Intro till Framtida Nukleära Energisystem. Carl Hellesen

Transkript

1 Intro till Framtida Nukleära Energisystem Carl Hellesen

2 Problem med dagens kärnkraft Avfall (idag)! Fissionsprodukter kortlivade (några hundra år)! Aktinider (, Am, Cm ) långlivade ( års lagringstid)! Bränna långlivade aktinider för att minska kraven på slutförvaret Urantillgångar (i morgon)! Endast en liten del av urantillgångarna (0.7% 235 U) används idag! Breeda nytt fissilt bränsle från fertilt ( 238 U eller 232 Th)

3 Tvärsnitt Sannoliketen för en reaktion Mikroskopiskt tvärsnitt!!! Mäts i barn (10-28 m 2, cm 2 ) Reaktionshastigheten per kärna ges av! Flux (1/cm 2 s) "! (cm 2 ) = P reaktion (1/s) Makroskopiskt tvärsnitt:! # (1/cm) =! (cm 2 ) " $ (1/cm 3 ) Reaktionshastighets-tätheten ges av! R (1/s cm 3 ) = Flux (1/cm 2 s) " # (1/cm) Totala reaktionshastigheten ges av! R tot (1/s) = % V Flux (1/cm 2 s) " # (1/cm) dv För neutron-reaktioner stiger tvärsnitten oftast kraftigt mot lägre energier

4 Fissionsreaktioner Neutron-inducerade! 235 U+n & FP1 + FP n + Fissila kärnor kan upprätthålla en kedjereaktion! Udda neutronantal, t.ex. 235 U, ger stort tvärsnitt (sannolikhet för reaktion) vid låga energier. Kan användas som bränsle! Udda neutron och proton-tal, t.ex. 242 Am, är fissila men ofta med korta halveringstider (timmar). Kan då inte användas som bränsle Fertila kärnor kan fissioneras men kan inte upprätthåla en kedjereaktion! Jämnt neutron-tal, t.ex. 238 U! Tvärsnittet sjunker snabbt runt 1 MeV! Bidrar med några % snabbfission i en LWR Spontanfission! 235 U (10-5 Bq/g), 240 (920 Bq/g), 252 Cf (2.3"10 12 Bq/g) Fissionsprodukter! Masstal ! Många har halveringstider mätt i minuter/timmar, bidrar till resteffekt! Vissa mäts i år, ger kortlivat avfall Isotop t 1/2 131 I 8.0 dagar 85 Kr 10.8 år 90 Sr 28.8 år 137 Cs 30.1 år

5 Capture-reaktioner Infångning av neutroner kan transmutera isotoper! Följs ofta av beta-sönderfall, t.ex. 238 U + n & 239 Np + ' & '! Fissila kärnor kan skapas av fertila, breedning! Bränning av breedat 239 utgör en stor del av energiproduktionen i en LWR! Tyngre aktinider skapas genom repeterade neutron-infång, t.ex. 242 och 244 Cm. Halveringstider mäts i tusentals år. Ger upphov till långlivat avfall Ävan stabila kärnor kan fånga in neutroner! T.ex. 56 Fe! Aktiverar tidigare inaktivt material! Ger upphov till bygg-avfall Isotop t 1/ år år 241 Am 432 år

6 Multiplikation och Reaktivitet En fission i 235 U ger ca 2.4 nya neutroner! Medelenergi 2 MeV! Fissionsneutronerna kan ge upphov till nya fissioner, kedjereaktion Förluster! Främst capture i 235 U och 238 U! Kontrollsystem 235 U Multiplikations-faktorn, k (! Förhållandet av antalet neutroner i en generation mot föregående Läckage! Sannolikheten att en neutron inte läcker ut ur reaktor, P! k = k ( " P Om k < 1! Reaktorn är underkritisk, stannar 238 U Om k == 1! Reaktorn är kritisk, konstant effekt Om k > 1! Reaktorn är överkritisk, effekten ökar Reaktivitet! $ = (k - 1) / k! Anges i pcm (10-5 )! Prompt kritisk om k = 1 + '

7 Uppbyggnad av aktinider i LWR Isotop P fission (! f /! tot ) 36% av alla neutronabsorptioner i 239 fissionerar inte, utan bildar 240! Repeterade infång skapar ännu tyngre aktinider I en LWR domineras neutronflödet av termiska neutroner! Väldigt liten sannolikhet att fissionera fertila kärnor För att bli av med dessa måste först en fissil isotop bildas, t.ex.! 241 Am & & 239! 243 Am / 242 & & 245 Cm 235 U 83% 238 U 9.2% 237 Np 1.2% % % % % 241 Am 1.0% 243 Am 0.9% 244 Cm 5.5% 245 Cm 87%

8 Uppbyggnad av aktinider i LWR

9 Enkel simulering av LWR Programmet Serpent använt! Monte Carlo-kod En pin definierad! UOX, cladding och vatten Reflekterande randvillkor & oändligt lattice

10 Enkel simulering av LWR MWd / kg 235 U 238 U Am 243 Am 244 Cm 245 Cm ) ) ) diff Burnup 50 MWd / kgu + 4 års avklingning! 4.6% FP! 1.3%! 0.11% Am! 0.01% Cm

11 Enkel simulering av LWR Burnup 50 MWd / kgu + 4 års avklingning! 4.6% FP! 1.3%! 0.11% Am! 0.01% Cm

12 Radiotoxicitet Svårt att definiera Olika typer av strålning ger olika skador! Innuti eller utanpå kroppen! Andas in eller äts! Vi vet hur olika isotoper byggs upp under reaktorns drift! Halveringstiderna ger hur länge avfallet måste lagras säkert! Naturligt uran har satts som måttstock På kort sikt (< 100 år) dominerar fissionsprodukter toxiciteten På längre sikt dominerar transuraner Efter några tusen år dominerar plutonium avfallet! Avfall eller resurs?

13 Radiotoxicitet Svårt att definiera Olika typer av strålning ger olika skador! Innuti eller utanpå kroppen! Andas in eller äts! Vi vet hur olika isotoper byggs upp under reaktorns drift! Halveringstiderna ger hur länge avfallet måste lagras säkert! Naturligt uran har satts som måttstock På kort sikt (< 100 år) dominerar fissionsprodukter toxiciteten På längre sikt dominerar transuraner Efter några tusen år dominerar plutonium avfallet! Avfall eller resurs?

14 Återanvända, MOX-bränsle Separera från använt bränsle med kemiska processer! Frankrike (La Hague)! UK (Sellafield)! Ryssland (Ozersk)! Indien (Tarapur) Separationsgrad på 99.88% uppnådd i La Hague Mixed OXides! Blanda utarmat uran ( 238 U) med separerat! Innehåller ofördelaktiga isotoper ( 240 ) villket kräver ca 9% inblandning 240 har en jätteresonans runt 1 ev! Väldigt få neutroner tar sig förbi denna till termiska energier (0.05 ev) i närheten av en MOX-patron! Förmågan hos 10 B att absorbera neutroner minskar! Sätter en gräns på 30% MOX Lösningar! Använda anrikat 10 B! Öka mod/bränsle kvoten & effektivare termalisering. Kräver reaktorer med 100% MOX

15 Återanvända, MOX-bränsle MWd / kg 235 U 238 U Am 243 Am 244 Cm 245 Cm ) ) ) diff Ungefär 1/3 av plutoniumet förbränns i en 50 MWd / kg-hm cykel Men, halten av tyngre aktinider (Am och Cm) ökar (faktor 7-10)! 0.8% Am! 0.11% Cm Am och Cm svåra att hantera! Kraftig spontan-fission, 1.4"10 7 n/sg för 244 Cm! Kritisk massa för 245 Cm endast 50 g! Främsta anledningen inte att minska mängden avfall Framför allt de fissila isotoperna ( 239 och 241 ) minskar! Plutonium kvaliteten försämras & multi-återanvändning svårt

16 Återanvända, MOX-bränsle Ungefär 1/3 av plutoniumet förbränns i en 50 MWd / kg-hm cykel Men, halten av tyngre aktinider (Am och Cm) ökar (faktor 7-10)! 0.8% Am! 0.11% Cm Am och Cm svåra att hantera! Kraftig spontan-fission, 1.4"10 7 n/sg för 244 Cm! Kritisk massa för 245 Cm endast 50 g! Främsta anledningen inte att minska mängden avfall Framför allt de fissila isotoperna ( 239 och 241 ) minskar! Plutonium kvaliteten försämras & multi-återanvändning svårt

17 Restriktioner för MOX-bränslen För multi-återanvändning av MOX krävs högre koncentrationer p.g.a. högre halter 240 och 242 Fissionstvärsnitten ökar markant redan vid 100 kev! Jämför med 1 MeV för 238 U Mindre moderering ger minskad fission i fissila isotoper, men ökad fission i ! I dagens LWR leder detta till positiv void-koefficient redan vid andra generationens MOX-bränsle Modifikationer av dagens LWR-teknik och bränsletillverkning möjliggör dock oändlig MOXåteranvändning (gen III+)! Jämvikts nivå av i en avancerad LWR-park! Endast tyngre aktinider och förluster behöver slutförvaras