Podstawowe rodzaje reaktorów jądrowych cz. 2.pdf

rdzeń i znajdującym się również pod rdzeniem był beryl, a dodatkowo nad rdzeniem była

umieszczona płyta berylowa nasuwająca się nad rdzeń w miarę wypalania paliwa.

Rozwiązanie to w oczywisty sposób pozwala na lepsze wykorzystanie wsadu paliwowego.

Rdzeń umieszczony jest w basenie z lekką wodą, która zapewnia chłodzenie dzięki zwykłej

konwekcji ciepła. Jeśli woda się nazbyt grzeje lub tworzą się w niej pęcherzyki powietrza,

zmniejsza się stopień moderacji neutronów, a reaktor – dzięki ujemnemu sprzężeniu

zwrotnemu – sam się wyłącza. Dzięki takiemu, jak mówimy, biernemu systemowi

bezpieczeństwa 4 reaktor SLOWPOKE-2 może działać bez konieczności dozoru (a w każdym

razie wystarcza tylko zdalny podgląd). Typowa moc reaktora wynosi 20 kW, jednak w

kolejnej wersji, SLOWPOKE-3, moc cieplna reaktora została podniesiona do 2 - 10 MW,

dzięki czemu może on pracować jako reaktor ciepłowniczy. Reaktory uniwersyteckie służą

zarówno do szkoleń, jak i niektórych badań naukowych (np. związanych z neutronową

analizą aktywacyjną).

7.9 ADS

wytwarzać także w mniej konwencjonalny sposób, wykorzystując do tego celu tzw. reakcję

kruszenia (spalacji). Reakcja ta zachodzi, gdy cząstka o bardzo dużej energii (np. proton o

energii rzędu 1 GeV) uderzy w jądro. W wyniku takiej reakcji może powstać cały szereg

procesów, a niektóre z nich pokazane są na rys. 7.13.

Proton o energii

Kaskada

ok. 1 GeV

wewnątrz-

jądrowa

Cząstka z

kaskady

Silnie wzbudzone jądro

parowanie

Rys. 7.13 Reakcja kruszenia

4 o systemach biernych (pasywnych) będziemy mówili więcej w kolejnym rozdziale

otrzebne do wytwarzania materiałów rozszczepialnych silne strumienie neutronów można

Choć podstawową ideę wykorzystania wielkiej liczby neutronów generowanych w procesie

spalacji zawdzięczamy Ernestowi Rutherfordowi, dopiero w 1993 r. Carlo Rubia (lauereat

Nagrody Nobla) podał bardzo twórczy projekt, łączący akcelerator protonów z reaktorem

powielającym. Schemat ideowy układu, nazwanego szumnie „wzmacniaczem energii”

( Energy Amplifier ) pokazuje rys. 7.14. Zarówno układ Rubii, jak i podobny mu wcześniejszy

układ zaprojektowany przez Bowmana, ze względu na ich potencjalne zastosowanie

omówimy w rozdziale X. W obu układach protony o energii rzędu 1 GeV uderzają w tarczę z

ołowiu (rys. 7.15), w wyniku czego tworzy się ogromna liczba neutronów – do 200 na jedną

reakcję kruszenia. Neutrony wywołują w reaktorze podkrytycznym (k < 1) reakcję

łańcuchową. Zgodnie z projektem Rubii, część energii wytworzonej w reaktorze ma być

wykorzystana do zasilania akceleratora protonów.

Rys. 7.14 Idea „wzmacniacza energii”

ołowiu wysokoenergetycznymi

protonami

ys. 7.15 Reakcja kruszenia jąder

Układy korzystające z akceleratora jako pierwotnego urządzenia noszą skrót ADS od ang.

Accelerator Driven System – układów sterowanych przy użyciu akceleratora. Jak się sądzi,

będą one szczególnie użyteczne przy postępowaniu z długożyciowymi odpadami

promieniotwórczymi z energetyki jądrowej. Właśnie tej sprawie poświęcimy w rozdziale X

wiele uwagi.

począwszy od rodzaju akceleratora, a kończąc na chłodzeniu itp., jest sprzężenie układu

akceleratorowego z reaktorem podkrytycznym i praca przez cały czas w modzie

podkrytycznym , a więc nie w sytuacji samopodtrzymującej się reakcji rozszczepienia. Układ

jest więc podkrytyczny bez względu na to, czy akcelerator jest, czy nie jest włączony. Ten

ostatni stanowi urządzenie sterujące pracą reaktora i to w stopniu znacznie bezpieczniejszym

niż pręty sterujące w typowym reaktorze jądrowym. Dzieje się tak dlatego, że w ADS uźródło

neutronów jest rozdzielone z materiałem rozszczepialnym dającym neutrony

rozszczepieniowe. . Również ekonomia wykorzystania neutronów jest lepsza. Wreszcie, ADS

może wykorzystywać jako paliwo materiały, które w normalnym reaktorze nie mogą być

wykorzystywane, jak lżejsze aktynowce (w ang. minor actinides ) czy duża ilość plutonu i

niektóre fragmenty rozszczepienia.

totną cechą układów ADS, a obecnie istnieje bardzo wiele koncepcji technicznych,

reaktorów, jak ją przedstawialiśmy w rozdziale VI. Schemat podstawowych składowych tego

typu układów przedstawia rys. 7.16.

omimo różnic, zasadnicza fizyka opisująca działanie układów ADS jest identyczna z fizyką

Ładunek odpadów do

szybkiego przetworzenia

Usuwanie

produktów

rozszczepienia

Większość produktów

rozszczepienia zostaje

usunięta

Akcelerator liniowy lub

cyklotron

Protony o energiach 0,6–1,6

GeV kierowane są na tarczę

Transmutacja aktynowców i

długożyciowych fragmentów

rozszczepienia

Tarcza (Pb, Bi/Pb, itp.)

Powstają neutrony

spalacyjne

Reaktor podkrytyczny

Powstaje wysoki strumień

neutronów w otaczającym

paliwie rozszczepialnym

10-30% energii do

akceleratora, reszta do sieci

energetycznej

Rys. 7.16 Podstawowe elementy układów reaktorowych sterowanych akceleratorem

.10 Reaktory energetyczne w skrócie

energetycznych. Podsumowanie to przedstawiamy w formie Tabeli 7.2. Zwróćmy jednak

uwagę, że wybór chłodziwa czy moderatora nie wpływa na funkcję, jaką ma pełnić reaktor.

Ma on natomiast znaczenie dla rozmiarów i sposobu sterowania reaktorem. Zwracamy

próbujmy podsumować, co wiemy o różnych rodzajach i funkcjach reaktorów

również uwagę na terminologię użytą w tabeli: przez „niskie wzbogacenie” rozumie się

zawartość 3-5% 235 U w 238 U. Natomiast „słabe wzbogacenie” mamy przy koncentracjach 235 U

0,8-3%.

Tab. 7.2 Rodzaje i funkcje energetycznych reaktorów jądrowych

Typ reaktora

Reaktor lekowodny (LWR)

Reaktor ciężkowodny

BWR

PWR

Typowa funkcja

Elektry

czność

Elektryczność, napęd Elektryczność,

łodzi

produkcja pluto

Chłodziwo

Woda

Ciężka woda

Moderator

Woda

Ciężka woda

Postać

chemiczna

UO 2

UO 2 lub metal

paliwa

Wzboga

cenie w U Niskie

235

Niskie

Brak; uran naturalny

Uwagi

Para

generowana

Para g

zewnątrz reaktora w

obiegu wtórnym

enerowana na

CANDU oraz

reaktory w Savannah

River

wewnątrz

reaktora

bezpośrednio

kierowana na t

urbinę

Typ reaktora

Reaktor z moderatorem grafitowym

Reaktory powielające

BWR

PWR

FBR i LMFBR

Typowa funkcja

Elektry

produkcja pluto

czność,

Elektry

produkcja pluton

czność,

Elektryczność,

produkcja pluto

Chłodziwo

Gaz (CO 2 lub He)

Woda

Ciekły sód

Moderator

Grafit

Nie jest konieczny

Postać

chemiczna

UC 2 l

uran

ub metaliczny

UO 2 l

uran

ub metaliczny

PuO 2 i UO 2

różnych proporcjach

paliwa

Wzboga

cenie w U

235

Słabe

lub wcale

Słabe

Mieszanina

235 U

239 Pu

Uwagi

Reaktory tego typu Reaktory typu RBMK

Reakto

więcej paliwa niż

zużywają

ry produkujące

pracują w Anglii i

Francji

w b. ZSRR; reaktor w

Hanford

niektóre charakterystyki. 5 Konstrukcja aż 79% reaktorów na świecie jest zasadniczo jedną z

dwóch amerykańskich konstrukcji reaktorów wodno-ciśnieniowych. Reaktory te wytwarzają

88% energii elektrycznej produkowanej przez wszystkie reaktory.

ponownie wszystkie elementy i przede wszystkim przeprowadzono szereg poprawek w

konstrukcji reaktora RBMK, dzięki czemu nie grozi nam kolejna awaria tego typu jak w roku

1986. O systemach bezpieczeństwa, aktywnych i pasywnych, powiemy w następnym

rozdziale. Powiemy tam również, czemu awaria typu czarnobylskiej nie powinna nam już

grozić.

5 wg http://www.world-nuclear.org/opinion/opinion6.html

)

Tabeli 7.3 podajemy pracujące obecnie na świecie energetyczne reaktory jądrowe i ich

eśli chodzi o bezpieczeństwo, to po awarii reaktora w Czarnobylu przeanalizowano

Tab. 7.3 Reaktory jądrowe pracujące na potrzeby energetyki

Typ reaktora Kraje

Liczba

GWe

Paliwo

Chłodziwo Moderator

PWR

USA,

252

235

Wzbogacony woda

woda

Francja

Japoni

Rosja

UO 2

BWR

USA,

Wzbogacony

UO 2

woda

Japonia

Szwec

AGR,

Magnox *)

Anglia

Wzb

ogacony

CO 2

grafit

UO 2

oraz

uran

metaliczny

CANDU

Kanada

Natur

UO 2

alny

Ciężka

woda

Ciężka

woda

Reaktor na

neutronach Francja,

Japonia,

1,3

PuO 2 i UO 2 Ciekły s

ód

brak

prędkich

(FBR)

Rosja

inne

Rosja,

Japonia

0,2

RAZ

434

365

AGNOX any jest 17. Nazwa pochodzi od ang. Magnesium Alloy –

pecjalnego stopu z magnezem, cyrkonem i aluminium, użytego w reaktorze grafitowym, chłodzonym gazem.

pokaz

na rys. 7.

Stop ten jest szczególnie odporny na korozję. W reaktorze tego typu element paliwowy jest pojedynczym prętem

paliwowym .

przewiduje, w latach 2010 – 2030 pojawią się reaktory generacji III+, które będą odznaczały

się jeszcze bardziej podwyższonym poziomem bezpieczeństwa i będą bardziej ekonomiczne

od swoich poprzedników. Bardziej masowe wprowadzanie generacji IV, a więc reaktorów

typu HTGR, FBR, czy ADS, w których standardy bezpieczeństwa i ekonomika będą jeszcze

lepsze, a ponadto w których paliwo będzie wykorzystywane w bardziej optymalny sposób, a

ilość odpadów będzie zminimalizowana, to kwestia zapewne roku 2030 i lat późniejszych. W

nawiązaniu do uwagi o optymalizacji warto zdać sobie sprawę z tego, że jest o co się bić,

gdyż obecny stopień wykorzystania paliwa, to zaledwie kilka - kilkanaście procent!

Tabela 7.4 podaje stan energetyki jądrowej na świecie z września 2006 r.

odpowiadają działalności elektrowni jądrowych. W tabeli „Reaktory planowane” podajemy

dane dla reaktorów, które już uzyskały pełne fundusze na budowę, lub których budowa

została rozpoczęta ale odłożona na czas nieokreślony. W kolumnach oznaczonych „L.”

podajemy liczbę reaktorów. W ostatniej kolumnie podane jest zapotrzebowanie na uran.

Warto pamiętać, że 65,478 ton uranu, to 77,218 ton U 3 O 8.

*) Schemat reaktora M

atrząc na ewolucję reaktorów jądrowych, dzisiejsza technologia odpowiada tzw. III

eneracji reaktorów, które są głównie zaawansowanymi reaktorami lekkowodnymi. Jak się

wraz z

apotrzebowaniem na uran. Oczywiście kolumny dotyczące produkcji energii elektrycznej

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: