ENERGETYKA JĄDROWA TADEUSZ HILCZER.

Prezentacja na temat: "ENERGETYKA JĄDROWA TADEUSZ HILCZER."— Zapis prezentacji:

1 ENERGETYKA JĄDROWA TADEUSZ HILCZER

2 Reaktory jądrowe

3 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

4 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

5 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

6 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

7 roztwór wodny związku uranu, np siarczanu uranylu UO2SO4,
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

8 Reaktor jednorodny kula masa krytyczna
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

9 Reaktor jednorodny stożek masa nie krytyczna
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

10 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

11 Reaktor niejednorodny
stożek masa nie krytyczna Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

12 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

13 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

14 Typy reaktorów jądrowych
Ze względu na materiał spowalniacza reaktory można podzielić na: reaktory cieżkowodne reaktory lekkowodne, reaktory grafitowe, reaktory berylowe. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

15 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

16 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

17 Proces reakcji łańcuchowej odbywa się w rdzeniu reaktora jądrowego.
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

18 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

19 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 rozmnożenia k: k = 1 - warunek normalnego działania k < 1 - reaktor gaśnie k > 1 - reaktor pracuje w systemie nadkrytycznym, prowadzącym do awarii. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

20 Elementy paliwowe 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

21 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 90 20 30 5 2 9 razem straty do następnych rozszczepień 156 100 razem potrzeba 256 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

22 Wzbogacanie uranu 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

23 Warunek działania reaktora jądrowego
Dla nieskończenie wielkiego rdzenia nie bierze się pod uwagę ucieczki neutronów poza rdzeń. Współczynnik rozmnożenia k dla nieskończenie wielkiego rdzenia: 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

24 Warunek działania reaktora jądrowego
Współczynnik f - średnia liczba neutronów powstałych w uranie naturalnym w danym pokoleniu. Dla reaktora jednorodnego: 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

25 Warunek działania reaktora jądrowego
Średnia liczba neutronów powstających w jednej reakcji rozszczepienia h: n - liczba neutronów powstałych w n-tym pokoleniu. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

26 Nieskończenie wielki rdzeń reaktora
W nieskończenie wielkim rdzeniu reaktora: h - liczba neutronów rozszczepienia na jeden neutron pochłonięty w paliwie f - współczynnik wykorzystania neutronów w paliwie p - prawdopodobieństwo uniknięcia wychwytu rezonansowego podczas spowalniania neutronów F - strumień neutronów termicznych Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

27 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

28 energia [MeV/nukleon]
Jądra rozszczepialne jądro energia [MeV/nukleon] wiązania do rozszczepienia 238U 7,57 8 235U 7,59 6,5 233U 6,0 232Th 7,6 7,8 239Pu 7,56 5,0 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

29 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 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

30 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: Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

31 Procesy w rdzeniu reaktora
Liczba reakcji neutronowych typu m w jednostce objętości rdzenia i w jednostce czasu z jądrami typu x : - liczba jąder x w jednostce objętości o współrzędnych r; - mikroskopowy przekrój czynny jądra x na reakcję m ; - makroskopowy przekrój czynny jądra x na reakcję m. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

32 Nieskończenie wielki rdzeń reaktora
W nieskończenie wielkim jednorodnym rdzeniu reaktora: strumień neutronów nie zależy od punktu r nie ma ucieczki neutronów Warunek krytyczności: produkcja = absorpcja Współczynnik mnożenia dla nieskończenie wielkiego rdzenia: k= produkcja/absorpcja Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

33 Bilans neutronów w nieskończenie wielkim rdzeniu reaktora
Produkcja neutronów termicznych: Absorpcja neutronów termicznych: Współczynnik mnożenia w nieskończenie wielkim rdzeniu: Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

34 Współczynnik mnożenia realnego reaktora
F – prawdopodobieństwo uniknięcia ucieczki podczas spowalniania neutronów, L – prawdopodobieństwo ucieczki neutronów termicznych Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

35 Parametr geometryczny: prostopadłościan: kula, cylinder o wys. H
Ucieczka neutronów Równanie dyfuzji parametr materiałowy Parametr geometryczny: prostopadłościan: kula, cylinder o wys. H Warunek krytyczności Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

36 Ucieczka neutronów w czasie spowalniania
Prawdopodobieństwo nieucieczki neutronów t - średnia odległość przebyta przez neutron w czasie spowalniania (tzw. wiek neutronu) Długość dyfuzji L: Równanie krytyczne: Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

37 Parametry spowalniaczy
spowalniacz gęstość g/cm Sa [cm-1] t [ cm2] D [cm] Woda (H2O) , , ,142 Ciężka woda (D2O) 1, , ,80 Beryl , , ,70 Grafit , , ,903 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

38 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

39 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

40 Rdzeń reaktora Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

41 metaliczne (uran naturalny lub wzbogacony w izotop 235U),
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

42 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

43 niezmienna struktura krystaliczna do temperatury topnienia 3073 K,
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

44 większe przewodnictwo cieplne niż UO2
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

45 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

46 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

47 Zasada spowalniania neutronów
spowalniacz neutron szybki neutron wolny Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

48 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

49 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

50 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

51 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

52 Reakcja łańcuchowa Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

53 Reakcja łańcuchowa z reflektorem
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

54 Reakcja łańcuchowa z reflektorem
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

55 Reakcja łańcuchowa z reflektorem
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

56 Materiał pochłaniający wprowadza się do rdzenia w postaci prętów.
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

57 Do odprowadzenia tego ciepła służy system chłodzenia reaktora.
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

58 Chłodzenie reaktora Chłodzenie reaktora może być zbyteczne w specjalnych konstrukcjach reaktorów basenowych małej mocy. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

59 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

60 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

61 Pręty regulacyjne są tak ustawione, aby współczynnik k ~1.
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 współczynnika k. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

62 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

63 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

64 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

65 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

66 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

67 Dla stanu krytycznego r = 0
Reaktywność Reaktywność reaktora określa odchylenie przebiegu reakcji łańcuchowej w rdzeniu od stanu krytycznego 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

68 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

69 „Nieucieczka” nautronów
Prawdopodobieństwa pozostania („nieucieczki”) neutronów w reaktorze stosuje się do oceny efektywnej populacji neutronów 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

70 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

71 Bilans neutronów w rdzeniu w jednostce czasu określa wyrażenie:
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

72 Liczbę neutronów można regulować w różny sposób.
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

73 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

74 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

75 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

76 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

77 Stos Fermiego Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

78 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

79 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

80 Reaktory naukowe i doświadczalne: badania elementów reaktorów
Reaktory badawcze Reaktory naukowe i doświadczalne: badania elementów reaktorów badania wiązek neutronów, naświetlanie neutronami, produkcja izotopów promieniotwórczych zastosowanie medyczne Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

81 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

82 Moc cieplna pojedynczego kanału - 1.8 MW Moc reaktora - 30 MW
Reaktor jądrowy MARIA Moc cieplna pojedynczego kanału MW Moc reaktora - 30 MW Typ reaktora: basenowy Moderator - woda i beryl Reflektor - grafit i woda Strumień neutronów termicznych: w paliwie 2.51014 n/cm2s w berylu 4.0  1014 n/cm2s Pracuje 3300 godzin rocznie Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

83 ciśnieniowe kanały paliwowe pręty regulacyjne
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

84 Reaktor jądrowy Maria kanał reaktora kanał paliwowy
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

85 Reaktor jądrowy Maria Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

86 Reaktor jądrowy Maria Reaktor jądrowy MARIA
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

87 Reaktor jądrowy Maria Reaktor jądrowy MARIA
Widok na basen z rdzeniem reaktora Rdzeń umieszczony jest na głębokości 7-miu metrów Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

88 Basen przechowawczy - zużyte paliwo i instrumenty pomocnicze
Reaktor jądrowy Maria Reaktor jądrowy MARIA Basen przechowawczy - zużyte paliwo i instrumenty pomocnicze Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

89 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

90 pręt paliwowy mocowany za pomocą zamka kulowego,
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

91 Każda rura zbudowana jest z dyspersji uranu UAlx(UO2) w Al.
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

92 Element paliwowy gotowy do włożenia do pochwy
Reaktor jądrowy Maria Reaktor jądrowy MARIA Element paliwowy gotowy do włożenia do pochwy Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

93 Świeży element paliwowy
Reaktor jądrowy MARIA Reaktor jądrowy Maria Reaktor jądrowy MARIA Świeży element paliwowy Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

94 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

95 System chłodzenia reaktora jądrowego Maria
Drugi pierwotny obieg chłodzenia: basen wodny, w którym zanurzony jest reaktor Ciśnienie atmosferyczne ok hPa Temperatura: na wlocie 323 K na wylocie 333 K Przepływ wody w basenie wynosi 1400 m3/h Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

96 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

97 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

98 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

99 Reaktor jądrowy Maria Reaktor jądrowy MARIA Reaktor w czasie pracy
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

100 Wymiana elementu paliwowego
Reaktor jądrowy Maria Reaktor jądrowy MARIA Wymiana elementu paliwowego Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

101 Pierwszy polski reaktor EWA (Eksperymentalny, Wodny, Atomowy).
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

102 Reaktor jądrowy EWA Reaktor jądrowy EWA
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

103 Reaktor jądrowy EWA Reaktor jądrowy EWA
Górna część korpusu reaktora EWA. Mechanizmy sterujące i korby obrotowe Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny