Wypalenie (technologia jądrowa)

W przypadku wypalania ( ang. Burnup ), również wypalanie specyficzne , które występuje w reaktorze energetycznym wytwarzającym odpowiednio energię cieplną na masę paliwa jądrowego . Ten fizyczny parametr wypalania jest (lokalną) miarą uzysku energii z paliwa. Ogólnie mówiąc, wypalanie odnosi się również do zjawisk towarzyszących, takich jak zmiany składu nuklidów paliwa czy starzenie się i zużycie elementów paliwowych .

definicja

Wielkość wypalenia można zdefiniować na różne sposoby. Zwykle bierze się pod uwagę iloraz całkowitej energii cieplnej uwolnionej przez paliwo jądrowe do określonego punktu w czasie i jego masy . Poparzenie jest wtedy ${\ displaystyle E}$${\ displaystyle m}$${\ displaystyle B}$

${\ displaystyle B = {\ frac {E} {m.}}}$.

W większości przypadków oznacza to masę paliwa przed rozpoczęciem rozszczepienia jądrowego, czyli ogólnie masę świeżego paliwa. Zamiast jednostki SI J / kg zwykle stosuje się MWd / kg , tj. „Megawatodni na kilogram”. Zwykle U w przypadku uranu lub SM w przypadku metali ciężkich dodaje się do jednostki jako dodatek klarujący; jako odniesienie określa się pierwotnie istniejący metal będący paliwem jądrowym, bez tlenu w tlenku, części konstrukcyjne (rury osłonowe itp.) oraz inne części rozszczepialne wytworzone podczas eksploatacji. Więc to nie jest zwykły termin heavy metal . Ponieważ 1000 MW = 1 GW i 1000 kg = 1 t, jednostkę miary można również zapisać jako GWd / t SM bez różnicy. ${\ displaystyle m}$

„Wypalanie” bez dalszych szczegółów często oznacza najwyższe spalanie, jakie można osiągnąć, lub wypalanie osiągnięte podczas wyładowywania z reaktora.

Generał

W przeszłości spalanie w reaktorach lekkowodnych było stale zwiększane z około 20 MWd / kg SM do ponad 60 MWd / kg SM obecnie. Wysokie wypalenie jest pożądane, ponieważ to robi

• zmniejsza się ilość wysoce aktywnych odpadów ,
• zmniejsza się koszt zmiany paliwa, oraz
• zmniejsza się ryzyko proliferacji (przy wyższym spalaniu pluton staje się coraz mniej interesujący dla celów wojskowych).

Jednak wymagania stawiane okładzinie pręta paliwowego rosną wraz z wypalaniem , ponieważ podczas eksploatacji ulegają one procesom starzenia. Wymagane jest również większe wzbogacenie świeżego paliwa. Wynikającą z tego wyższą nadwyżkę reaktywności na początku cyklu paliwowego należy skompensować zwiększonym użyciem absorberów neutronów .

Gęstości masowe nuklidów metali ciężkich jako funkcja wypalenia dla ciśnieniowego reaktora wodnego

Rozwój paliwa wraz ze wzrostem wypalania przedstawiono na rysunku za pomocą symulacji częstości występowania niektórych istotnych izotopów w paliwie. Oparty jest na ciśnieniowym reaktorze wodnym z paliwem UO ₂ wzbogaconym do 4% (nie MOX ). Większość pierwotnego ^nuklidu paliwa ²³⁵ U jest zużywana („spalana”). Wytwarzane są pierwiastki transuranowe, takie jak pluton, które w późniejszym procesie same przyczyniają się do niektórych osiągów reaktora. Oprócz pokazanych nuklidów w paliwie gromadzą się również produkty rozszczepienia. Razem te efekty wpływają na reaktywność , która maleje wraz ze wzrostem wypalenia.

Terminu „wypalone paliwo” nie należy mylić z terminem „spalone”.

Inne definicje

Oprócz wielkości określonej w MWd / kg SM powszechnie stosuje się współczynniki FIMA ( rozszczepienia na początkowy atom metalu ) i FIFA ( rozszczepienia na początkowy atom metalu ), zwykle podawane w procentach: w paliwie 3,3% ²³⁵ U i 96,7% ²³⁸ U, przy liczbie podziałów, gdy początkowo było obecnych ²³⁵ U atomów, wypalenie wyniesie 3,3% FIMA lub 100% FIFA. Specyfikacja w% FIFA jest szczególnie odpowiednia do porównywania wypalania przy różnych oryginalnych stopniach wzbogacenia.

Typowe wartości

Na początku XXI wieku w reaktorach lekkowodnych osiągnięto średnio wypalenia rzędu 40–55 GWd / t SM. Szwajcarskie testy ze specjalnymi prętami paliwowymi wykazały szczytowe spalenia do 105 GWd / t SM. W przypadku reaktorów wodnych ciśnieniowych zakłada się średnie spalanie do 75 GWd / t SM za pomocą ulepszonych elementów paliwowych. W reaktorach Magnox i kanadyjskich reaktorach Candu wypalenia wyładowań są niższe ze względu na niższe początkowe wzbogacenie, ale w jednostce „% FIFA”, zwłaszcza w przypadku reaktorów Candu, są one wyższe niż w przypadku reaktorów konwencjonalnych

Znacznie wyższe spalanie można osiągnąć w reaktorach wysokotemperaturowych i reaktorach hodowlanych . Badania mają nawet nadzieję, że nowe koncepcje reaktorów spowodują wypalenie wyładowań do 500 GWd / t SM. B. z turbiny gazowej opracowanej przez General Atomics w 2007 roku - Modular Helium Reactor (GT-MHR)

Indywidualne dowody

1. ↑ http://www.world-nuclear.org/nuclear-basics/glossary.aspx
2. ↑ ^{a b} R. Zahoransky (red.): Technologia energetyczna . 7. wydanie, Springer 2015, ISBN 978-3-658-07453-1 , strona 109
3. ↑ - ( pamiątka z oryginałem od 25 stycznia 2016 w Internet Archive ) Info: archiwum Link został wstawiony automatycznie i nie została jeszcze sprawdzona. Sprawdź oryginalny i archiwalny link zgodnie z instrukcjami, a następnie usuń to powiadomienie. @ 1@ 2Szablon: Webachiv / IABot / www.vpe.ch
4. ↑ ANP, magazyn Framatome ( Memento z 23 listopada 2008 w Internet Archive )
5. ↑ http://www.world-nuclear.org/info/inf33.html