Intro till Framtida Nukleära
Energisystem
Carl Hellesen
Kursupplägg
•
Projektarbete (50% av betyget)
– Grupper om 3 - 4 studenter
– Skriftlig redovisning
– Muntlig redovisning (30 min + 15 min för frågor)
•
Muntlig tentamen (50% av betyget)
– Frågor ges ut i förväg (4 st slumpas vid tentamenstillfället)
– 1 fråga på andra gruppers projekt
– Egna projektet kommer diskuteras mer detaljerat
•
Inlämningsuppgifter
– 2 st uppgifter på reaktorberäkningar
– +0.25 på betyget / inlupp (max)
– Obligatoriskt för ES, valfritt för KKI
•
Slutbetyg vägs samman
– Proj 4 + Tenta 3+ samt en inlupp ! 4.0"0.5 + 3.5"0.5 + 1"0.25 = 4.0
– Proj 4 + Tenta 5 samt två inluppar ! 4.0"0.5 + 5.0"0.5 + 2"0.25 = 5.0
•
Kurslitteratur
– PPT från föreläsningar
– Extra dokument som läggs ut på studentportalen
– http://neutron.kth.se/courses/transmutation/TextBook.shtml
Problem med dagens kärnkraft
Problem med dagens kärnkraft
•
Avfall
– Fissionsprodukter kortlivade (några hundra år)
– Aktinider (Pu, Am, Cm…) långlivade (100 000 års lagringstid)
•
Urantillgångar
– Endast en liten del av urantillgångarna (0.7% 235U) används idag
•
Säkerhet
– Harrisburg, (Chernobyl), Fukushima…
•
Kärnvapenspridning
– Anrikningsanläggningar
– Plutonium
Tvärsnitt
•
“Sannoliketen” för en reaktion
•
Mikroskopiskt tvärsnitt
– #
– Mäts i barn (10-28 m2, 10-24 cm2)
•
Reaktionshastigheten per kärna ges av
– Flux (1/cm2 s) " # (cm2) = Preaktion (1/s)
•
Makroskopiskt tvärsnitt:
– $ (1/cm) = # (cm2) " % (1/cm3)
•
Reaktionshastighets-tätheten ges av
– R (1/s cm3) = Flux (1/cm2 s) " $ (1/cm)
•
Totala reaktionshastigheten ges av
– Rtot (1/s) = &V Flux (1/cm2 s) " $ (1/cm) dV
•
För neutron-reaktioner stiger tvärsnitten
oftast kraftigt mot lägre energier
Fissionsreaktioner
•
Neutron-inducerade
–
•
–
Udda neutronantal, t.ex. 235U, ger stort
tvärsnitt (sannolikhet för reaktion) vid
låga energier. Kan användas som
bränsle
Udda neutron och proton-tal, t.ex.
242Am, är fissila men ofta med korta
halveringstider (timmar). Kan då inte
användas som bränsle
Fertila kärnor kan fissioneras men kan
inte upprätthåla en kedjereaktion
–
–
–
•
! FP1 + FP2 + 2.43 n + …
Fissila kärnor kan upprätthålla en
kedjereaktion
–
•
235U+n
Jämnt neutron-tal, t.ex. 238U
Tvärsnittet sjunker snabbt runt 1 MeV
Bidrar med några % snabbfission i en
LWR
Spontanfission
–
235U
(10-5 Bq/g), 240Pu (920 Bq/g),
(107 Bq/g), 252Cf (2.3"1012 Bq/g)
244Cm
•
Fissionsprodukter
–
–
–
Masstal 60 – 170
Många har halveringstider mätt i
minuter/timmar, bidrar till resteffekt
Vissa mäts i år, ger kortlivat avfall
Isotop
t1/2
131I
8.0 dagar
85Kr
10.8 år
90Sr
28.8 år
137Cs
30.1 år
Capture-reaktioner
•
Infångning av neutroner kan
transmutera isotoper
–
–
–
–
•
Följs ofta av beta-sönderfall, t.ex. 238U +
n ! 239Np + ' ! 239Pu + '
Fissila kärnor kan skapas av fertila,
breedning
Bränning av breedat 239Pu utgör en stor
del av energiproduktionen i en LWR
Tyngre aktinider skapas genom
repeterade neutron-infång, t.ex. 242Pu
och 244Cm. Halveringstider mäts i
tusentals år. Ger upphov till långlivat
avfall
Ävan stabila kärnor kan fånga in
neutroner
–
–
–
T.ex. 56Fe
Aktiverar tidigare inaktivt material
Ger upphov till bygg-avfall
Isotop
t1/2
239Pu
24 100 år
249Pu
6 500 år
241Am
432 år
243Am
7 370 år
Multiplikation och Reaktivitet
•
En fission i 235U ger ca 2.4 nya
neutroner
–
–
•
–
Reaktorn är kritisk, konstant effekt
Om k > 1
–
•
Reaktorn är underkritisk, stannar
Om k == 1
–
•
Sannolikheten att en neutron inte läcker
ut ur reaktor, P
k = k( " P
Om k < 1
–
•
Förhållandet av antalet neutroner i en
generation mot föregående
Läckage
–
•
Främst capture i 235U och 238U
Kontrollsystem
Multiplikations-faktorn, k(
–
•
Medelenergi 2 MeV
Fissionsneutronerna kan ge upphov till
nya fissioner, kedjereaktion
Förluster
–
–
•
235U
Reaktorn är överkritisk, effekten ökar
Reaktivitet
–
–
–
% = (k - 1) / k
Anges i pcm (10-5)
Prompt kritisk om k = 1 + '
238U
Uppbyggnad av aktinider i LWR
•
36% av alla neutronabsorptioner i 239Pu fissionerar
inte, utan bildar 240Pu
– 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.
–
–
241Am
! … ! 239Pu
243Am / 242Pu ! … ! 245Cm
Isotop
Pfission (#f / #tot)
235U
83%
238U
9.2%
237Np
1.2%
239Pu
64%
240Pu
0.2%
241Pu
73%
242Pu
1.3%
241Am
1.0%
243Am
0.9%
244Cm
5.5%
245Cm
87%
Uppbyggnad av aktinider i LWR
Enkel simulering av LWR
• Programmet Serpent använt
– Monte Carlo-kod
• En pin definierad
– UOX, cladding och vatten
• Reflekterande randvillkor ! “oändligt lattice”
Enkel simulering av LWR
MWd
/ kg
235U
238U
239Pu
240Pu
241Pu
242Pu
241Am
243Am
244Cm
245Cm
0
4.2
96.8
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
)
)
)
50
0.8
92.85
0.75
0.32
0.13
0.09
0.09
0.02
0.01
0.00
diff
-3.4
-3.95
0.75
0.32
0.13
0.09
0.09
0.02
0.01
0.00
• Burnup 50 MWd / kgU + 4 års avklingning
–
–
–
–
4.6% FP
1.3% Pu
0.11% Am
0.01% Cm
Enkel simulering av LWR
• Burnup 50 MWd / kgU + 4 års avklingning
–
–
–
–
4.6% FP
1.3% Pu
0.11% Am
0.01% Cm
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?
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?
