Mag- és neutronfizika
Mitıl függ a keff ? Egyelıre tekintsünk el a kiszökéstıl
10. elıadás
Emlékeztetı: Láncreakció neutronokkal Effektív nn-sokszorozási tényezı: N
keff =
i +1
Ni
keff −1 l t
Láncreakció idıbeli változása:
N (t ) = N 0 ⋅ e
Késı neutronok, és szerepük!
Neutronok generációs ideje
Késı neutron hányad: Reaktivitás: Reaktivitás:
ρ=
β
keff − 1 k eff
Ennek jellemzıje lesz:
„végtelen nagy” reaktor! reaktor!
k∞
A reaktorunk jellemzıi: • termikus reaktor (moderátor, lassú neutronok), • szerkezeti anyagok (nemcsak üzemanyag) • üzemanyag dúsított urán (tehát marad 238U is) Figyelembe kell majd venni a 238U abszorpcióját:
Rezonanciák!!
Reaktivitás dollár ($) = ρ/β 1/24
„Négyfaktor” Négyfaktor” formula (végtelen kiterjedéső nn-sokszorozó közeg) Maghasadás RezonanciaRezonanciabefogás (238U) (gyors ν neutronok) (1(1-p) Lassulás
p
Lassulás
(rezonancia neutronok)
„Termikus neutronhozam” neutronhozam” (csak a hasadó magtól függ)
σ 1− f σ abs
(1(1-f) f Befogódás
σ f σ abs
hasadóhasadó(termikus anyagban neutronok)
RezonanciaRezonancia-kikerülési tényezı 0,6 < p < 0,9 Termikus hasznosítási tényezı (f)
235U(n,γ U(n,γ)
Befogódás más anyagban
ε Maghasadás
k∞
= ν ·p ·f
σ η = ν⋅ f σ abs
σ ⋅ f ·ε σ abs
Gyorshasítási tényezı 1,00 < ε < 1,03 3/24
2/24
„Négyfaktor” Négyfaktor” formula (folyt.) Összefoglalva:
k∞ = η ⋅ p ⋅ f ⋅ ε
Termikus neutronhozam RezonanciaRezonancia-kikerülési tényezı
Gyorshasítási tényezı Termikus hasznosítási tényezı
ReaktorReaktor-üzemanyagok jellemzıi (termikus neutronokra):
σf (barn) barn) σa (barn) barn) 233U
ν
η
531 584
577 683
2,50 2,43
2,30 2,08
Unat
5·10-4 4,18
2,71 7,69
2,27
1,34
239Pu
750
1021
2,88
2,11
235U 238U
η mutatja, hogy a többi faktorral mennyit kell elérni ! Pl. természetes urán üzemanyagra p·f·ε > 1/1,34 = 0,746, különkülönben végtelen nagy reaktornál sem lehet önfenntartó láncreakció
4/24
1
RezonanciaRezonancia-kikerülés: kikerülés: inhomogén atomreaktor (Szilárd Leó ötlete) kis átmérıjő üzemanyagpálcákból álló rács hasadási gyors neutronok kijönnek belıle moderátorban lelassulnak (átvészelik a rezonanciarezonancia-tartományt) lassú neutronként diffundálnak vissza. Példa: Paksi Atomerımő üzemanyaga φ = 9 mm
pasztillák (UO2 kerámia)
Biztonságos üzem szempontjából fontos ! (üzemzavarban/balesetben a moderátor hamarabb elvész, mint az üzemanyag, a moderáltság csökken) csökken)6/24
L=2500 mm
φ =7,6 mm
Véges mérető reaktor, reaktor, kiszökés figyelembe vétele A reaktorban maradó keff = η ⋅ p ⋅ f ⋅ ε ⋅ P neutronhányad P<1 (kiszökési faktor) A moderáltság szempontjából fontos a rácsparaméter Túl sőrő rács A neutronok nem lassulnak le eléggé a pálcák között keff (ill. ρ ) még nıhetne Túl ritka rács A moderátormoderátor-fölösleg már nem lassít tovább, csak elnyel csökken a keff Alulmoderált munkapont ρ=0 Felülmoderált munkapont
üzemanyagpálca üzemanyagpálca
hatszöglető kötegek kötegek (349 db) (126 pálca/köteg) laptávolság: 144 5mm /24
Atomreaktor elvi felépítése
Az atomreaktorok osztályozása (1)
• üzemanyag (urán, plutónium, MOX)
• Cél szerint – kísérleti reaktorok (izotóp elıállítás, magfizikai kutatás, oktatás) – erımővi reaktorok (energiatermelés) – tenyésztı reaktorok (új hasadóanyag elıállítása, ld. késıbb) – impulzusreaktorok (különleges magfizikai vizsgálatok) – anyagvizsgáló reaktorok (szerkezeti anyagok vizsgálata)
• moderátor (víz, nehézvíz, grafit) • hőtıközeg (folyadék, gáz) • szabályozó elemek (bóracél rudak, hőtıhőtıközegben oldott bórsav) • biológiai védelem (beton, nehézbeton) • üzemzavari és biztonságvédelmi berendezések
7/24
8/24
2
Az atomreaktorok osztályozása (2)
Az atomreaktorok osztályozása (3)
• Hasadóanyag szerint
• Moderátor szerint - H2O (könnyővíz) - D2O (nehézvíz) - C („reaktortisztaságú” grafit) - Be (berillium) - szerves anyag (C és H)
- 235U (különbözı dúsítások) - 233U
Elıállítása:
β (27 nap) 5 Th + n → 23390Th β(22,2 perc) → 233 → 233 91 Pa 92 U (1,6 ⋅10 év)
232 90
- 239Pu 238 92
Elıállítása:
β (23,5 perc) β (2,35 nap) 239 239 U + n → 239 92 U → 93 Np → 94 Pu (24390 év)
Szaporítás! (Breeder (Breeder)) Hasadóanyagot „állítunk elı”) - MOX (mixed oxide fuel): fuel): urán és plutónium oxid keverék Jelentısége: atomfegyverekbıl származó 239Pu megsemmisítése • Üzemanyag elrendezése szerint - homogén reaktorok (hasadóanyag és moderátor elkeverve) - heterogén reaktorok (hasadóanyag szétválasztva a moderátortól)
• Hőtıközeg szerint - H2O (könnyővíz) - D2O (nehézvíz) - folyékony fém (Na, Pb…) - gáz (He, CO2) - szerves anyag
9/24
10/24 10/24
A fosszilis erımő és az atomerımő elvi felépítése
A jelenleg üzemelı reaktortípusok (elvi – technológiai) jellegő csoportosítása Kereskedelmi úton beszerezhetı reaktorok
Vízhőtéső reaktorok (WR) Nehézvizes reaktorok (HWR)
Nyomott nehézvizes reaktor (PHWR) „CANDU” reaktor
Könnyővizes reaktorok (LWR)
Nyomottvizes reaktor (PWR) Nehézvizes vízforralásos reaktor (SGHWR)
Gázhőtéső reaktorok (GCR)
Magas hımérséklető gázhőtéső reaktor (HTGR) Vízhőtéső, grafitmoderátoros forralóvizes reaktor (RBMK)
Forralóvizes reaktor (BWR)
Szaporító reaktorok (BR) Magnoxreaktor
Gázhőtéső gyors szaporító reaktor (GFBR)
Folyékony fém hőtéső (gyors) szaporító reaktor (LMFBR)
Sóolvadékos szaporító reaktor (MSBR)
11/24 11/24
12/24 12/24
3
A FORRALÓVIZES ATOMREAKTORRAL MŐKÖDİ ERİMŐVEK ELVI FELÉPÍTÉSE
A fosszilis erımő és az atomerımő elvi felépítése
1 Reaktortartá Reaktortartály 2 Fő Főtıelemek 3 Szabá Szabályozó lyozórúd 4 Keringtetı Keringtetı szivattyú szivattyú 5 Szabá Szabályozó lyozórúd hajtá hajtás 6 Friss gız
7 Tá Tápví pvíz 8 Nagynyomá Nagynyomású turbina 9 Kisnyomá Kisnyomású turbina 10 Generá Generátor 11 Gerjesztı Gerjesztı gép 12 Kondenzá Kondenzátor
13 Hő Hőtıvíz 14 Tápví pvíz elı elımelegí melegítı 15 Tápví pvíz szivattyú szivattyú 16 Hő Hőtıvízszivattyú zszivattyú 17 Betonvé Betonvédelem
13/24 13/24
A NYOMOTTVIZES ATOMREAKTORRAL MŐKÖDİ ERİMŐVEK ELVI FELÉPÍTÉSE
1 Reaktortartá 8 Friss gız Reaktortartály 2 Fő 9 Tá Főtıelemek Tápví pvíz 3 Szabá 10 Nagynyomá Szabályozó lyozó rudak Nagynyomású turbina 4 Szabályozórúd hajtás 11 Kisnyomású turbina 5 Térfogatkompenzátor 12 Generátor 6 Gızfejlesztı 13 Gerjesztı gép 7 Fı keringtetı szivattyú
14/24 14/24
A NEHÉZVIZES ATOMERİMŐ ELVI FELÉPÍTÉSE
14 Kondenzá Kondenzátor 15 Hő Hőtıvíz 16 Tá Tápví pvíz szivattyú szivattyú 17 Elımelegítı 18 Biológiai védelem 19 Hőtıvíz szivattyú 15/24 15/24
16/24 16/24
4
AZ RBMK ATOMERİMŐ ELVI FELÉPÍTÉSE
A GÁZHŐTÉSŐ ATOMERİMŐ ELVI FELÉPÍTÉSE
17/24 17/24
1 Urá Urán-üzemanyag 2 Nyomó Nyomócsı csı 3 Grafit moderá moderátor 4 Szabá Szabályzó lyzórúd 5 Vé Védıgáz 6 Ví Víz/gı z/gız 7 Csepplevá Cseppleválasztó lasztó 8 Gı Gız a turbiná turbinához
9 Gı Gızturbina 10 Generá Generátor 11 Kondenzá Kondenzátor 12 Hő Hőtıvíz szivattyú szivattyú 13 Hı Hıelvezeté elvezetés 14 Tá Tápví pvíz szivattyú szivattyú 15 Elı Elımelegí melegítı
16 Tá Tápví pvíz 17 Ví Víz visszafolyá visszafolyás 18 Keringtetı Keringtetı szivattyú szivattyú 19 Ví Vízelosztó zelosztó tartá tartály 20 Acé Acélkö lköpeny 21 Betoná Betonárnyé rnyékolá kolás 22 Reaktoré Reaktorépület 18/24 18/24
GOLYÓHALOM REAKTOROS ERİMŐ ELVI FELÉPÍTÉSE (Thorium High Temperature Reactor )
GYORS TENYÉSZTİREAKTOROS ERİMŐ ELVI FELÉPÍTÉSE
19/24 19/24
20/24 20/24
5
Egy kis történelem: 1932 Neutron felfedezése (James (James Chadwick) Chadwick) 1934 Neutronos láncreakció ötlete (Szilárd Leó) 1938 Maghasadás felfedezése (Otto Hahn, Hahn, Friedrich Strassmann, Strassmann, Lise Meitner) Meitner) 1942 dec. 2. Elsı atommáglya (Chicago) (Enrico Fermi, Fermi, Szilárd Leó, Wigner Jenı) 1943 Hanfordi nagyteljesítményő atomreaktorok elindulnak (Wigner Jenı) Cél: plutónium termelés 19391939-1945 Manhatten Project (atomfegyver kifejlesztése) tudományos vezetı: Robert Oppenheimer 1945. július 16. Elsı kísérleti atomrobbantás („Trinity („Trinity kísérlet”) Alamogordo sivatag, USA 239PuPu-alapú bomba 1945. augusztus 6. Hiroshima bombatámadás (235U-alapú bomba) 1945. augusztus 9. Nagasaki bombatámadás (239PuPu-alapú bomba)
1942 dec. 2. Elsı atommáglya (Chicago) (Enrico Fermi, Fermi, Szilárd Leó, Wigner Jenı, …) Üzemanyag: természetes urán (fém gömbök) Moderátor: tiszta grafit Szabályozó elemek: kadmium lemezek Hőtıközeg: nincs (max (max.. teljesítmény 2 W)
1954 Elsı békés célú atomerımő (Obnyinszk (Obnyinszk,, Szovjetúnió, Szovjetúnió, 5 MWe) 21/24 21/24
Hogyan lehet megközelíteni a kritikus állapotot? (Csak „kicsivel” szabad túllépni, nehogy promptprompt-kritikus legyen!) Kiindulás: k eff = Ebbıl:
N i +1 Ni
N i +1 = keff ⋅ N i
22/24 22/24
Amíg
keff < 1
egyensúly áll be:
N egy =
akkor, ha csak n-sokszorozás van!
S 1 − keff
Tegyünk be egy neutronforrást is, amelynek intenzitása olyan, hogy S neutront bocsát ki egy generációs idı alatt! Ekkor:
N i +1 = S + keff ⋅ N i forrásból
elızı generációból
keff < 1 elıbbelıbb-utóbb egyensúly áll be, azaz N i +1 = N i = N egy azaz N egy = S + k eff ⋅ N egy amibıl S N egy = 1 − keff Ezzel keff mérhetıvé válik!!
Amíg
23/24 23/24
Amikor túlléptünk a kritikus állapoton, exponenciális növekedés indul be: „exponenciális kísérlet” kísérlet”
24/24 24/24
6
