השפעת הטמפרטורה של Moderator על ביצועי תגובה גרעינית

כור גרעיני תלוי באיזון עדין של תהליכים פיזיים לייצר חום שמומר לחשמל.בלב האיזון הזה הוא המנטר - חומר שמאט את הניטריונים המהירים ששוחררו במהלך הנפיחות, כך שהם יכולים ביעילות לקיים תגובת שרשרת.טמפרטורת המנטרטורף הזה אינה גורם סטטי; הוא משתנה כל הזמן עם רמת כוח כור, תפקוד מערכת קירור, והתאמות תפעוליות.

מאמר זה חוקר את התפקיד של המנטר, את המנגנונים הפיזיים שבאמצעותם הטמפרטורה משפיעה על התמרונות, את ההשפעות הנובעות מתגובה ובטיחות, ואת האסטרטגיות מהנדסי משתמשים כדי לשמור על תנאים תרמיים אופטימליים.We גם לבדוק כיצד סוגים שונים של כור מטפל באפקטי טמפרטורה מודולר ומה ההתפתחויות עתידיות עלולות להביא.

מה זה Moderator?

מתווך הוא חומר ממוקם בתוך הליבה הכור כדי להפחית את האנרגיה הקינטית של נויטרונים מהירים (התקבלו באנרגיות סביב 1-2 MeV) לאנרגיות תרמיות (בעיקר 0.025 eV בטמפרטורת החדר) לטרונוטרונים הארומאליים יש סיכוי גבוה הרבה יותר להפחתת נפיחות באורניום-235 ו plutonium-239, מה שהופך תגובה מתמשכת אפשרית עם כמות קטנה יחסית של fissile חומר.

חומרים משתנים

  • (ה) מים (H2O): LT:1 בשימוש בכור מים מחוננים (PWRs) ו-Verating כורים מים (BWRs) הוא מתווך מעולה, אך גם סופג נויטרונים, הדורשים דלק אורניום מועשר.
  • מים חמים (D2O): ראטל 1 (בכורים של CANDU) הוא סופג הרבה פחות נויטרונים מאשר מים קלים, ומאפשר שימוש בדלק אורניום טבעי.
  • (FLT:0)Graphite: 1FLT:1 מתווך פחמן מוצק המשמש בכורי RBMK, כורים עתירי גז עתירי (HTGRs), וכמה כורי מחקר.יש לו ספיגת נויטרונים נמוכה ויכול לפעול בטמפרטורות גבוהות מאוד.
  • (ב) [15] ,ב"ה: ⁇ : ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

כל חומר מתווך מגיב אחרת לשינויים בטמפרטורה, המשפיע על ביצועי הכור בדרכים ייחודיות.

כיצד הטמפרטורה משפיעה על המחליף

הטמפרטורה של המנטר משפיעה על שני מאפיינים עיקריים: צפיפותו (או צפיפות מספר של Nuclei) ובמקרה של מנטרטורים נוזליים, הפיזור של חצי-שטח לגרעין.שניהם משפיעים על הכוח האטה והיעילות הכוללת של המתינות.

הכח הפחתת ההכחשה והאט-Down Power

ככל שהטמפרטורה המנטררית עולה, צפיפותה יורדת.עבור מים כבדים, זה נובע מהתפשטות תרמית; עבור גרפיט, זה אפקט הרבה יותר קטן אבל עדיין נוכח.הכוח האטה יורד הוא פרופורציה למוצר של המקרוסקופים מפוזרים חצי-סעיף ואת אובדן האנרגיה הממוצע להתנגשות (האנרגיה הדינמית) נמוך יותר פירושו פחות מנטרף pertericerntortortostortos, כך שחייב להיות פחות התנגשויות בין ניטאריות תרמיות.

שינוי בסודיות הצלב

לאור ומים כבדים, הפיזור של חצי-שטח משתנה גם עם טמפרטורה עקב שינויים בתנועה המולקולרית ואת המהירות היחסית של הניטרירון. בטמפרטורות גבוהות יותר, מולקולות המנטר מתרעישות יותר נמרצות, אשר יכול להשפיע על העברת האנרגיה הממוצעת להתנגשות.

המונחים: Neutron Spectrum Shift

כאשר המנטר הוא חם יותר, התפלגות האנרגיה המילונית שלו משתנה לאנרגיות גבוהות יותר - הפסגה של חלוקת מקסוול-בולצמן נעה למעלה.זה אומר את האנרגיה הניטרון הממוצעת בהתעלות הליבה, אשר יכול לשנות את ההסתברות והקליטה.השינוי בספקטרום נייטרונים יש השלכות על פעילות כורכור והוא מנוצל בעיצובים מסוימים כדי לספק יציבות.

תוצאות על Reactor Performance

הטמפרטורה של המנטר משפיע ישירות על הפעילות מחדש - היציאה מן הביקורת - ולכן רמת הכוח של הכור.הבנת ההשפעות הללו חיונית הן לפעילות יציבה והן לבטיחות טראנס.

שינויים

ברוב הכורים הממותקים במים, עלייה בטמפרטורת המנטר מובילה לירידה בפעילות מחדש.זה ידוע כ-FLT:0negative Modating טמפרטורה coefficientFLT:1 (או מזערי שלילי במקרה של שינוי שברירי ריק) כמו ממריץ חום למעלה, הצפיפות שלו, הכוח האטה-down יורד, ו-Nolutrons הם פחות מתוצאות שבריריות.

בכורים מהונדסים, ההשפעה יכולה להיות מורכבת יותר. Graphite יש הרבה יותר חסכונית התפשטות תרמית, כך ששינוי צפיפות הוא מינימלי.עם זאת, גרפיט עובר גם שינוי קטן בתכונות הפיזור שלה עם טמפרטורה, ואת הדופלר המשויך להרחיב את ספיגה של התחדשות בדלק יכול לייצר coefficient טמפרטורה שלילי.

שיקולים בטיחות

חסכוני טמפרטורה שלילית הוא בדרך כלל רצוי כי זה מספק מנגנון רגולציה עצמית טבועה.אם כוח הכור עולה, הטמפרטורה המנטרטורף עולה, תגובתיות יורדת, וכוח מייצב. משוב שלילי זה עוזר למנוע תגובות בורחות. versely, coefficient חיובי יכול להיות מסוכן - זה יכול להוביל לנסיעות כוח אם לא היה נגד מערכות בקרה.

יעילות וחלוקת כוח

הטמפרטורה של Modimal Moderator אינה רק קריטית לבטיחות, אלא גם לשימוש בדלק ויעילות כללית.אם המנטר קר מדי, תגובתיות עשויה להיות גבוהה מדי, הדורשת תמסורת מוטה שליטה שבזבזת ניטרון.אם חם מדי, טיפות התגובה והכור עשוי להיות צורך להפחית את הכוח או להגדיל את ההעשרה כדי לפצות.

אסטרטגיות בקרת טמפרטורה

מפעילי תגובה ומערכות בקרה אוטומטיות מנהלים את הטמפרטורה של מארגן באמצעות מספר מנגנונים.הגישה הספציפית תלויה בסוג הכור.

מערכות קירור

ב PWRs ו BWRs, הקריר העיקרי הוא גם המארגן. הטמפרטורה מוסדרת על ידי שליטה בקצב זרימת העובר באמצעות גנרטורים אדים (PWR) או על ידי התאמת זרימת המים והעומס של טורבינות (BWR). , התחממות Pressurizer ומערכות ריסוס לשמור על לחץ המערכת העיקרי, אשר משפיע באופן עקיף על טמפרטורת השכור של המדגם ובכך על צפיפותו.

שליטה רודס ו Boron Concentration

מוטות בקרה עשויים מחומרים של נייטרון-אבינג (למשל, בורון carbide, כסף-indium-cadmium) ניתן להכניס או לסגת כדי להתאים את הפעילות מחדש.ב PWRs, ברון סולוטי נוסף לקורן מספק מנגנון מכוונן לשינויים לטווח ארוך, כולל אלה הנגרמים על ידי שינויים ממריצים על ידי ממושכות, להסתגל לשינויים בטמפרטורה מופרזת, ללא שינוי דרמטי.

רעלים אכזריים

רעלים בהירים כגון gadolinium או erbium ניתן לטעון לתוך הדלק כדי לספק תגובת שלילית קבועה כי ירידה על פני כוויות. זה עוזר לזרז את התנופה של פעילות מחדש הנגרמת על ידי דליקות דלק וריאציות טמפרטורה מודולר, המאפשר שליטה קלה יותר.

הפיזיקה מאחורי השפעות טמפרטורה

כדי להעריך באופן מלא מדוע הטמפרטורה של המנטר משפיעה על ביצועי הכור, עלינו לבחון את הפיזיקה הבסיסית של נויטרונים.

ניוטרון מתרומם

נויטרונים מהירים מאבדים אנרגיה באמצעות התנגשות אלסטית עם מתווך של Nuclei.מספר ההתנגשויות הממוצע צריך כדי להתרמל נויטרונים הוא יחסית הפוך להפחתה של האנרגיה הלוגרית הממוצעת של ⁇ .עבור מים קלים, ⁇ הוא בערך 1.0, הדורשת ירידה של 18 התנגשויות כדי לעבור מ 2V ל 0.025 e. עבור מים כבדים, ⁇ הוא בערך 0.5 (R) עבור התנגשויות מהירות נסיעה מהירה יותר, כלומר, 000.

שכנוע בריחה

בעוד נייטרונים מאטים, הם עוברים דרך אזורי אנרגיה שבהם אורניום-238 יש resonances ספיגת חזקה (כ 6.67 eV, למשל) ההסתברות כי נויטרונים בורחים ללכוד בחזרות אלה נקראה התחדשות בריחה הסתברותית . כאשר הטמפרטורה של המנטרטורף עולה, ספקטרום הניטריטוריון (שינויים לאנרגיות גבוהות יותר), כלומר הגישה הניטרונטית עם ירידה משמעותית יותר עם עלייה בטמפרטורות, עם השפעה נמוכה יותר, עם השפעה נמוכה יותר של זמן, עם אפקט הרפסודה, עם השפעה נמוכה יותר, עם רמת ההסתברות גבוהה יותר, עם רמת ההסתברות גבוהה יותר, עם אפקט סבירות גבוהה יותר, עם ירידה של צריכת אנרגיה נמוכה יותר, עם עלייה נמוכה יותר, עם עלייה נמוכה יותר של צריכת אנרגיה נמוכה יותר, עם השפעה נמוכה יותר, עם השפעה נמוכה יותר של צריכת אנרגיה נמוכה יותר של ספקטרום ההסתברות גבוהה יותר, עם אפקט הרפסודה גבוהה יותר, עם אפקט הרפסודה גבוהה יותר של לחץ דם גבוהה יותר, עם עלייה משמעותית יותר, עם עלייה משמעותית יותר של צריכת אנרגיה נמוכה יותר, עם השפעה נמוכה יותר, עם השפעה נמוכה יותר של זמן, עם השפעה נמוכה יותר של זמן, עם עלייה נמוכה יותר של אנרגיה גבוהה יותר, עם עלייה נמוכה יותר של צריכת

דופלר ההרחבה

Doppler מרחיבה את ההתייחסות להתרחבות של פסגות ספיגת הרזיגה בדלק (במיוחד U-238) בשל התנועה התרמית של גרעיני דלק.אפקט זה תלוי בטמפרטורה ומספק משוב תגובה שלילי חזק כאשר טמפרטורת הדלק עולה. בעוד שלא ישירות אפקט מנטרטורף, הטמפרטורה של המנטר משפיע על ספקטרום הניטרונים המתקשרים עם אלה מרחיבים מחדש, ומשתפת את שני מנגנוני ההפיכה.

השלכות בטיחות

הסימן והגודל של קדחת הטמפרטורות המנטר הן פרמטרים קריטיים של בטיחות.גוף רגולטורי דורש כי כורים כוח יש חסכוני טמפרטורה מודולר שלילי על טווח התפעול כולו.זה מבטיח כי כל כוח לא מוקרן להגדיל באופן אוטומטי להפחית את הפעילות מחדש, ייצוב הכור.

טמפרטורות שליליות (Desired)

לרוב כור מים מודרניים (PWR, BWR) יש חסכוני טמפרטורה שלילית מאוד בתנאי הפעלה רגילים.לדוגמה, PWR עשוי להיות coefficient סביב −10 עד -60 PCm / ° C (p = סנטימטר = סנטימטר, 10-5) זה מספק בטיחות רבת עוצמה במהלך טראנסים כגון אירוע של שליטה או אובדן של תאונת דרכים (LO).

טמפרטורה חיובית (Undesirable)

מבחינה היסטורית, כמה עיצובים מוקדם של כור (למשל, תצורה מסוימת של RBMK) יכולים להציג חסכונית רִיק חיובי, שהוא הטמפרטורות המנטרן coefficient כאשר רִיק מתרחשת בקוריר. בתאונה צ'רנוביל, coefficient חיובי רִיק גרם לירידה כוח פועל. המודרנית RBMK שונתה כדי להפחית את ההשפעה הזו.

חומרים מתקדמים והתנהגויות טמפרטורה

כורים שונים משתמשים בחומרים שונים של מנטרטור, כל אחד מהם עם תגובות טמפרטורה ייחודיות.

אור מים (PWR, BWR)

מים קלים יש חסכוני טמפרטורה מודולר שלילי חזק בתנאי הפעלה.התחבורה הגבוהה שלה (בהשוואה למים כבדים) פירושה כי הפחתת צפיפות יש השפעה בולטת על תגובתיות.המקדם הופך שלילי יותר כמו הטמפרטורה עולה, מתן משוב חזק בעוצמה גבוהה.

מים כבדים (CANDU, PHWR)

מים כבדים יש הרבה יותר קליטה צולבת, כך אפקט צפיפות על פעילות מחדש הוא קטן יותר. כורים CANDU בדרך כלל יש קטן טמפרטורה מודולר שלילי coefficient.הממד המים הכבד נשמר בנפרד מן הקריר (אשר גם מים כבדים אבל בלחץ גבוה יותר טמפרטורה), המאפשר למכשול להישאר קריר יחסית (כ 70-80 ° C) בעוד קריר הוא חם (300 מעלות צלזיוס) כלומר, פחות משתנה, אך גם כדי להפחית את החוזק פחות.

גרפיטי (RBMK, HTGR, AGR)

Graphite יש מאוד נמוך חסכוני התרחבות תרמי, כך צפיפותו משתנה מעט עם טמפרטורה.האפקט העיקרי עלמתינות מגיע שינויים בפרשת צלב הפיזור של גרפנט ואת ספקטרום הניטרונים. Graphite-moderated כורים לעתים קרובות יש פחות שלילי או אפילו מעט חיובי טמפרטורה יעילה יותר בטמפרטורות נמוכות, אבל להיות שלילי בטמפרטורות גבוהות יותר עקב ספיגה קצבית מוגברת בחומרים מבניים וטמפרטורה גבוהה יותר (טמפרטורה גבוהה יותר), או גבוהה יותר).

דוגמאות לאסטרטגיות תגובה ואסטרטגיות של עולם

תגובות מים דחופות (PWRs)

ב PWR טיפוסי, ה-Crear/moderator העיקרי פועל בערך 290-325 מעלות צלזיוס ו-15.5 MPa. coefficient טמפרטורה מודולר נמדד במהלך ההפעלה והוא במעקב הדוק. המפעילים משתמשים ריכוז בוטו כהלול כדי לפצות על השינוי תגובתי עקב דליפת דלק, ייצור רנטגןנון, ושינויים בטמפרטורה מודולרית.

תגובות מים (BWRs)

BWRs יש ספקטרום נויטרונים קשה יותר בשל רתיחה בלב, המוביל להפיכה מורכבת בין צפיפות מודולר (רק שבריר) וטמפרטורה. חסכוני ריק הוא בדרך כלל שלילי וגדול יותר בגודל של אפקט הטמפרטורה הטהורה. המפעילים שולטים בכוח על ידי שינוי זרימה של החלמה, אשר משנה את השבריר והטמפרטורה המסובייקטנית בו זמנית.

תגובה CANDU

כור CANDU משתמשים במתקני מים כבדים נפרדים בטמפרטורה נמוכה ולחץ ( ⁇ 70 מעלות צלזיוס, 0.1 MPa) ב calandria, בעוד המים הכבדים קרירים צינורות הלחץ פועל בטמפרטורה גבוהה ( ⁇ 300 מעלות צלזיוס) ולחץ.טמפרטורת המנטר מוסדר על ידי מערכת קירור נפרדת (מתקררות ממותג) כי המנטרף הוא קר יחסית ודחוס, שינויים הטמפרטורה שלו הם איטיים, מתן התייחסות יציבה עבור שליטה, לחץ אווירי, בטווח הקצר, בטווח הקצר.

RBMK Reactors

RBMK הוא גרף-מתוק, כור אור מקרר.בעיצוב המקורי שלו, ה- רִיק coefficient (מקר מים) היה חיובי בעוצמה נמוכה, תורם לתאונה צ'רנוביל. Post-accident שינויים כללו הגדלת הפחתת הדלק, הוספת מוטות נוספות ושיפור מערכות הסגורות.

מחקר ופיתוח עתידי

מחקרים מתקדמים נועדו לשפר את ביצועי המנטר ובטיחות.נושאים כוללים חומרים מתקדמים עם יציבות טמפרטורה גבוהה יותר, כגון תחמוצת beryllium או zirconium hydride. Fluidized Bed כורי מלח מלוט (MSRs) מציעים גישות חלופיות שבו המנטר (graphite) או קירור (salt) יכול לפעול בטמפרטורות גבוהות מאוד עם מאפיינים שונים.

ב MSRs, הדלק מומס מלח מלוטש שפועל גם כמגניב.המכשול, אם נעשה שימוש, הוא לעתים קרובות גרפיט. משוב טמפרטורה MSRs יכול להיות שלילי מאוד כי הטמפרטורה מוגברת מפחיתה את צפיפות המלח (השפעת הןמתינות אם המלח מתון, ואת ריכוז הדלק). כמה עיצובים MSR פועל ללא מתווך ייעודי, להסתמך על ספקטרום מהיר ו- Doppler.

בנוסף, תאומים דיגיטליים ומודלים מתקדמים משמשים לחיזוי השפעות טמפרטורה מודולר עם דיוק גבוה, המאפשרים לייעל מחזורי דלק ופעולה מעקב אחרי עומס ללא קידום בטיחות.

מסקנה

הטמפרטורה של Moderator היא פרמטר קריטי בפיסיקה הכור הגרעיני, המשפיע ישירות על פעילות מחדש, הפצה כוח ובטיחות.באמצעות שינויים בצפיפות, שינויים ספקטרליים, והפיכה עם לכידת התחדשות דלק, וריאציות טמפרטורה יכול להיות השפעות עמוקות על ביצועי כור.

טכנולוגיות כור שונות (PWR, BWR, CANDU, RBMK, HTGR) מציגות התנהגויות טמפרטורה ייחודיות, מעצבות את האסטרטגיות התפעוליות שלהם ואת מאפייני הבטיחות. הבנה עמוקה של השפעות אלה חיונית הן לפעילות צי נוכחית והן עיצובי כור עתידי.כפי שהתעשייה נעה לעבר כורים מתקדמים עם טמפרטורות גבוהות יותר וחידושים, השיעורים של מדפיסיקה מודולרית נשארים רלוונטיים כמו אי פעם.

(ב) ראו את המאמר (ה-FLT:0) ו-Wikipedia מאמר על מדריטרוטרון (Nutron ModeratorsFLT:1), דיון של FLT:2NRC על פרמטרים של פיזיקה כור רת' 3, ואת ה-FLT:4World גרעיני סוגים של כורים סקירה FLT:5NRC.