Đang tải... (xem toàn văn)
Vật lý lò phản ứng hạt nhân của PGS.TS Nguyễn Nhị Điền được trình bày với 3 phần chính: Phần 1 trạng thái tới hạn của lò phản ứng, phần 2 động học lò phản ứng, phần 3 các hiệu ứng của độ phản ứng trong quá trình làm việc của lò phản ứng. Mời các bạn tham khảo
Chương VẬT LÝ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN PGS TS Nguyễn Nhị Điền Đà Lạt, 2014 Phần TRẠNG THÁI TỚI HẠN CỦA LÒ PHẢN ỨNG (CRITICAL STATE OF NUCLEAR REACTOR) Hệ số nhân hiệu dụng 1.1 Hệ số nhân nơtron k (Neutron multiplication factor) Hệ số nhân nơtron vô (the infinite neutron multiplication factor) tỷ số số nơtron hệ số nơtron hệ trước môi trường vô hạn (infinite medium): n2 k∞ = (3.1) n1 Nếu k∞ = 1, tới hạn (the reactor is in critical state) k∞ < 1, tới hạn (the reactor is in subcritical state) k∞ > 1, tới hạn (the reactor is in supercritical state) Trong lò trạng thái tới hạn, nơtron phân hạch gây xác phân hạch Chu trình tồn nơtron Hình 3.1 Trong phân hạch, có khoảng 2.43 nơtron nhanh sinh Trong lò trạng thái tới hạn, nơtron hoàn thiện hết chu trình để trì phản ứng dây chuyền Còn 1.43 nơtron khác bị bị rò bị bắt Nơtron nhanh phân hạch Quá trình làm chậm đến nơtron nhiệt Nơtron bị hấp thụ nơtron gây phân hạch với 235U Hình 3.1 Chu trình sống nơtron Hệ số nhân hiệu dụng keff (effective neutron multiplication factor) áp dụng cho môi trường có hạn (finite medium), tức cho LPƯ có kích thước giới hạn Khi đó, hệ số nhân keff hiệu dụng bằng: keff = k∞ Pf Pt (3.2) đây, Pf xác suất tránh rò nơtron nhanh trình làm chậm; Pt xác suất tránh rò nơtron nhiệt trình khuếch tán; 2 Pf = + B L s (3.3) 2 + B L P = (3.4) t Ls độ dài làm chậm nơtron nhanh; L độ dài khuếch tán nơtron nhiệt; B2 số Buckling Biểu thức (3.2) trở thành: 1 keff = k∞ 2 + B L2s + B L (3.5) 1.2 Công thức thừa số (Four factors formula) Để xem xét chu trình sống nơtron, có công thức thành phần hệ số nhân vô hạn sau: (lấy ν = 2.43) k∞ = η µ p f (3.6) a Thừa số phân hạch nhiệt η (Thermal fission factor): Là số nơtron nhanh sinh nơtron nhiệt bị hấp thụ nhiên liệu: Fast neutrons produced by thermal neutron η= Thermal neutrons absorbed in fuel η = ν σf N 5Φ σf N =ν σ5 N 5Φ + σ8 N 8Φ σ5 N + σ8 N (3.7) b Thừa số phân hạch nhanh µ (Fast fission factor): Là tỷ số số nơtron nhanh tất phân hạch số nơtron nhanh phân hạch nhiệt: Fast neutrons from all fissions µ = Fast neutrons from thermal fission 0,092 P µ =1+ − 0,52 P (3.8) với P xác suất va chạm nơtron nhanh nhiên liệu c Xác suất tránh hấp thụ cộng hưởng p (Resonance escape probability): Là biểu thị giá trị có nơtron qua vùng cộng hưởng mà không bị hấp thụ: Neutrons that reach thermal energy p= Fast neutrons that starts to slow down N I eff p = exp − ξΣ s với Ieff tích phân cộng hưởng hiệu dụng (3.9) d Hệ số sử dụng nơtron nhiệt f (Thermal utilization factor): Là phần nơtron nhiệt bị hấp thụ nhiên liệu Number of neutrons absorbed by fuel f= Number of neutrons absorbed in reactor f= σ5 N5 + σ8 N8 σu Nu = σ5 N5 + σ8 N8 + ∑ σi Ni σ u N u + ∑ σi Ni i (3.10) i Kích thước tới hạn vùng hoạt lò phản ứng Khi lò có kích thước cho phản ứng dây chuyền trì xem kích thước tới hạn (critical size) Nếu kích thước lò nhỏ kích thước tới hạn số nơtron bị rò nhiều hơn, dẫn đến lò trạng thái tới hạn (subcritical state) Ngược lại, kích thước lò lớn kích thước tới hạn số nơtron bị rò hơn, làm cho lò trạng thái hạn (supercritical state) Điều kiện tới hạn lò 1 keff = k∞ Pf Pt = ηµpf + B L2s + B L2 =1 (3.11) Điều kiện tương đương với điều kiện sau đây: (3.12) B g2 = B m với B 2m B g2 Buckling vật liệu (material Buckling) Buckling hình học (geometrical Buckling), tương ứng B 2m = k∞ −1 M2 (3.13) với M2 diện tích phát xạ hay diện tích di cư (migration (3.14) area) M2 = Ls2 + L2 Giá trị Buckling hình học B g có giá trị khác phụ thuộc vào hình học lò phản ứng (xem phần Chương 1) * Vùng hoạt có dạng hình cầu (Hình 2.6a): π R B g2 = (3.15) Các kích thước tới hạn lò hình cầu là: π = Bán kính R = Bg πM (k ∞ − 1) Thể tích V = 43 π R3 = 43 π (3.16) π 3M ( k ∞ − 1) (3.17) 10 2.2 Nhiễm độc Xenon cân (Equilibrium 135Xe poison) Khi t → ∞ ta có nồng độ Xenon cân bằng: N Xe,0 ( p I + p Xe )∑fu = λ*Xe (5.7) Φ0 Nhiễm độc Xenon định nghĩa là: qXe N Xe σ Xe = Σu (5.8) Nhiễm độc Xenon cân bằng: q Xe,0 ( p I + p Xe )σ Xe Φ = λ*Xe Σf U ΣU (5.9) 41 Cần khoảng 40-50 để đạt nhiễm độc Xenon cân Trong mức độ gần tốt, hiệu ứng nhiễm độc Xenon lên hệ số nhân k lên thừa số sử dụng nhiệt f Do vậy, độ phản ứng tương đương nhiễm độc là: ρXe = k− k k = f − f0 f ≈ - qXe (5.10) 2.3 Xenon sau dập lò (135Xe after shutdown) Mặc dù sản phẩm phân hạch 135Xe ngưng lò phản ứng dừng làm việc, đồng vị tiếp tục tạo phân rã 135I có mặt lò Do đó, nồng độ Xenon bắt đầu tăng sau lò dừng, bị biến phân hạch 42 Khi lò dừng làm việc, thông lượng nơtron giảm từ giá trị Φ0 tới 0, phụ thuộc nồng độ Xenon vào thời gian biểu thị công thức sau: p I Σ fU Φ − λ I t − λ Xe t (p I + p Xe )Σ fU Φ − λ Xe t N Xe = e −e e + * λ Xe,0 λ Xe − λ I ( ) (5.11) Nhiễm độc Xenon là: * λ Xe,0 pI −λ Xe t −λ I t −λ Xe t −e +e q Xe = q Xe,0 e (5.12) p I + p Xe (λ I − λ Xe ) ( ) đây: qXe,0 = (p I + p Xe )σ Xe Φ λ*Xe,0 Σ fU ΣU (5.13) 43 Φ q Xe ρ Φ = Φ0 Φ=0 Φ=0 qXe = qXe,0 q Xe = ρ=ρ 0 t1 t2 t Hình 5.1 Sự phụ thuộc qXe ρXe vào công suất lò 44 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 ρXe (%) 12 12 16 20 24 28 32 36 40 t(h) 8.10 n/cms 13 2,4.10 13 4.10 Hình 5.2 Sự phụ thuộc thời gian độ phản ứng tương đương nhiễm độc Xenon sau lò dừng làm việc với thông lượng nơtron khác trước lò dừng 45 ↑ Hình 5.2 trình bày phụ thuộc thời gian độ phản ứng tương đương nhiễm độc Xenon sau lò dừng vào thông lượng nơtron trước lò dừng Từ hình cho thấy tích tụ Xenon sau lò dừng quan trọng lò có thông lượng nơtron thấp, vấn đề nan giải lò thiết kế để vận hành công suất cao Trong thực tế, thời gian sau dừng lò, độ phản ứng dương việc nâng tất điều khiển nhỏ độ phản ứng âm Xenon gây ra, lò phản ứng khởi động lại Xenon phân rã Khoảng thời gian cần thiết để khởi động lại lò phản ứng tăng với tăng thông lượng nơtron, từ 10 đến 20 sau lò dừng làm việc 46 ↑ Nhiễm độc Samarium Đồng vị làm nhiễm độc lò sau 135Xe 149Sm Nó hình thành trình sau: ( n ,f ) β − 149 β − 149 235 149 (5.14) → 60 Nd 1, h 61 Pm 68 h 62 Sm 92 U 149Sm đồng vị bền 149Nd đồng vị phóng xạ với thời gian bán rã ngắn 1,7 h Các biểu thức mô tả thay đổi nồng độ Promethium Samarium là: dN Sm = λ Pm N Pm − N SmσSmΦ (5.15) dt dN Pm = p Pm Σ fUΦ − λ Pm N Pm dt (5.16) 47 với λPm = 4,1.10-6 s-1 ; σSm = 5.10+4 b ; pPm = 0,0113 Vì tiết diện hấp thụ 149Sm nhỏ nhiều tiết diện hấp thụ 135Xe thời gian bán rã 149Pm dài thời gian bán rã 135I 135Xe, điều kéo theo cần thời gian dài để nồng độ Promethium Samarium đạt giá trị cân chúng so với đồng vị Xenon Nghiệm phương trình (5.15) là: p Pm Σ U f N Sm = σ Sm (1 − e −σ Sm p Pm Σ U Φ f + λ Pm − σ Sm Φ Φ0t )+ (e −λ Pm t −e σSm Φ t ) (5.17) 48 Nồng độ cân Samarium bằng: N Sm,0 Σ fU = p Pm σSm (5.18) σSm N Sm,0 Σ fU = = p pm ΣU ΣU (5.19) nhiễm độc Samarium cân là: q Sm,0 1.0 ρSm(t)/ρSm* 0.8 12 Φ0= 4.10 n/cm s 0.6 13 1.10 0.4 13 2.10 0.2 13 4.10 10 20 30 40 50 t(ngµy) Hình 5.3 Sự phụ thuộc thời gian độ phản ứng âm nhiễm độc Samarium thông lượng nơtron khác 49 ↑ Hình 5.3 phụ thuộc thời gian độ phản ứng âm nhiễm độc Samarium thông lượng nơtron khác Từ hình cho thấy cần thời gian dài để đạt đến nhiễm độc Samarium cân so với nhiễm độc Xenon Thời gian ước tính công thức sau: 10 20 1015 t0 ≈ s≈ Φ0 Φ0 ngày (5.20) Chẳng hạn, với Φ0 = 4.1013 n/cm2.s ta có t0 = 25 ngày Bảng 5.1 trình bày giá trị qSm,0 qXe,0 với Φ > 1014 n/cm2.s nhiên liệu Uranium có độ giàu khác Bảng biểu thị nhiễm độc Samarium cân vào khoảng lần nhỏ nhiễm độc Xenon 50 ↑ Bảng 5.1 Giá trị qSm,0 qXe,0 với Φ > 1014 n/cm2.s nhiên liệu Uranium có độ giàu khác Độ giàu 0,714% 2% 100% max q Xe,0 0,0354 0,0478 0,0502 max q Sm,0 0,0068 0,0092 0,0096 51 ↑ Sự cháy nhiên liệu Thành phần nhiên liệu thay đổi đáng kể trình vận hành lò Với thời gian làm việc dài, làm thay đổi độ phản ứng ρ, động học lò, phân bố nơtron cần phải phân bố lại hay gọi tái nạp nhiên liệu vào vùng hoạt lò Sau thời gian dài lò làm việc nguyên tố từ phân hạch 235U bị cháy 238U chuyển thành đồng vị 239Pu phân hạch Tốc độ cháy nhiên liệu phụ thuộc thông lượng nơtron Φ đó: (5.21) dN = −σ5ΦN dt Thông lượng Φ cao nhiên liệu tiêu hao nhanh Điều may mắn độ tiêu hao 235U bù trừ hình thành 239Pu 52 ↑ Do 239Pu tạo bắt nơtron 238U, mật độ 238U không thay đổi đáng kể suốt chu trình nhiên liệu, giả sử 239Pu hình thành với tốc độ không đổi Như vậy, có nhiều Pu hình thành, nhiên liệu hấp thụ nhiều nơtron; thời điểm mà tốc độ tạo với tốc độ hấp thụ 239Pu hấp thụ nơtron chuyển thành 240Pu vật liệu hấp thụ nơtron, chuyển thành 241Pu Do vậy, sau thời gian lò làm việc, nhiên liệu có hạt nhân phân hạch khác 235U, 239Pu 241Pu 53 ↑ Hiệu suất tạo Plutonium hàm độ giàu 235U ban đầu Trong vùng hoạt có độ giàu đến 20% lớn hơn, hiệu suất cực tiểu Trong vùng hoạt sử dụng Uranium thiên nhiên độ giàu 235U vài %, hiệu suất tăng lên theo thời gian làm việc vùng hoạt Độ cháy vùng hoạt bù trừ cho nạp tải ban đầu nhiên liệu phép cháy cần có độ phản ứng dự trữ Các điều khiển bù trừ cho độ cháy nhiên liệu việc sử dụng chất nhiễm độc cháy (burnable poisons) nhiên liệu giảm dần ảnh hưởng theo thời gian Chúng ta quan sát xem độ phản ứng thay đổi cháy nhiên liệu Khởi đầu, độ cháy 235U thay số nguyên tử 239Pu mà gây nên tăng độ phản ứng 54 ↑ Điều giải thích thực tế giá trị tiết diện phân hạch σf 239Pu (742 b) lớn tiết diện phân hạch σf 235U (582 b) Đối với mức độ cháy cao 235U, cháy tiếp tục tích tụ 239Pu bắt đầu giảm chậm (mà ta nói đạt trạng thái cân bằng), kết số lượng hạt nhân phân hạch giảm bớt độ phản ứng giảm Khi độ phản ứng đạt khoảng 0.01, nhiên liệu cần phải thay 55 ... phát xạ vành phản xạ Φmax b b a Reflector a Core Reflector Hình 3 .2 Thông lượng lò trần (a) lò có vành phản xạ (b) 15 Phần ĐỘNG HỌC LÒ PHẢN ỨNG (THE TIME-DEPENDENT REACTOR) 16 Độ phản ứng (Reactivity)... = (1 - β) + βdelayed = 5.1 0-4 + 0,0064 x 12, 4 ≈ 0,08 s (4.9) Với giả thiết giá trị δk = 0.0 025 , chu kỳ lò phản ứng là: T = 0,08 = δk 0,0 025 s = 32 s (4.10) Với t = s ta có: N(1) = e 32 ≈ 3,1%... (4.11) 20 Sự tăng công suất lúc chận nhiều so với trường hợp nơtron tức thời thiết lập hệ điều khiển bảo vệ lò phản ứng Việc xử lý thay đổi công suất chu kỳ lò phản ứng việc đưa vào độ phản ứng