1 / 36

ENERGETYKA JĄDROWA

ENERGETYKA JĄDROWA. TADEUSZ HILCZER. Układy podkrytyczne. Układy podkrytyczne. M iar ą bezpiecznej pracy reaktora j ąd rowego jest o dleg łość stanu uk ła du krytycznego od stanu nadkrytycznego na neutronach natychmiastowych

kellan
Download Presentation

ENERGETYKA JĄDROWA

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. ENERGETYKA JĄDROWA TADEUSZ HILCZER

  2. Układy podkrytyczne

  3. 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

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

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

  6. Układy podkrytyczne • Zewnętrznymźródłem 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

  7. Układy podkrytyczne • Pierwsza propozycja zastosowania zewnętrznegoźródła 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

  8. 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

  9. 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

  10. Wzmacniacz energii • 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

  11. 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 przezprotonyw reakcji kruszenia, • wzmocnienie energii G(Stosunek wyzwalanej mocy cieplnej i mocy wiązki przyspieszacza) jest rzędu 100. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

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

  13. Projekt wzmacniacza energii • Reaktor z torem pracuje w systemie rozpadu • szybkość zachodzących reakcji jest ograniczona przez szybkość rozpadu izotopu 233Th • w równowadze są jednakoweniezależnie 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 Jna oddziaływanie z neutronem w procesie p,  - średni czas rozpadu  izotopu 233Pa,- proces aktywacji neutronowej, f - proces rozszczepienia. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

  14. 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. • Gęstośćr(233Pa) jest proporcjonalna do strumienia neutronów . Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

  15. 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

  16. 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

  17. 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. • Powolnezmniejszanie energii neutronów,obejmujace zakres przekrojów czynnych aktywacjimateriałów w rdzeniu reaktora - dopalanie transuranowców. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

  18. 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 reakcjinp. ołowiu. • Całkowita liczba uwolnionych neutronów (poprzedzających reakcjęłańcuchową) 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

  19. 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

  20. 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

  21. 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

  22. Elementy wzmacniacza energii Parametry kompleksu przyspieszaczy Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

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

  24. 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

  25. 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

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

  27. 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

  28. 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

  29. 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

  30. 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

  31. 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

  32. 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

  33. Cykl paliwowy wzmacniacza energii Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

  34. 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

  35. Cykl paliwowy wzmacniacza energii Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

  36. 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

More Related