Univerza v Ljubljani Fakulteta za Matematiko in Fiziko

Transcription

1 Univerza v Ljubljani Fakulteta za Matematiko in Fiziko PEBBLE BED REACTOR Reaktor s kroglastim gorivom Seminarska naloga Stanko Manojloviè, Mentor: prof. dr. Matjaž Ravnik 27.februar 2008

2 Uvod... 3 Pomnoževalni faktor... 4 Reakcijski preseki... 4 Zgodovina... 5 Splošno o reaktorju... 5 Gorivni elementi... 5 Hlajenje... 7 Kontrola reaktorja... 9 Modularni koncept Prednosti PB reaktorja Varnostni mehanizmi Helij Potresi, nesreèe in napadi Cenovno ugodni Visoka temperatura obratovanja Slabosti PB reaktorjev Velika kolièina odpadkov Nevarnost poškodbe krogel Zakljuèek Viri:

3 Uvod Vedno veèje potrebe po elektrièni energiji silijo raziskovalce v razvoj novih izboljšanih sistemov jedrske energije. Zaradi velikih zalog urana na Zemlji (0,0005 % zemeljske skorje, od tega 0,7% urana 235) ter zaradi njegovih lastnosti, je ta zelo primeren za uporabo v jedrskih reaktorjih. Boljši izkoristki, varnejše delovanje in cenejše obratovanje so cilji, ki jih skuša doseèi reaktorska fizika z razvojem novih reaktorjev. Tako nastopi nova vrsta reaktorjev. Ti so tako imenovani reaktorji èetrte generacije, oz. HTGPBR (high temperature gas cooled pebble bed reactor). S tem so zadostili vsem trem prej naštetim ciljem. Reaktorje navadno loèimo na veè skupin: Hitri, termièni Tip moderatorja: grafitni, vodni ali težko vodni Tip goriva: uran, plutonij, torij Tip hladila: voda, plin, staljene kovine V tem seminarju bom opisal torej termièni reaktor na uran, ki uporablja za moderator grafit in je plinsko hlajen. 3

4 Osnove reaktorske fizike Za delovanje jedrskega reaktorja potrebujemo verižno reakcijo cepitve jeder. V jedrskih elektrarnah navadno uporabljajo uran 235 ali plutonij 239. Pri cepitvi teh jeder dobimo nevtrone in energijo (približno 200 MeV). Novo nastali nevtroni, bodo povzroèali nadaljne cepitve, ki nam bodo vzdrževale reakcijo. Pomnoževalni faktor N k 1 število nevtronov v N tem koraku k N k številom nevtronov v prejšnjem koraku Pomnoževalni faktor je razmerje med številom nevtronov v dveh zaporednih generacijah. Za kritièen reaktor (tisti, ki stabilno deluje s konstanto moèjo), je potrebno, da je pomnoževalni faktor k 1. S tem imamo zagotovljeno, da se število nevtronov ne bo zmanjševalo ali veèalo. V primeru ko je k < 1, je reaktor podkritièen. Nadkritièen reaktor, pa ima k > 1. S pomoževalnim faktorjem lahko tudi izraèunamo število nevtronov po P generacijah, èe vemo zaèetno število P N k N k N P P 1 0 Vso cepitveno energijo nato odvedemo z razliènimi hladili do generatorjev, kjer izkorišèamo razliko tlakov, za obraèanje turbin oz. proizvodnjo elektriène energije. Reakcijski preseki 2 Definiramo lahko tudi verjetnost, da bo nevtron, ki preèka ploskev veliko 1 cm interagiral 24 2 z atomom snovi, ki jo preèka. Enota reakcijskega preseka je barn oz. 10 cm. Poznamo veè vrst presekov. Absorbicijski presek nam pove verjetnost, da se bo nevtron absorbiral v snovi. Sipalni presek, pa verjetnost, da se bo sipal na atomu snovi, za doloèeno energijo. Preseki so tako odvisni od snovi, energije nevtrona, ter posledièno tudi temperature atomov. a f Absorbcijski presek je sestavljen iz fisijskega (verjetnost, da povzroèi fisijo), gama (verjetnost, da povzroèi gama sevanje), alpha (verjetnost, da po absorbiciji povzroèi izsevanje alfa delca). 4

5 Slika 1: Fisijski presek za uran 235. Opazimo, da potrebujemo za fisijo precej nizko energijske nevtrone, reda termiènih hitrosti. Zgodovina Prvi koncept PBR, si je zamislil prof. dr. Rudolf Schulten leta Osnoven koncept je temeljil na ideji, da bi imeli zelo varen, zelo preprost reaktor. 16 let kasneje, 26. avgusta 1966, je dosegel kritiènost prvi Nemški reaktor. Delujoè na 15 MW je pomagal dognati nove lastnosti in znaèilnosti teh reaktorjev. Projekt je deloval kar 21 let, decembra 1988 pa so ga ustavili, saj je prišlo do napake v sistemu. Prav tako so bili še pod pritiski zaradi Èernobilske nesreèe dve leti prej. V osnovi je AVR reaktor bil namenjen kot oplojevalni reaktor Thorija 232, ki ga je kar 400-krat veè kot urana 235. Kmalu so ugotovili, da je nastali oplojen torij bistveno težavneje izloèiti iz produktov, tako da so ga zamenjali za uran 235. Splošno o reaktorju PBR (Pebble bed reactor) ima vertikalno reaktorsko tlaèno posodo visoko 27 metrov in notranjega premera 6.2 metra. V reaktorju je kot hladilno sredstvo uporabljen helij pri 9 MPa. Gorivni elemnti so posebne krogle, ki nakljuèno ležijo druga na drugi v reaktorju. V nadaljnje se reaktorji loèijo po modelu izdelave. Navadno sta dva hladilna sistema, primarni in sekundarni. Gorivni elementi 6 cm veliko gorivo je sestavljeno iz zelo majhnih kroglic. Mikrosfere so izdelane iz posebne raztopine uranovega nitrata, ki se nato strdijo. Te mikrosfere povežejo skupaj v veèje grupe s pomoèjo posebnega želeja, ki se pri visoki temperaturi kalcinira (tvori trdno strukturo). Nastanejo torej majhna uranova dioksidna jedra. Jedra nato obdelajo s kemiènimi visokotemperaturnimi postopki (~ 1000 C ), kjer lahko zelo precizno dodajajo razliène kemiène dodatke. Ta proces poteka v argonu, saj je inerten plin in ne reagira s kemikalijami. S tem postopkom nanesejo naslednje zelo fine sloje: Prvi sloj je navadno porozen sloj ogljika. Ta sloj omogoèa, da se znotraj špranj poroznega ogljika naberejo cepitveni produkti. Tako ne pride do težav kot pri reaktorjih druge stopnje, kjer lahko cepitveni produkti povzroèijo velik porast tlaka. Drugi sloj je posebna oblika ogljika, ki je obdelan preko visokih temperatur in je zato zelo kompakten (pyrolitic carbon). Sledi sloj silikonovega karbida, ki deluje kot dober reflektor nevtronov. Za tem pa ponovno sloj pirolitiènega karbida. S tem je uranovo jedro zašèiteno pred veèino mehaniènih deformacij, do katerih bi lahko prišlo med samim ciklom izdelave. Nato povežejo tako obdelanih uranovih»mili«krogel, ki so sedaj velike približno milimeter, v eno 5 cm veliko kroglo. Za vezavo je uporabljen grafit in fenolitièna smola. 5

6 Grafit je uporabljen zato, ker je precej dober toplotni prevodnik, prav tako pa je dober moderator za nevtrone, smola pa deluje kot vezivo. Nato je nanesen še pol centimetrski sloj èistega ogljika, ki je prav tako obdelan pod visokimi temperaturami. S tem postanejo krogle moène in odporne na zunanje deformacije. SLIKA 2: sestava gorivnih elementov Na koncu jih še izbrusijo v popolne 6 cm velike krogle (ravno velikost tenis žogice). Vsaka žogica vsebuje 9 gramov urana, masa celotne krogle pa je 210 gramov. V delujoèem reaktorju je tako približno 4100 kg èistega urana. To znese na kar kroglic. V reaktorju mora potekati verižna reakcija, zato je obogatitev urana kar 9%, v Krškem je recimo le 5%. Naravna obogatitev uranove rude z uranom 235 je le 0,7%. Leta 2002 je bila narejena ocena goriva razliènih proizvajalcev. Nemško gorivo je proizvedlo 3 velikostne rede manj radioaktivnih plinov, kot ameriško gorivo. Nemci izdelujejo uranova dioksidna jedra, med tem ko Amerièani uporabljajo uranov karbid. Prav tako je uspelo Nemcem narediti neprekinjen proizvodni cikel, med tem ko amerièani izdelujejo gorivo le v serijah oz. sklopih. 6

7 Slika 3: Cel kup uranovih kroglic med kontrolnimi palicami Hlajenje Helij odnaša toploto cepitvenih reakcij kar med kroglami (špranje, ki so posledica okroglega goriva). V reaktor vstopi pri temperaturi 500 C, nato se segreje na 900 C. Plin zapusti reaktorsko posodo na dnu in je voden na turbine, ki so povezane z generatorjem preko menjalnega mehanizma. Hladilo zapusti turbine pri približno 3 MPa in temperaturi 500 C. Helij je voden do kompresorjev in filtrov, ki mu ponovno poveèajo tlak in ga segrejejo nazaj 500 C. Tako ni potrebe po razliènih filtrih, ki bi odstranjevali kapljice od pare kot pri LWR. Kapljice pri visokih hitrostih lahko povzroèijo veliko škode na turbinah. V primeru PBR, je helij vedno v plinastem stanju in ni možnosti kondenzacije (tekoè helij pri normalnih pogojih ima teperaturo 3 K). Delovanje pri tako visoki temperaturi ima tudi bistveno boljše izkoristke. Navadni vodno hlajeni reaktorji (Krško) imajo 33% izkoristek pretvorbe toplote v elektrièno energijo (delujejo pri temperatruah okrog 300 C ). PBR reaktorji pa imajo že 40% izkoristek, med tem ko je teoretièni izkoristek kar 50% (napovedan 47%, ko bo prišlo do izboljšav v materialih, ter možnosti delovanja pod višjimi temperaturami). Helij ima prav tako zelo nizek reakcijski presek za termiène nevtrone (0,007 barna). S tem skoraj nimamo izgub termiènih nevtronov, prav tako pa ne postane visoko radioaktiven.. Zaradi uporabe samega plina, ne prihaja do tolikih notranjih poškodb reaktorja, kot jih lahko povzroèi abrazija vode. 7

8 Za preèrpavanje helija potrebujejo moène èrpalke. Èrpalke so do 30 MW, pretok pa je vse do 180 kg/s. Helij ima precej nizko gostoto, zato ga je potrebno bistveno veè, da ohladi sredico do željene temperature. Slika 4 : Na sliki je osnovna shema pretoka helija po sistemu, ki so ga razvili južnoafrièani. Helij priteèe v spodnji del reaktorske posode, ter teèe znotraj reflektorskega šèita. Na vrhu je zaradi oblike in nadtlaka potisnjen skozi sredico navzdol, kjer odvzame veèino toplote. Nato ga vodimo na razliène vrste turbin, in skozi èrpalke nazaj v reaktor. 8

9 Menjava goriva Najbolj zanimiva lastnost PB reaktorjev pa je ciklièna avtomatska menjava goriva. V navadnih reaktorjih morajo vsako leto ustaviti proces proizvodnje in gorivo menjati fizièno. To pomeni denarne izgube pri samem obratovanju ( Evrov dnevno * 7 dni). PB reaktorji pa imajo avtomatski»dodajalni«sistem ter odjemalni sistem. To pomeni, da se gorivo menja med samim obratovanjem. Nove krogle kar padajo med delovanjem od zgoraj, med tem ko stare, izrabljene odpadajo na dnu reaktorja. Ves mehanizem je pnevmatièen. Odpadlo in staro gorivo lahko transportirajo po posebnih ceveh na odlagališèe. Za vsako kroglo lahko preverijo, èe je bil porabljen ves uran 235. Po želji jo lahko nato ponovno preusmerijo v reaktor. Vse to se odvija med polnim obratovanjem reaktorja. Remont reaktorja je tako predviden na vsakih 6 let. Kljub temu je potrebno na zaèetku predvideti nekaj zaustavitev in zaganjanj reaktorja. Ta poteka podobno kot pri LWR. Kontrolne palice so vstavljene znotraj reaktorja, po posebnih ceveh. Tako pride absorber direktno med samo gorivo. Slika 5: Prikazan je dovod goriva za PBR reaktor. V sredico potekajo 4 dovodne cevi (odvisno do modela), po katerih so spušèene krogle razliènih obogatitev. Sam sitem omogoèa takšno razporejanje goriva, da bo toplota èimbolj enakomerno porazdeljena po celi sredici. Kontrola reaktorja Sam koncept pa omogoèa tudi, da izhodno moè reaktorja ne kontroliramo s spustom kontrolnih palic, temveè z reguliranjem pretoka helija. Tako je odzivnost bistveno boljša, kar pomeni, da lahko reguliramo izhodno elektrièno moè glede na trenutno porabo prejemnikov. V sredici se proizvaja manj toplotne moèi, èe zvišamo temperaturo, tako ne more priti do stopitve sredice. Te vrste reaktorjev imajo torej negativni temperaturni koeficient. Najprej definiramo reaktivnost reaktorja. 9

10 k 1 k V primeru, ko je reaktor kritièen je reaktivnost enaka 0. Pri zagonu in poveèanju moèi je pozitivna, pri ugašanju in zmanjševanju pa negativna. Temperaturni koeficient je torej : R T S tem lahko odèitamo za koliko se spremeni reaktivnost, ko veèamo temperaturo reaktorja. Loèimo dve vrsti temperaturnih koeficientov: Temperaturni koefcicent moderatorja je v osnovi funkcija razmerja med moderatorjem in gorivom. V primeru, ko je reaktor»podmoderiran«je temperaturni koeficient negativen. Èe pa je reaktor»nadmoderiran«, pa bo temperaturni koeficient pozitiven. Poveèanje v reaktivnosti povzroèi poveèanje fluksa in s tem poveèano toplotno moè. Posledièen dvig temperature bo zmanjšal reaktivnost in zmanjšal moè reaktorja. Temperaturni koeficient goriva je še pomembnejši od moderatorskega. Navadno traja nekaj sekund, da se moderator segreje in povzroèi negativni efekt na reaktivnost. Tega èasovnega zamika ni v samem gorivu. Dopplerjev reaktivnostni koeficient je posledica hitrega vibriranja jeder zaradi zvišanja temperature goriva. V uranu 238 pride zaradi tega pojava do razširitve absorbcijskih èrt. S tem se veè nevtronov absorbira v uranu 238, kar posledièno zmanjša reaktivnost, ter seveda tudi multiplikacijski faktor. Slika 6: Prikaz Dopplerjeve razširitve absorbcijskega mikroskopskega preseka. 10

11 Modularni koncept PBMR (Pebble bed modular reactor) koncept pa izkorišèa možnost, da imamo veè enakih reaktorjev znotraj enega kompleksa. Ti reaktorji so lahko manjši in se jih lahko dodaja naknadno (glede na potrebe in možnosti nadaljnje investicije). Zaradi manjše velikosti bi lahko bili masovno proizvedeni, kar bi še znižalo stroške izdelave, stroške menjave in obratovanja. Prednosti PB reaktorja Varnostni mehanizmi Nesreèa kot je bila v Èernobilu, je bila posledica okvare in nepravilnega operiranja z aktivnimi hladilnimi sistemi. Ti reaktorji imajo pasivno hlajenje in negativni temperaturni koeficient. Toplota je odvedena preko konvekcije in toplotne prevodnosti materialov. Prav tako je reaktorska posoda nižje od toplotnih izmenjevalnikov, kar bi v najslabšem primeru privedlo še vedno do konvekcije helija. Medtem, ko so pa krogle narejene iz pirolitiènega grafita, ki sublimira šele pri 4000 C, prav tako pa so vsi nastali produkti ujeti v fini mreži poroznega grafita. Mrežna struktura pa se ohrani vse do 1600 C. Slika 6: Test izveden leta Na grafu so prikazane 3 linije. Na zgornji vidimo pozicijo kontrolnih palic. Te so popolnoma izvleèene. Ob èasu t = 0 so bile ugasnjene èrpalke za helij. Moè reaktorja se je zaèela dvigovati, a se je na koncu ustalila pri doloèeni temperaturi. Dokaz, da je reaktor inherentno varen. Helij Je kemièno inerten, tako ne povzroèi nobenih reakcij z materiali in ne obrabi tako hitro komponente, ki sestavljajo reaktor. Èrpalke so lahko tako dlje èasa v uporabi, možnost okvare pa je manjša. 11

12 Potresi, nesreèe in napadi Krogle obdaja sloj, ki absorbira radiacije. Sam reaktor ni zašèiten s posebnimi radiacijskimi absorberji, le z veliko zašèitno strukturo, ki je odporna na veèino zunanjih vplivov. Cenovno ugodni Iz nacionalnega inštituta za elektrièno energijo v Ameriki so ocenili, da je proizvodnja 1 kw ure cenejša, kot èe bi izgorevali zemeljski plin (3,3 centa/kwhr). Sestavljanje po komponentah in v masovni proizvodnji bistveno poceni izdelavo reaktorja. Visoka temperatura obratovanja Zaradi delovanja nad 250 C pa prav tako ne pride do Wignerjevega efekta. Wignerjeva energija nastane pri restrukturizaciji grafita. Zaradi konstantnega bombandiranja hitrih nevtronov, se lahko kristalna rešetka tako moèno deformira, da se v nekem trenutku preuredi popolnoma nazaj, kar povzroèi zelo veliko lokalno segrevanje. Èe pa obratujemo nad 250 C, se kristalno rešeto lahko takoj nazaj restrukturira. Izkorišèanje visokih temperatur lahko prav tako uporabimo za proizvodnjo vodika, katerega poraba se bistveno veèa (gorivne celice ). Visoko temperaturo lahko izkorišèamo za katalitièno proizvodnjo vodika iz vode (+ žveplo in jod). Preko enaèbe za idealni toplotni stroj, lahko dobimo tudi idealni izkorsitek Slabosti PB reaktorjev Tlow T high Velika kolièina odpadkov Za shranjevanje vseh cepitvenih produktov, je potreben volumen znotraj krogel. Zato nastane v PBR kar 4 krat veèja kolièina odpadkov, kot v LWR reaktorjih. Nevarnost poškodbe krogel Zaradi števila krogel v reaktorju, se lahko zgodi, da pride do razpoke, ali deformacije krogle. To se je zgodilo v Nemèiji, ko se je v odvajalnem mehanizmu zaskoèila krogla. Zaradi tega incidenta so ukinili njihov delujoè preizkusni PBR. Slika 7. Razpoke v mikrosferah in plašèih. Razpoke naj bi bile posledice slabe izdelave. 12

13 Zakljuèek Pebble bed reaktorji nam ponujajo cenovno ugodne, varne reaktorje. Omogoèajo cenovno ugodno proizvodnjo elektrike, visoke izkoristke, ter proizvodnjo èistega vodika. Prav tako pa so zaradi visoke pasivne varnosti najbolj obetaven vir energije. Viri: 1. PBR Wikipedia PBMR Technology A technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems, GIF , Generation IV,International Form, Dec Modular Pebble bed reactor Life beyond nuclear electricity PBMR Pebble bed reactor PBR links