Bezpečnost jaderné kritičnosti - Nuclear criticality safety

Bezpečnost jaderné kritičnosti je obor jaderné inženýrství věnovaný prevenci jaderné a radiační nehody vyplývající z neúmyslného, ​​soběstačného jaderná řetězová reakce.[1]

Jaderná kritičnost bezpečnost se týká zmírňování následků jaderné energie nehoda kritičnosti. K nehodě jaderné kritičnosti dochází z operací, které se na ní podílejí štěpitelný materiálu a vede k náhlému a potenciálně smrtelnému uvolnění záření.

Odborníci na bezpečnost v oblasti jaderné kritiky se pokoušejí zabránit nehodám s jadernou kritičností analýzou normálních a důvěryhodných abnormálních podmínek v USA štěpný materiál operace a navrhování bezpečných opatření pro zpracování štěpných materiálů. Běžnou praxí je aplikovat dvojí pohotovostní analýzu na provoz, ve kterém musí dojít ke dvěma nebo více nezávislým, souběžným a nepravděpodobným změnám podmínek procesu, než může dojít k havárii jaderné kritičnosti. Například první změnou podmínek může být úplné nebo částečné zaplavení a druhou změnou nové uspořádání štěpného materiálu.

Z této analýzy vyplývají kontroly (požadavky) na parametry procesu (např. Hmotnost štěpného materiálu, zařízení). Tyto ovládací prvky, buď pasivní (fyzické), aktivní (mechanické) nebo administrativní (lidské), jsou implementovány pomocí inherentně bezpečných nebo návrhy rostlin odolné vůči chybám, nebo, pokud takové vzory nejsou proveditelné, autorem administrativní kontroly jako jsou provozní postupy, pracovní pokyny a další prostředky k minimalizaci potenciálu významných změn procesu, které by mohly vést k havárii jaderné kritičnosti.

Zásady

Tvar dutého prstence tohoto plutoniového ingotu podporuje únik neutronů a snižuje tak pravděpodobnost kritičnosti.

Jako zjednodušující analýza bude systém přesně kritický, pokud je rychlost produkce neutronů štěpením přesně vyvážena rychlostí, při které jsou neutrony ze systému v důsledku úniku buď absorbovány nebo ztraceny. Bezpečně lze podkritické systémy navrhnout tak, že zajistí, že potenciální kombinovaná rychlost absorpce a úniku vždy překročí potenciální rychlost produkce neutronů.

Parametry ovlivňující kritičnost systému lze zapamatovat pomocí mnemotechnické pomůcky MAGICMERV. Některé tyto parametry nejsou navzájem nezávislé, například změna hmotnosti povede ke změně objemu mezi ostatními.

Mosel: Pravděpodobnost štěpení se zvyšuje se zvyšujícím se celkovým počtem štěpných jader. Vztah není lineární. Pokud má štěpné těleso danou velikost a tvar, ale měnící se hustotu a hmotnost, existuje prahová hodnota, pod kterou kritičnost nemůže nastat. Tato prahová hodnota se nazývá kritické množství.

Absorpce: Absorpce odstraní neutrony ze systému. Velké množství absorbérů se používá k řízení nebo ke snížení pravděpodobnosti kritičnosti. Dobré absorbéry jsou bór, kadmium, gadolinium, stříbro a indium.

Geometrie / tvar: Tvar štěpného systému ovlivňuje, jak snadno z něj neutrony mohou uniknout (uniknout), v takovém případě nejsou způsobilé způsobit štěpné události ve štěpném materiálu. Tvar štěpného materiálu proto ovlivňuje pravděpodobnost výskytu štěpných událostí. Tvar s velkou povrchovou plochou, jako je tenká deska, podporuje prosakování a je bezpečnější než stejné množství štěpného materiálu v malém kompaktním tvaru, jako je krychle nebo koule.

Jáinterakce jednotek: Neutrony únik z jedné jednotky může vstoupit do jiné. Dvě jednotky, které samy o sobě jsou podkritické, by mohly vzájemně komunikovat a tvořit kritický systém. Vzdálenost oddělující jednotky a jakýkoli materiál mezi nimi ovlivňuje účinek.

Ckoncentrace / hustota: Neutronové reakce vedoucí k rozptylu, zachycení nebo štěpným reakcím se vyskytují s větší pravděpodobností v hustých materiálech; naopak neutrony pravděpodobněji uniknou (unikají) z materiálů s nízkou hustotou.

Moderace: Neutrony vzniklé štěpením jsou obvykle rychlé (vysoká energie). Tyto rychlé neutrony nezpůsobují štěpení tak snadno jako pomalejší (méně energetické). Neutrony jsou zpomaleny (moderováno ) srážkou s atomovými jádry. Nejúčinnější moderující jádra jsou vodík, deuterium, berylium a uhlík. Dobrými moderátory jsou proto vodíkové materiály včetně oleje, polyethylenu, vody, dřeva, parafinu a lidského těla. Všimněte si, že moderování vychází z kolizí; většina moderátorů je tedy také dobrým reflektorem.

Eobohacení: Pravděpodobnost reakce neutronu se štěpným jádrem je ovlivněna relativním počtem štěpných a nefissilních jader v systému. Proces zvyšování relativního počtu štěpných jader v systému se nazývá obohacení. Nízké obohacení obvykle znamená menší pravděpodobnost kritičnosti a vysoké obohacení znamená větší pravděpodobnost.

Reflection: Když neutrony kolidují s jinými atomovými částicemi (primárně jádry) a nejsou absorbovány, jsou rozptýleny (tj. Mění směr). Pokud je změna směru dostatečně velká, neutrony, které právě unikly ze štěpného tělesa, mohou být odkloněny zpět do něj, což zvyšuje pravděpodobnost štěpení. Říká se tomu „reflexe“. Mezi dobré reflektory patří vodík, berylium uhlík, olovo, uran, voda, polyethylen, beton, Karbid wolframu a ocel.

PROTIolume: U tělesa ze štěpného materiálu v jakémkoli daném tvaru se zvětšením tělesa zvětší průměrná vzdálenost, kterou musí neutrony urazit, než se mohou dostat na povrch a uniknout. Zvýšení velikosti těla tedy zvyšuje pravděpodobnost štěpení a snižuje pravděpodobnost úniku. Proto pro jakýkoli daný tvar (a podmínky odrazu - viz níže) bude existovat velikost, která poskytne přesnou rovnováhu mezi rychlostí produkce neutronů a kombinovanou rychlostí absorpce a úniku. Toto je kritická velikost.

Mezi další parametry patří:

Teplota: Tento konkrétní parametr je pro odborníka na bezpečnost kritičnosti méně běžný, jako v typickém provozním prostředí, kde jsou změny teploty minimální nebo kde zvýšení teploty nemá nepříznivý vliv na kritičnost systému, často se předpokládá, že pokojová teplota je ohraničení skutečné teploty analyzovaného systému. Toto je však pouze předpoklad, je důležité, aby odborník na bezpečnost kritiky pochopil, kde to neplatí, jako jsou vysokoteplotní reaktory nebo nízkoteplotní kryogenní experimenty.

Heterogenita: Míchání štěpných prášků do roztoku, mletí prášků nebo zbytků nebo jiné procesy, které ovlivňují strukturu štěpných materiálů v malém měřítku, je důležité. I když se běžně označuje jako kontrola heterogenity, obecně jde o zachování homogenity, protože homogenní případ je obvykle méně reaktivní. Zejména při nižším obohacení může být systém reaktivnější v heterogenní konfiguraci ve srovnání s homogenní konfigurací.[2]

Fyzikálně-chemická forma: Skládá se z kontroly fyzikálního stavu (tj. Pevného, ​​kapalného nebo plynného) a formy (např. Roztoku, prášku, zelených nebo slinutých pelet nebo kovu) a / nebo chemického složení (např. Hexafluorid uranu, fluorid urany, dusičnan plutonia nebo směsný oxid) konkrétního štěpného materiálu. Fyzikálně-chemická forma by mohla nepřímo ovlivnit další parametry, jako je hustota, umírněnost a absorpce neutronů.

Výpočty a analýzy

Zjistit, zda daný systém obsahuje štěpitelný materiál je bezpečný, je nutné vypočítat jeho neutronovou rovnováhu. Ve všech, ale velmi jednoduchých případech to obvykle vyžaduje použití počítačových programů k modelování geometrie systému a jeho materiálových vlastností.

Analytik popisuje geometrii systému a materiálů, obvykle s konzervativními nebo pesimistickými předpoklady. Hustota a velikost jakýchkoli absorbérů neutronů je minimalizována, zatímco množství štěpného materiálu je maximalizováno. Jelikož někteří moderátoři jsou také pohlcovači, analytik musí být opatrný, když je modeluje jako pesimistické. Počítačové kódy umožňují analytikům popsat trojrozměrný systém s okrajovými podmínkami. Tyto okrajové podmínky mohou představovat skutečné hranice, jako jsou betonové zdi nebo povrch rybníka, nebo mohou být použity k reprezentaci umělého nekonečného systému pomocí periodické okrajové podmínky. Jsou užitečné, když představují velký systém skládající se z mnoha opakovaných jednotek.

Mezi počítačové kódy používané pro bezpečnostní analýzy kritičnosti patří COG (USA),[3] MONK (UK),[4] MĚŘÍTKO / KENO (USA),[5] MCNP (NÁS),[6] a CRISTAL (Francie).[7]

Burnup úvěr

Tradiční analýzy kritičnosti předpokládají, že: štěpitelný materiál je ve svém nejreaktivnějším stavu, který je obvykle na maximu obohacení bez ozáření. Pro vyhořelé jaderné palivo skladování a přeprava, lze použít úvěr na spalování, aby bylo možné palivo těsněji zabalit, zmenšit prostor a umožnit bezpečnou manipulaci s palivem. Za účelem implementace úvěru na spalování je palivo modelováno jako ozářené za použití pesimistických podmínek, které produkují izotopové složení představující veškeré ozářené palivo. Ozáření palivem vzniká aktinidy sestávající z absorbérů neutronů a štěpný izotopy stejně jako štěpné produkty který absorbovat neutrony.

Při použití bazénů pro skladování paliva vyhořet úvěr, samostatné regiony jsou určeny pro skladování čerstvého a ozářeného paliva. Aby bylo možné skladovat palivo v ozářeném skladu paliva, musí splňovat zatěžovací křivku[Citace je zapotřebí ] což závisí na počátečním obohacení a ozáření.

Reference

  1. ^ Knief, Ronald A. (1985). Bezpečnost jaderné kritičnosti: Teorie a praxe (Měkká vazba). Americká jaderná společnost. p. 236. ISBN  0-89448-028-6. Citováno 15. května 2011.
  2. ^ Clayton, E. D .; Prichard, Andrew W .; Durst, Bonita E .; Erickson, David; Puigh, Raymond J. (19. února 2010). Anomálie jaderné kritičnosti, revize 6 (Technická zpráva). Pacific Northwest National Lab. p. 24,41. doi:10.2172/972533. OSTI  972533.
  3. ^ COG (USA)
  4. ^ MONK (UK)
  5. ^ „SCALE / KENO (US)“. www.ornl.gov. Citováno 15. května 2019.
  6. ^ MCNP (USA)
  7. ^ CRISTAL (Francie) Archivováno 20. července 2011 v Wayback Machine

Viz také