Säkerhet i snabbreaktorer

Transkript

1 Säkerhet i snabbreaktorer Carl Hellesen Återkopplingar Hur håller man en reaktor stabil Återkopplingar LWR Negativ Doppler-återkoppling (snabb) Negativ void-återkoppling, långsam först måste kylmedlet koka bort

2 Vad händer vid void i SFR? Varför ser neutron-spektrena ut som i bilden till höger vid 0%, 50% resp. 100% void? Vad händer vid void i SFR? Hur påverkas k-värdet i en SFR vid ökad void? (a) positivt (b) oförändrat (c) negativt

3 Void-återkoppling i SFR 1.32 Oändligt PIN-lattice simulerat MOX (15% Pu) Reaktiviteten ökar nästan pcm från 0! 100% void Fissions-sannolikheten ökar för de flesta isotoper i bränslet Men relativt sett mest för fertila isotoper, t.ex. 238 U och 241 Am Ökat läckage vid voidning kompenserar för effekten Små härdar får totalt en negativ void-koefficient Stora reaktorer kan ha kvar positiv k! (au) void (%) " f / (" c + " f ) void Na Total 238 U 241 Am 239 Pu 0% % % % % Säkerhetsproblem med Am i bränslet Dopplerbreddning av infångningsresonanser en av de viktigaste passiva säkerhetssystemen Effektiviteten ökar med minskande energi Största bidraget runt 1 kev Infångningstvärsnittet för 241 Am mellan kev är 5 10 ggr högre än för 238 U Svansen i neutronspektrumet mot lägre energier försvinner vid höga Am koncentrationer Vid 10% 241 Am halveras Doppleråterkopplingen Runt 30% 241 Am försvinner den Modererande bränslepinnar kan delvis komma runt problemet UZrH 1.6 På bekostnad av mjukare spektrum! sämre breedning

4 Säkerhetsproblem med Am i bränslet Dopplerbreddning av infångningsresonanser en av de viktigaste passiva säkerhetssystemen Effektiviteten ökar med minskande energi Största bidraget runt 1 kev Infångningstvärsnittet för 241 Am mellan kev är 5 10 ggr högre än för 238 U Svansen i neutronspektrumet mot lägre energier försvinner vid höga Am koncentrationer Vid 10% 241 Am halveras Doppleråterkopplingen Runt 30% 241 Am försvinner den Modererande bränslepinnar kan delvis komma runt problemet UZrH 1.6 På bekostnad av mjukare spektrum! sämre breedning 0123*+42/!"!(!"!'!"!#!"!$!"!%!"!&!"!! *!"!#!"!$!"!%!"!&!"!!!" "!"! )*+,-./ "5*67 $"5*47 * Säkerhetsproblem med Am i bränslet Dopplerbreddning av infångningsresonanser en av de viktigaste passiva säkerhetssystemen Effektiviteten ökar med minskande energi Största bidraget runt 1 kev Infångningstvärsnittet för 241 Am mellan kev är 5 10 ggr högre än för 238 U Svansen i neutronspektrumet mot lägre energier försvinner vid höga Am koncentrationer Vid 10% 241 Am halveras Doppleråterkopplingen Runt 30% 241 Am försvinner den Modererande bränslepinnar kan delvis komma runt problemet UZrH 1.6 På bekostnad av mjukare spektrum! sämre breedning k norm % 241 Am 10% 241 Am 0% 241 Am T (K) Wallenius

5 ULOF igen Som vi sett ger voidning ett hårdare spektrum vilket ger positiv voidåterkoppling För en stor härd kan inte ökat läckage kompensera I ett ULOF-scenario börjar natrium att koka Härdsmälta följer och bränslet sprids ut Härden blir underkritisk (förhoppningsvis) Reaktorn stannar För en blykyld reaktor är det annorlunda Mycket högre marginal till kokning Negativa återkopplingar från härdens expansion kompenserar voidens positiva återkoppling innan Pb börjar koka Reaktorn stabiliseras på en lägre effekt vid en högre temperatur Passiv resteffekt-kylning räcker Visar hur viktigt det är med negativa bränsleåterkopplingen Fig. 3. Reactivities in SFR-ULOF accident. Fig. 4. Relative power in SFR-ULOF accident. The power peak is due to boiling of sodium and insertion of large positive reactivity as a consequence. The calculations were performed with the EAC-2. Tucek et al. ULOF igen Som vi sett ger voidning ett hårdare spektrum vilket ger positiv voidåterkoppling För en stor härd kan inte ökat läckage kompensera I ett ULOF-scenario börjar natrium att koka Härdsmälta följer och bränslet sprids ut Härden blir underkritisk (förhoppningsvis) Reaktorn stannar För en blykyld reaktor är det annorlunda Mycket högre marginal till kokning Negativa återkopplingar från härdens expansion kompenserar voidens positiva återkoppling innan Pb börjar koka Reaktorn stabiliseras på en lägre effekt vid en högre temperatur Passiv resteffekt-kylning räcker Visar hur viktigt det är med negativa bränsleåterkopplingen Fig. 5. Above-core averaged coolant temperatures in LFR-ULOF accident. The core coolant outlet temperature peaks at 970 K. The calculation was performed with STAR-CD. Tucek et al.

6 Metalliska bränslen Hittils har vi bara tittat på MOX-bränslen, andra alternativ finns också Metalliska legeringar med zirkonium Lägre smältpunkt Mycket högre värmeledningsförmåga Metalliskt bränsle har en mycket lägre temperatur pga. den höga värmeledningen Ger mycket mindre reaktivitet lagrat i bränslet Den nya jämviktstemperaturen för reaktorn blir lägre Kokning kan undvikas Låg smältpunkt I värsta scenariot inleds härdsmälta tidigt och bränslet sprids ut i reaktorn Härden blir underkritisk och reaktorn stängs av Från Fast Reactor Fuel Type and Reactor Safety Performance Metalliska bränslen Hittils har vi bara tittat på MOX-bränslen, andra alternativ finns också Metalliska legeringar med zirkonium Lägre smältpunkt Mycket högre värmeledningsförmåga Metalliskt bränsle har en mycket lägre temperatur pga. den höga värmeledningen Ger mycket mindre reaktivitet lagrat i bränslet Den nya jämviktstemperaturen för reaktorn blir lägre Kokning kan undvikas Låg smältpunkt I värsta scenariot inleds härdsmälta tidigt och bränslet sprids ut i reaktorn Härden blir underkritisk och reaktorn stängs av Från Plentifyl Energy

7 Metalliska bränslen Hittils har vi bara tittat på MOX-bränslen, andra alternativ finns också Metalliska legeringar med zirkonium Lägre smältpunkt Mycket högre värmeledningsförmåga Metalliskt bränsle har en mycket lägre temperatur pga. den höga värmeledningen Ger mycket mindre reaktivitet lagrat i bränslet Den nya jämviktstemperaturen för reaktorn blir lägre Kokning kan undvikas Låg smältpunkt I värsta scenariot inleds härdsmälta tidigt och bränslet sprids ut i reaktorn Härden blir underkritisk och reaktorn stängs av Från Plentifyl Energy Fördröjda neutroner från 241 Am Fördröjda neutroner kommer från fissionsprodukter efter ca 10 s Väldigt viktigt för reaktorkontroll Andelen betecknas # Om k = 1.0 är reaktorn kritisk på fördröjda neutroner Reaktivitetsförändringar tar 10-tals sekunder Om k = 1 + # är reaktorn prompt kritisk Reaktivitetsförändringar tar millisekunder Wallenius Större # gör reaktorn mindre känslig för transienter Fission i 238 U är bra Fission i 241 Am är dåligt

8 Fördröjda neutroner från 241 Am Men, fördröjda neutroner har annat spektrum än prompta Lägre energier Lägre fissions-sannolikhet i SFR Introducera begreppet effektiva fördröjda neutroner, # EFF Andel fissions-inducerande neutroner som startat som fördröjda 241 Am har högt infångningstvärsnittet vid lägre energier # EFF minskar med ökat 241 Am innehål Reaktorn mer känslig för transienter frac 241 Am # EFF / # 0% 390 / % 330 / % 270 / % 170 / 340