ENERGETYKA JĄDROWA TADEUSZ HILCZER

Układy podkrytyczne

Układy podkrytyczne Miarą bezpiecznej pracy reaktora jądrowego jest odległość stanu układu krytycznego od stanu nadkrytycznego na neutronach natychmiastowych Neutrony natychmiastowe narastają tak szybko, że jakakolwiek działanie regulujące nie jest możliwe. Odległość od stanu nadkrytycznego w układach krytycznych jest zależna od stosunku b neutronów opóźnionych do natychmiastowych. Margines bezpieczeństwa większy od b występuje jedynie w układach podkrytycznych, w których jednak stacjonarna praca jest możliwa jedynie przy uzupełnianiu deficytu neutronów w każdym pokoleniu przez zewnętrzne źródło. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Układy podkrytyczne 1,0 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 układ krytyczny (MOX) układ nadkrytyczny ( 235 U) układ podkrytyczny k - b margines bezpieczeństwa Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Układy podkrytyczne mają znacznie wyższy poziom bezpiecznej pracy, możliwość wykorzystania rzadkich aktynowców z wypalonego paliwa z elektrowni jądrowych. możliwość realizacji praktycznie zamkniętego cyklu paliwowego. Reaktory jądrowe pracują z założenia w stanie krytycznym, reaktywność ujemna wyklucza możliwość osiągnięcia stanu krytycznego.  Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Zewnętrzne źródło neutronów ułatwia sterowanie układem Układy podkrytyczne Zewnętrznym źródłem neutronów może być tarcza przyspieszacza protonów o energii rzędu 1 GeV. Zewnętrzne źródło neutronów ułatwia sterowanie układem regulacją natężenia prądu wiązki protonów. nie są konieczne pręty sterujące i regulacyjne. awaryjne wyłączenie układu podkrytycznego przez odcięcie wiązki neutronów. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

odkryto bogate złoża rudy uranowej. Układy podkrytyczne Pierwsza propozycja zastosowania zewnętrznego źródła neutronów do transmutacji aktynowców paliworodnych w izotopy rozszczepialne została wysunięta przez E.O.Lawrence'a w latach czterdziestych. Opracowany projekt MTA produkcji plutonu do celów wojskowych zarzucono, odkryto bogate złoża rudy uranowej. Zainteresowanie taką możliwością produkcji energii elektrycznej w drugiej połowie lat siedemdziesiątych XXw, w wyniku kryzysu naftowego skokowo wzrosły ceny paliw w tym uranu. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

W roku 1993 Realną metodę opracował Carlo Rubbia Wzmacniacz energii W roku 1993 Realną metodę opracował Carlo Rubbia proponowane urządzenie nazwał wzmacniaczem energii – EA (Energy Amplifier). Carlo Rubbia (NN 1984) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Testy wykonane w CERN-ie w 1996 roku potwierdziły, że Wzmacniacz energii W 1995 roku projekt Rubbii rozszerzono o możliwość „spalania” lub „dopalania” długożyciowych odpadów reaktorowych. Paliwem EA miała być mieszanka odpadów plutonu z paliwem torowym, która również ulega rozszczepieniu. powstają jądra pierwiastków o krótszych półokresach zaniku i mniej szkodliwe dla otoczenia (np. mniej rozpuszczalne w wodzie). Testy wykonane w CERN-ie w 1996 roku potwierdziły, że można wykorzystać i unieszkodliwić odpady, produktami ubocznymi są izotopy stosowane w medycynie. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Wzmacniacz energii pracuje w układzie podkrytycznym W wzmacniaczu energii nierozszczepialne jądro pochłaniając neutrony dzieli się emitująć energię liczba powstających neutronów jest za mała do utrzymania reakcji łańcuchowej. Wzmacniacz energii pracuje w układzie podkrytycznym główne obiegi chłodzenia są bierne, prawdopodobieństwo niebezpiecznych awarii, w tym MAP, jest niezwykle małe, zupełnie wyeliminowana możliwość niekontrolowanej produkcji 239Pu do broni jądrowej. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Projekt wzmacniacza energii Projekt wzmacniacza energii opracowany w CERN-ie: hybryda przyspieszacz protonów o energii (1 – 1,5) GeV i natężeniu prądu około (10 – 15) mA reaktor neutronów prędkich. W 1995 r. w CERN opracowano projekt reaktora neutronów prędkich chłodzonego ciekłym ołowiem. układ podkrytyczny o współczynniku powielania neutronów k ~ (0,95 – 0,98). neutrony produkowane są przez protony w reakcji kruszenia, wzmocnienie energii G (Stosunek wyzwalanej mocy cieplnej i mocy wiązki przyspieszacza) jest rzędu 100. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Projekt wzmacniacza energii Paliwem pierwotnym reaktora EA może być: tor lub uran Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Projekt wzmacniacza energii Reaktor z torem pracuje w systemie rozpadu szybkość zachodzących reakcji jest ograniczona przez szybkość rozpadu izotopu 233Th w równowadze są jednakowe niezależnie czy zajdzie rozszczepienie, czy nie. szybkość produkcji izotopów 233Th, rozpad b jąder 233Pa pochłanianie neutronów przez jądra 233U r(232Th) sg(232Th)  = r(233Pa)/ = sf+g(233U) F r(J) - gęstość izotopu J,  - gęstość strumienia neutronów, p(J) - przekrój czynny izotopu J na oddziaływanie z neutronem w procesie p,  - średni czas rozpadu  izotopu 233Pa,  - proces aktywacji neutronowej, f - proces rozszczepienia. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Projekt wzmacniacza energii W warunkach równowagi stosunek gęstości izotopów uranu i toru: nie zależy od strumienia neutronów  dla neutronów prędkich G = 0,126 dla neutronów termicznych G = 0,0135. Gęstość r(233Pa) jest proporcjonalna do strumienia neutronów . Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Projekt wzmacniacza energii Szybkość aktywacji 233Pa musi być mała w porównaniu z szybkością jego rozpadu: sg(233Pa)F t << 1 Dla neutronów szybkich przy szybkości aktywacji 0,088 strumień neutronów  = 2,331015 cm-2s-l; moc cieplna właściwa rozszczepień 60 W(t)/g. Dla neutronów termicznych parametry są gorsze. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Projekt wzmacniacza energii Efektywna liczba neutronów powstających podczas jednego rozszczepienia  uśredniona względem energii neutronu oraz uwzględniająca poza rozszczepieniami inne procesy neutrony szybkie  = 2,5, Neutrony termiczne  = 2,2. pl - prawdopodobieństwo straty neutronu na skutek pochłonięcia lub ucieczki, czynnik 1/2 - połowa neutronów wywołuje rozszczepienie druga aktywuje jądra toru Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Projekt wzmacniacza energii Ołów - dobra tarcza do produkcji neutronów w procesie spalacji wysokoenergetycznymi protonami transport neutronów ma charakter dyfuzyjny duży przekrój czynny na rozpraszanie mały przekrój czynny pochłanianie zwielokrotnienie gęstości neutronów w stosunku do ośrodka bezdyfuzyjnego o około 30 termalizacja neutronu w dyfuzyjnym ruchu po 1800 zderzeniach przebyta w tym czasie droga około 62 m. Powolne zmniejszanie energii neutronów, obejmujace zakres przekrojów czynnych aktywacji materiałów w rdzeniu reaktora - dopalanie transuranowców. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Projekt wzmacniacza energii Oddziaływanie wysokoenergetycznej cząstki z jądrem wywołuje kaskadę wewnątrzjądrową, wybijając: pewną liczbę prędkich cząstek, głównie nukleonów niewielką liczbę pionów i jąder lekkich. Energia pierwotnego protonu oraz wyemitowanych cząstek wtórnych wystarcza do wywołania kaskady międzyjądrowej. Zachodzić może rozszczepienie jąder o bardzo wysokim progu reakcji np. ołowiu. Całkowita liczba uwolnionych neutronów (poprzedzających reakcję łańcuchową) na jeden proton 1 GeV w tarczy z ciężkiego pierwiastka, np. Pb, sięga 30. Decydują procesy dla niskich energii (<20 MeV), ponad 99 % energii w układzie i ponad 99.9 % neutronów. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Projekt wzmacniacza energii We wzmacniaczu energii w wariancie standardowym do produkcji energii cieplnej „dopala się" aktynowce. Wykorzystując część neutronów w rdzeniu do reakcji jądrowych z długożyciowymi produktami rozszczepienia otrzymuje się jądra atomowe krótko żyjące lub trwałe - neutralizowanie produktów rozszczepienia o długich czasach zaniku. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Elementy wzmacniacza energii Koncepcja wzmacniacza energii stała się realna dzięki postępowi w technice przyspieszaczy. Pierwowzór trójstopniowego kompleksu przyspieszaczy dla EA do produkcji 1.5 GW(t) przyspieszacz protonów Instytutu Paula Scherrera w Villingen koło Zurychu. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Elementy wzmacniacza energii Układ wstrzykujący Dwa przyspieszacze czterosektorowe cyklotrony izochroniczne Cyklotron pośredni cztery oddzielne sektory Cyklotron końcowy dziesięć oddzielnych sektorów. Parametry kompleksu całkowita moc zasilania około 30 MW(e) natężenie prądu wiązki protonów 12,5 mA prawność energetyczna około 44%. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Elementy wzmacniacza energii Parametry kompleksu przyspieszaczy Przyspieszacz wstrzykujący pośredni główny Średnica zewnętrzna [m] - 10 16 Masa magnesów [t] 1000 3170 Zasilanie magnesów [MW] 0,6 2,7 Moc RF [MW] 1,54 12,5 Harmoniczna pracy 4 6 Liczba sektorów Liczba wnęk RF 2 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Elementy wzmacniacza energii Schemat reaktora podkrytycznego na neutronach prędkich, opracowany przez Rubbię, przeznaczony głównie do transmutacji aktynowców. wiązka protonów ciekły ołów chłodzenie wtórne strefa kruszenia rdzeń Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Elementy wzmacniacza energii Projektowany reaktor moc cieplna 1,5 GW(t) (G=120) energia elektryczna 675 MW(e). Główny zbiornik umieszczony w silosie antysejsmicznym wysokość 30 m, średnica 6 m, grubość ścian 7 cm masa 2000 t. Ciepło do obiegu wtórnego przekazują cztery wymienniki każdy o mocy 375 MW(t). Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Elementy wzmacniacza energii Chłodziwo - ciekły ołów, krążący konwekcyjnie w kolumnie o wysokości 25 m. temperatura chłodziwa na wejściu rdzenia około 670 K, na wyjściu rdzenia około 870 K, strumień chłodziwa w rdzeniu 53.6 ton/s szybkości przepływu chłodziwa 1,5 m/s, masa chłodziwa 104 ton, pojemność cieplna chłodziwa 1,5 GJ/K, całkowity brak odpływu ciepła - wzrost temperatury 0,1 K/s. poziom chłodziwa zmienia się o 27 cm/100 K. Zewnętrzna ściana pojemnika chłodzona konwekcyjnie powietrzem. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Reaktor na neutronach szybkich chłodzenie chłodzenie wtórne amortyzatory układ bezpieczeństwa silos główny kanał wiązki obudowa bezpieczeństwa gorący ołów chłodny ołów osłona termiczna obszar powielania obszar kruszenia rdzeń Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Elementy wzmacniacza energii Moc reaktora regulowana natężeniem wiązki protonów pomiar temperatury ołowiu w wymiennikach ciepła. Temperaturowy współczynnik reaktywności –1,310-5 K-1. Zabezpieczenia reaktora wzrost temperatury włącza układ bezpieczeństwa EBDV (Emergency Beam Dump Volume), ołów na zasadzie syfonu wlewa się do kanału wiązki protonów i odcina wiązkę protonów od rdzenia ołów wlewa się do przestrzeni między zbiornikiem głównym i obudową bezpieczeństwa, przewodność cieplna rośnie od 310-2 Wm-1K-1 do 16 Wm-1K-1 - ciepło odprowadzane do atmosfery. wprowadzanie do rdzenia węglika boru CB4 20 kg CB4 w rdzeniu zmniejsza jego reaktywność o 0,04. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Elementy wzmacniacza energii Rdzeń reaktora składa się z trzech koncentrycznych stref, strefy kruszenia o średnicy 40 cm, strefy paliwowej, strefy powielania paliwa zawierającej czysty ThO2 i odpady przeznaczone do „wypalenia”. Średnica rdzenia około 3 m zawiera 331 prętów w części wewnętrznej 397 w części zewnętrznej w geometrii heksagonalnej. Pręty paliwowe długość 1,8 m, średnica zewnętrzna 8.2 mm, paliwo tylko w części środkowej o długości 1,5 m. puste przestrzenie przeznaczone na wzrost objętości paliwa w procesie „spalania” i na lotne produkty rozszczepień. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Cykl paliwowy wzmacniacza energii Cykl paliwowy - 5 lat bez zmiany paliwa średnia moc właściwa paliwa 55 W/g. Średnie wypalenie paliwa po 1 cyklu 2400 GWh/t (8,641012 J/kg) 2,5 razy większe niż dla reaktorów PWR na wzbogaconym uranie. W pierwszym cyklu w części paliwowej rdzenia 28,4 ton paliwa złożonego z 90% ThO2 + 10% 233UO2, w części powielania 5,6 ton ThO2 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Cykl paliwowy wzmacniacza energii Po pierwszym cyklu w paliwie: 2460 kg 233U, 260 kg 234U, 86,5 kg innych aktynowców. do usunięcia około 27,6 ton paliwa. Po przeróbce 2.9 ton zużytego paliwa wymaga składowania sekularnego - w odpadach nie ma aktynowców. wypalone paliwo, po oddzieleniu produktów rozszczepienia, wraca do reaktora. wyodrębnione pierwiastki transuranowe (Np, Pu, Am i Pa) ładowane do oddzielnych prętów „dopalane” prędkimi neutronami do postaci nietoksycznej w przeciągu dwu i więcej cyklów. Jako materiał do powielania dodatek 2.9 ton świeżego ThO2. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Cykl paliwowy wzmacniacza energii Paliwo jest efektywnie wykorzystane; Energia otrzymywana z 0,78 tony toru równa energii z 200 t naturalnego uranu w współczesnych reaktorach. Aktywność odpadów po 700 latach będzie około 2104 razy niniejsza od aktywności odpadów współczesnych reaktorów. składowanych w geologicznej skali czasu (106 lat) byłaby wyraźnie zmniejszona po 1000 latach około 2107 Bq/GW(e)rok. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Cykl paliwowy wzmacniacza energii Przy niewielkim zmniejszeniu sprawności energetycznej można dopalać długożyciowe produkty rozszczepień (129I, 99Tc, 126Sn, 135Cs, 93Zr, 79Se) po 500 latach aktywność odpadów byłaby dodatkowo 100 razy niższa. możliwość „dopalania” produktów rozszczepień o dłuższych czasach połowicznego zaniku. po „dopaleniu” składowanie geologiczne nie byłoby potrzebne aktywność odpadów z elektrowni jądrowych była by mniejsza od aktywności odpadów z energetyki węglowej. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Cykl paliwowy wzmacniacza energii Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Cykl paliwowy wzmacniacza energii Opracowano kilka wersji wykorzystania układów podkrytycznych z zewnętrznym źródłem neutronów do celów energetycznych. Dąży się do układu o zamkniętym cyklu paliwowym pozwalającego na transmutację istniejącego wypalonego paliwa jądrowego. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Cykl paliwowy wzmacniacza energii Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Cykl paliwowy wzmacniacza energii Projekt wzmacniacza energii przewiduje dużą wydajność paliwa 1 kg toru jest równoważny 256 kg uranu naturalnego w reaktorze PWR przeszło 1400 baryłek ropy. W całym procesie produkcji paliwa (bez składowania odpadów) całkowita toksyczność jest 7 razy mniejsza od energetyki węglowej 45 razy od energetyki jądrowej z PWR. Bogatsze złoża toru zawierają około 6109 kg przy obecnym światowym zapotrzebowaniu na energię elektryczna wystarczyło by na ponad 1200 lat. 100 razy więcej od zapasów oleju lub gazu 10 razy więcej od zapasów węgla. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny