reaktorów jądrowch29 Zagadnienie krytyczności w przybliżeniu dyfuzyjnym jednogrupowym Dany rozkład początkowy: Reaktor krytyczny: Reaktor nadkrytyczny: Reaktor podkrytyczny: Warunki brzegowe: Równanie dyfuzji: Rozdzielenia zmiennych (Postulat): Rozwiązanie: Zagadnienie własne: Wartości własne: Funkcje własne: Płaska płyta: Warunek krytyczności

30 Elementy teorii reaktorów jądrowch30 Reaktor w stanie krytycznym Rozkłady gęstości strumienia i mocy R=R 1 B g =B 1 / 0 x (r) Stan ustalony płyta walec kula płaska płyta walec nieskończenie długi kula walec skończony (2H)

31 Elementy teorii reaktorów jądrowch31 Reaktor w stanie nieustalonym Rozkłady gęstości strumienia i mocy Bez neutronów opóźnionych Neutrony opóźnione uwzględnione w sposób uproszczony Zdecydowanie różny okres reaktora Neutrony opóźnione uwzględnione dokładniej

32 Elementy teorii reaktorów jądrowch32 Reaktor w stanie nieustalonym Rozkłady gęstości strumienia i mocy s4s4 s5s5 s6s6 s3s3 s2s2 s1s1 s0s0 0

33 Elementy teorii reaktorów jądrowch33 Efekty reaktywnościowe w reaktorach Przyczyny zmian reaktywności: - zmiany składu izotopowego paliwa wypalanie paliwa pierwotnego, powstawanie nowych jąder rozszczepialnych, powstawanie produktów nierozszczepialnych, powstawanie trucizn, - zmiany parametrów termicznych rdzenia (temperatury) - pochłanianie neutronów przez wprowadzone do rdzenia pochłaniacze

34 Elementy teorii reaktorów jądrowch34 Efekty reaktywnościowe w reaktorach powstawanie nowych jąder rozszczepialnych (konwersja a powielanie paliwa) wypalanie paliwa pierwotnego

35 Elementy teorii reaktorów jądrowch35 Efekty reaktywnościowe w reaktorach Zatrucie reaktora ksenonem

36 Elementy teorii reaktorów jądrowch36 Efekty reaktywnościowe w reaktorach

37 Elementy teorii reaktorów jądrowch37 Procentowy udział reakcji neutronów Izotopy Rdzeń świeżo załadowany Wypalenie MWd/tU Wychwyt radiacyjny Rozszczepiene Wychwyt całkowity Wychwyt radiacyjny rozszczepienie Wychwyt całkowity U-235 U-236 U-238 X U-238 XX Pu-239 Pu-240 Pu-241 Sm-149 Xe-135 prod.rozszcz. zircolay stal bor H 2 O 8,7 - 9,3 16,7 - 1,2 1,3 14,3 4,9 37,3 - 2,8 - 46,0 - 12,1 16,7 - 1,2 1,3 14,3 4,9 4,3 0,4 8,8 15,5 8,3 3,8 0,6 0,5 2,0 6,3 1,3 0,6 4,7 18,7 - 2,7 - 14,1 - 2,0 - 23,0 0,4 11,5 15,5 22,4 3,8 2,6 0,5 2,0 6,3 1,3 0,6 4,7 100

38 Elementy teorii reaktorów jądrowch38 Efekty reaktywnościowe Wielkość Moc % Reaktywność % Przyrost reaktywności % Zapas reaktywności przy: T M = 20ºC 100ºC 150ºC 200ºC 285ºC Efekt temperaturowy w zakresie temperatur T M : 20 ÷ 285ºC Efekt mocy dla T M = 285ºC Stacjonarne zatrucie ksenonem Stacjonarne zatrucie samarem Zapas reaktywności na wypalanie Sumaryczne efektywności grup prętów pochłaniających dla : T M = 20ºC 285ºC - - 0÷ ,77 16,95 16,53 16,07 14,10 - 9, ,67 -1,60 -2,53 -0,65 14,66 20,82 Zapasy i zmiany reaktywności w reaktorze WWER-440

39 Elementy teorii reaktorów jądrowch39 Wpływ temperatury na reaktywność Przyczyny wpływu parametrów termicznych na reaktywność: - zależność przekrojów czynnych dla neutronów termicznych od temperatury ~ T ½, - zależność wychwytu rezonansowego od temperatury, - w reaktorach wrzących spowalnianie neutronów zależy od stopnia suchości pary Współczynniki reaktywności: Temperatura moderatora (chłodziwa) Paliwowy temp. współczynnik reaktywności α TF, K -1 Moderator. temp. współcz. reaktywności α TM,10 -4 K -1 Współczynnk reaktywności względem gęstości wody Mocowy współczynnik reaktywności α N, ºC 285 ºC -0,38 -0,32 0,001 -1,286 -0,102 0, ,7 Dane dla reaktora WWER-440 Temperaturowy paliwowy wsp. reaktywności (natychmiastowy) Moderatorowy paliwowy wsp. reaktywności Mocowy wsp. reaktywności

40 Elementy teorii reaktorów jądrowch40 Kompensacja i regulacja reaktywności Cele: - kompensacja zmian reaktywności związana za zmianą składu rdzenia i jego parametrów - regulacja reaktywności, - szybkie wyłączanie reaktora w stanach awaryjnych Sposoby realizacji: - zmiana położenia prętów pochłaniających, - zmiana koncentracji pochłaniacza w chłodziwie (H 3 BO 3 w reaktorach wodnych), - zmiana pochłaniania neutronów przez tzw. wypalające się trucizny, - zmiana liczby prętów paliwowych, - zmiana poziomu moderatora, - zmiana położenia reflektora. Stosowane pochłaniacze: B-10, a =760 b, Gd, a = b, Cd, a =2450 b, Stal a =2.5 b,

41 Elementy teorii reaktorów jądrowch41 Kompensacja i regulacja reaktywności Efektywność prętów pochłaniających


Pobierz ppt "Elementy teorii reaktorów jądrowych Opracował: Adam FIC."

Podobne prezentacje


Reklamy Google