Materiály AZ jaderných reaktorů

Transkript

1 Jaderná paliva Povlakové materiály Moderátory Chladiva Materiály absorpčních tyčí Jaderná paliva - hlavní funkce: - štěpení tepelnými neutrony - 1. bariéra mezi štěpnými produkty a životním prostředím a) izotopy štěpitelné všemi neutrony (tj. i tepelnými) Plodící materiál: Th232 U238 b) obohacení - přírodní uran U233 U235 Pu239 umělé přírodní umělé - obohacený uran: mírně (do 5%), středně (do 20%), vysoce (do 93%) - vysoce obohacené palivo (MOX - Mixed oxide fuel), nejčastěji UO 2 +PuO 2

2 c) chemicko-metalurgická forma - kovový uran - hustota kg/m 3-3 formy/fáze dle teploty (α - do 662 C, β - do 772 C, γ - do teploty tavení 1133 C), - prakticky použitelný pouze do 600 C - velká tepelná vodivost - samonosné - omezené vyhoření v důsledku napuchání (hromadění zejména plynných produktů štěpení) - užívaný v I. generaci grafitových plynem chlazených reaktorů (MAGNOX) - keramické palivo (UO 2, UC) - hustota max kg/m 3 - práškové UO 2 (nejpoužívanější) vyrábí se lisováním do tablet + sintrování (slinování) = tvrdé a křehké palivo, které při provozu působením plynných štěpných produktů rozpraskává - chemicky stabilní, bez fázových přeměn, teplota tavení 2878 C - za provozu použitelný do cca 1200 C (přechodně i 1600 C) - nižší tepelná vodivost (řádově) - nejsou samonosné (potřebují nosný povlak) Povlakové materiály - hlavní funkce: - brání pronikání štěpných produktů z paliva do chladiva - 2. bariéra mezi štěpnými produkty a životním prostředím - u keramických paliv plní nosnou funkci - hlavní požadavky: - malá absorpce neutronů - radiační, mechanická a chemická (korozní) stabilita v provozních podmínkách a po celou dobu provozu - vysoká tepelná vodivost - materiály: - slitiny hořčíku (Mg) - pro kovový uran a plynné chladivo; nemá nosnou funkci, do 500 C - slitiny zirkonia (Zr) - pro keramické palivo a H 2 O/D 2 O chladivo; má nosnou funkci, do 500 C - nerez ocel - pro keramické palivo a plynné chladivo při vyšších teplotách, resp. sodíkové chladivo u rychlých reaktorů; má nosnou funkci; do C; vyšší absorpce neutronů než u slitin zirkonia - grafit - pro keramické palivo a plynné chladivo při velmi vysokých teplotách (He); má nosnou funkci; do 1200 C

3 Moderátory - hlavní funkce: - zpomaluje neutrony až do oblastí tepelných energií - hlavní požadavky: - intenzívně zpomalovat neutrony pružným rozptylem (srážkami ) - málo pohlcovat neutrony - mechanismus pružných srážek: - řídí se zákony klasické mechaniky ráz dvou dokonalé pružných koulí - minimální ztráta energie při kluzné srážce, maximální ztráta energie při čelní srážce - při srážce záleží na velikosti jader (jedna srážka neutron-jádro vodíku může znamenat předání veškeré energie) - střední logaritmický dekrement energie ξ charakterizuje účinnost moderátoru z hlediska průměrného poklesu energie neutronu při 1 srážce z energie E 1 na energii E 2 : ξ = ln - čím větší hodnota ξ, tím menší průměrný počet srážek na zpomalení Moderátory - kritéria pro posouzení moderačních vlastností 1. celkový počet srážek s - ξ stanovuje, kolik je potřeba v průměru srážek, abychom neutron zpomalili z počáteční energie E 0 na energii tepelných neutronů E T : = ln = ξ ln 0,025 ξ 2. zpomalovací schopnost ξσ s - makroskopický účinný průřez charakterizuje materiál z hlediska objemové četnosti pružných srážek ξσ s rozměry AZ 3. moderační poměr ξσ s / Σ a absorpce neutronů v moderátoru by měla být co nejmenší Je žádoucí, aby moderátor měl přijatelná všechna kritéria, jinak je k moderaci nepoužitelný moderátor ξ s Σ s (barn) Σ a (barn) ξσ s ξσ s /Σ a H 2 O 0, , použitelné materiály: D 2 O 0, , H 2 O Be 0, , D 2 O BeO 0, , C 0, ,033 6, grafit H 1,0 18 D 0, He 0, Na 0, Fe 0, U 0, ,0092 Charakteristiky některých moderátorů

4 Chladivo - hlavní funkce: - chladit AZ - hlavní požadavky: - málo pohlcovat neutrony - dobře odvádět teplo z AZ - možnost ohřátí na vysokou teplotu - další požadavky - nízká a krátkodobá indukovaná radioaktivita - dostatečná stabilita při provozních teplotách - nízká náchylnost ke korozi a erozi vůči materiálům I.O. - přijatelné náklady na chladivo a jeho údržbu - používané materiály: - CO 2 - He - H 2 O - D 2 O - tekuté kovy (Na, Pb-Bi) pro rychlé reaktory Materiály absorpčních tyčí - hlavní funkce: - silná absorpce neutronů - používané materiály: - B tyče (B 4 C, ZrB 2 ), tekutá forma (kyselina boritá H 3 BO 3 ) - Cd tyče (dříve) - Gd (Gadolinium) vzácná zemina, vyhořívající absorbátor (Gd 2 O 3 )

5 Základní dělení energetických reaktorů podle způsobu rozmístění paliva v AZ homogenní práškové nebo tekuté palivo, homogenně rozptýleno v AZ heterogenní palivo ve formě tyčí, trubek apod. (s povlakem) podle konstrukce I.O. smyčková - chladivo z reaktorové nádoby proudí několika větvemi/smyčkami do výměníku integrální - kdy aktivní zóna spolu s tepelným výměníkem jsou umístěny v téže reaktorové nádobě Základní dělení energetických reaktorů podle uspořádání paliva (u heterogenních reaktorů) reaktor s tlakovou nádobou - aktivní zóna a celý systém řízení reaktoru jsou umístěny v tlakové nádobě, která snáší potřebný tlak reaktor kanálového typu - každý palivový článek je umístěn ve vlastní tlakové trubce beztlakové provedení AZ v nádrži se sodíkem

6 Základní dělení energetických reaktorů podle změny skupenství chladiva (je-li chladivem H 2 O, či D 2 O) varný reaktor - v reaktoru dochází k varu a výrobě páry tlakovodní reaktor - reaktor pracuje s vodou v kapalném skupenství podle způsobu výměny paliva kampaňová výměna paliva tj. při odstaveném reaktoru (zpravidla u reaktorů s tlakovou nádobou) nepřetržitá výměna paliva tj. za provozu (zejména reaktory s tlakovými kanály) Základní dělení energetických reaktorů energie n. uskutečňující převážnou část štěpení Tepelné reaktory Rychlé reaktory druh a izotopické složení paliva přírodní uran mírně obohacený uran vysoce obohacený uran plutonium MOX Fast Breeder Reactors moderátor D2O Těžkovodní reaktory grafit Grafitové reaktory H2O Lehkovodní reaktory chladivo D2O plyn (CO2, He) H2O tekutý kov (Na, Pb-Bi) konstrukční provedení tlaková nádoba tlakové kanály beztlakové provedení celková koncepce integrální smyčková smyčková integrální způsob výměny paliva kampaňová odstavený reaktor nepřetržitá za provozu kampaňová odstavený reaktor

7 Základní dělení energetických reaktorů Základní dělení energetických reaktorů

8 Používané typy konstrukcí energetických reaktorů Rozdělení podle typu reaktoru v % počtu kusů Provozované komerční jaderné bloky MAGNOX GGCR (Gas Cooled, Graphite Moderated Reactor) 1. generace GGCR používán ve Velké Británii a v Japonsku palivem je přírodní kovový uran ve formě tyčí pokrytých oxidem magnezia anglicky magnesium oxid = Magnox AZ se skládá z grafitových bloků (moderátor), kterými prochází několik tisíc kanálů, do každého se umísťuje několik palivových tyčí AZ je uzavřena v kulové ocelové nádobě s betonovým stíněním kontinuální výměna paliva chladivem je CO 2, který se po ohřátí vede do PG, kde předá teplo vodě sekundárního okruhu

9 Provozované komerční jaderné bloky MAGNOX, 600/400 MWe přírodní uran (0,7% 235U) rozměry aktivní zóny: 14 m průměr a 8 m výška tlak CO 2 : 2,75 MPa teplota CO 2 na výstupu reaktoru: 400 C účinnost elektrárny: 25,8% aktivní zóna: 595 t U Provozované komerční jaderné bloky AGR - Advanced Gas Cooled, Graphite Moderated Reactor - 2. generace GGCR - používá se výhradně ve Velké Británii, kde pracuje 14 takových reaktorů - palivem je U obohacený izotopem 235U ve formě UO 2 - max. teplota paliva 1500 C - pokrytí: nerez ocel - moderátor: grafit - chladivo: CO 2

10 Provozované komerční jaderné bloky AGR, 600 MWe obohacení izotopem U235 na 2,3% rozměry aktivní zóny: 9,1 m průměr a 8,5 m výška tlak CO 2 : 5,5 MPa teplota CO 2 na výstupu reaktoru: 650 C účinnost elektrárny: 42% Provozované komerční jaderné bloky CANDU tlakový, těžkou vodou chlazený a moderovaný reaktor (PHWR) byl vyvinut v Kanadě a exportován do Indie, Pákistánu, Argentiny, Koreje a Rumunska palivem je přírodní uran ve formě UO 2 AZ je v nádobě tvaru ležícího válce, která má v sobě vodorovné průduchy pro tlakové trubky těžkovodní moderátor v nádobě musí být chlazen, neboť moderační schopnost se snižuje se zvyšující se teplotou těžká voda z prvního chladicího okruhu předává své teplo obyčejné vodě v parogenerátoru, odkud se vede pára na turbínu.

11 Provozované komerční jaderné bloky CANDU, 600 MWe přírodní uran (0,7% U235) rozměry aktivní zóny: 7 m průměr a 5,9 m výška tlak D 2 O: 9,3 MPa teplota D 2 O na výstupu reaktoru: 305 C účinnost elektrárny: 30,1% aktivní zóna: 117 t UO 2 Provozované komerční jaderné bloky PWR / VVER + BWR je to dnes základní typ elektráren, především PWR nutnost použít obohacený U, či Pu jako palivo existují 2 základní typy: tlakovodní reaktor (PWR) (1957 Shippingport, USA) PWR - Pressurized light-water moderated and cooled Reactor VVER - Vodo-Vodjanoj Energetičeskij Reaktor) (ruský typ) varný reaktor (BWR) pára vzniká přímo v AZ (1960 Dresden, USA). Páru lze použít pro pohon turbíny BWR - Boiling Water Reactor výborné autoregulační vlastnosti (vysoký záporný teplotní koeficient reaktivity) jsou prostorově kompaktní technickým limitem není ocelová tlaková nádoba, ale teplota povlaků palivových článků z hlediska dlouhodobých mechanických vlastností a koroze užívají se materiály na bázi Zr (T musí být menší než 380 o C)

12 Provozované komerční jaderné bloky PWR / VVER, 1000 MWe obohacení izotopem U235 na 3,1% až 4,4% rozměry aktivní zóny: 3 m průměr a 3,5 m výška tlak H 2 O: 15,7 MPa teplota H 2 O na výstupu reaktoru: 324 C účinnost elektrárny: 32,7% aktivní zóna: t UO 2 Provozované komerční jaderné bloky BWR, 1000 MWe obohacení izotopem U235 na 2,1% až 2,6% rozměry aktivní zóny: 4,5 m průměr a 3,7 m výška tlak H 2 O: 7 MPa teplota páry na výstupu z reaktoru: 286 C účinnost elektrárny: 33,3% aktivní zóna: 122 t UO 2

13 Provozované komerční jaderné bloky RBMK - Reaktor Bolšoj Moščnosti Kanalnyj RBMK používá se výhradně na území bývalého SSSR tohoto typu reaktor 1. jaderné elektrárny v Obninsku i reaktor v Černobylu další reaktory tohoto typu se již nestaví palivem je mírně obohacený uran ve formě UO 2 palivové tyče jsou vloženy v tlakových kanálech, kudy proudí chladivo - lehká voda v tlakových kanálech (cca 1600 ks) přímo vzniká pára, která po oddělení vlhkosti pohání turbínu moderátorem je grafit, který obklopuje kanály elektrárna je tedy jednookruhová v Černobylu nebyla ochranná obálka a ani systém řízení reaktoru neodpovídal bezpečnostním požadavkům IAEA tzv. inherentní nestabilita při některých (zakázaných) provozních stavech Provozované komerční jaderné bloky RBMK (LWGR), 1000 MWe obohacení izotopem U235 na 1,8% rozměry aktivní zóny: 11,8 m průměr a 7 m výška počet kanálů: 1693 tlak H 2 O: 6,9 MPa teplota parovodní směsi na výstupu z reaktoru: 284 C účinnost elektrárny: 31,3% aktivní zóna: 192 t UO 2