Kontrol çubuğu - Control rod

Yakıt elemanının üzerinde basınçlı su reaktörü için kontrol çubuğu tertibatı

Kontrol çubukları kullanılır nükleer reaktörler fisyon oranını kontrol etmek uranyum veya plütonyum. Kompozisyonları şunları içerir: kimyasal elementler gibi bor, kadmiyum, gümüş veya indiyum, birçok şeyi emebilen nötronlar kendileri bölünmeden. Bu unsurların farklı nötron yakalama Kesitler çeşitli nötronlar için enerjiler. Kaynar su reaktörleri (BWR), basınçlı su reaktörleri (PWR) ve ağır su reaktörleri (HWR) ile çalışın termal nötronlar, süre damızlık reaktörler hızlı nötronlarla çalışır. Her reaktör tasarımı, nötronlarının enerji spektrumuna bağlı olarak farklı kontrol çubuğu malzemeleri kullanabilir.

Çalışma prensibi

1943 Bor kontrol çubuklarını kullanan reaktör diyagramı

Kontrol çubukları nükleer reaktörün çekirdeği ve için ayarlandı kontrol oran of nükleer zincir reaksiyonu ve dolayısıyla ısı gücü reaktörün çıkışı, oranı buhar üretim ve Elektrik gücü elektrik santralinin çıkışı.

Takılan kontrol çubuklarının sayısı ve takıldıkları mesafe, tepkisellik reaktörün. Ne zaman reaktivite (olarak etkili nötron çarpım faktörü ) 1'in üstündedir, oranı nükleer zincir reaksiyonu zamanla üssel olarak artar. Reaktivite 1'in altında olduğunda, reaksiyon hızı zamanla üssel olarak azalır. Tüm kontrol çubukları tamamen yerleştirildiğinde, reaktiviteyi neredeyse 0'ın üzerinde tutarlar, bu da çalışan bir reaktörü hızlı bir şekilde yavaşlatır ve durdurur ( kapat ). Tüm kontrol çubukları tamamen çıkarılırsa, reaktivite 1'in önemli ölçüde üzerindedir ve reaktör, başka bir faktör reaksiyon hızını yavaşlatana kadar hızla daha sıcak ve daha sıcak çalışır. Sabit bir güç çıkışı sağlamak, uzun vadeli ortalama nötron çarpım faktörünü 1'e yakın tutmayı gerektirir.

Kontrol çubukları tamamen yerleştirilmiş olarak yeni bir reaktör monte edilir. Kontrol çubukları, çekirdekten kısmen çıkarılır. nükleer zincir reaksiyonu başlatmak ve istenen güç seviyesine yükseltmek için. Nötron akısı ölçülebilir ve kabaca reaksiyon hızı ve güç seviyesi ile orantılıdır. Güç çıkışını artırmak için bazı kontrol çubukları bir süreliğine küçük bir mesafeye çekilir. Güç çıkışını azaltmak için bazı kontrol çubukları bir süre küçük bir mesafeye itilir. Diğer birkaç faktör reaktiviteyi etkiler; Bunları telafi etmek için, otomatik bir kontrol sistemi, kontrol çubuklarını gerektiği gibi küçük miktarlarda içeri veya dışarı ayarlar. Her kontrol çubuğu, reaktörün bir bölümünü diğerlerinden daha fazla etkiler; Nüvenin farklı kısımlarında benzer reaksiyon hızlarını ve sıcaklıkları korumak için karmaşık ayarlamalar yapılabilir.

Tipik kapat gibi modern reaktörler için zaman Avrupa Basınçlı Reaktör veya Gelişmiş CANDU reaktörü % 90 azalma için 2 saniyedir. çürüme ısısı.

Kontrol çubukları genellikle kontrol çubuğu tertibatlarında kullanılır (tipik olarak ticari bir PWR tertibatı için 20 çubuk) ve yakıt elemanları içindeki kılavuz tüplere yerleştirilir. Kontrol çubukları genellikle çekirdek içinde dikey olarak durur. PWR'lerde, reaktöre monte edilmiş kontrol çubuğu tahrik mekanizmaları ile yukarıdan yerleştirilirler. basınçlı kap kafa. BWR'lerde, çekirdeğin üzerinde bir buhar kurutucunun gerekliliği nedeniyle, bu tasarım, kontrol çubuklarının alttan yerleştirilmesini gerektirir.

Malzemeler

İçin absorpsiyon kesiti 10B (üst) ve 11Enerjinin bir fonksiyonu olarak B (alt)

Kullanışlı yüksek nötron yakalama kesitlerine sahip kimyasal elementler şunları içerir: gümüş, indiyum, ve kadmiyum. Diğer aday unsurlar şunları içerir: bor, kobalt, hafniyum, samaryum, öropiyum, gadolinyum, terbiyum, disporsiyum, holmiyum, erbiyum, tülyum, iterbiyum, ve lutesyum.[1] Alaşımlar veya bileşikler de kullanılabilir, örneğin yüksekbor çeliği,[2] gümüş indiyum kadmiyum alaşımı, bor karbür, zirkonyum diborür, titanyum diborür, hafniyum diborür gadolinyum nitrat[3] gadolinyum titanat, disprosyum titanat ve bor karbür-öropyum hekzaborür kompozit.[4]

Malzeme seçimi, reaktördeki nötron enerjisinden, nötron kaynaklı şişme ve gerekli mekanik ve kullanım ömrü özellikleri. Çubuklar, nötron emici topaklar veya tozla doldurulmuş tüpler şeklinde olabilir. Tüpler paslanmaz çelikten veya zirkonyum, krom gibi diğer "nötron pencere" malzemelerinden yapılabilir. silisyum karbür veya kübik 11
B15
N (kübik Bor nitrür ).[5]

"Yanması"yanabilir zehir " izotoplar ayrıca bir kontrol çubuğunun ömrünü de sınırlar. Etkinliğini kaybetmeden önce birden çok nötron yakalayan "yanmaz zehir" olan hafniyum gibi bir element kullanılarak veya kırpma için nötron emiciler kullanılmayarak azaltılabilirler. Örneğin, çakıl yataklı reaktörler veya olası yeni tipte lityum-7 -Yakıt ve emici çakıl kullanan, kontrollü ve soğutmalı reaktörler.

Biraz nadir Dünya elementleri mükemmel nötron emicilerdir ve gümüşten daha az nadirdir (yaklaşık 500.000 ton rezerv). Örneğin, iterbiyum (yaklaşık 1 M ton rezerv) ve itriyum 400 kat daha yaygın, orta yakalama değerleri ile mineraller içinde ayrışmadan bulunup birlikte kullanılabilir. xenotime (Yb) (Yb0.40Y0.27lu0.12Er0.12Dy0.05Tm0.04Ho0.01) PO4,[6] veya keivit (Yb) (Yb1.43lu0.23Er0.17Tm0.08Y0.05Dy0.03Ho0.02)2Si2Ö7, maliyeti düşürmek.[7] Xenon aynı zamanda bir gaz olarak güçlü bir nötron emicidir ve kontrol etmek ve (acil) durdurmak için kullanılabilir helyum -soğutulmuş reaktörler, ancak basınç kaybı durumlarında veya yanan koruyucu gaz olarak çalışmaz. argon özellikle çekirdek yakalama reaktörlerinde veya sodyum veya lityum ile doldurulmuşsa kap kısmının etrafında. Fisyon tarafından üretilen ksenon bekledikten sonra kullanılabilir sezyum pratikte radyoaktivite kalmadığında çökelmek için. Kobalt-59 ayrıca kobalt-60'ın kazanılması için bir emici olarak kullanılır. Röntgen üretim. Kontrol çubukları ayrıca kalın döner çubuklar olarak da yapılabilir. tungsten reflektör ve emici tarafı 1 saniyeden daha kısa sürede bir yay ile duracak şekilde çevrildi.

Gümüş-indiyum-kadmiyum alaşımları, genellikle% 80 Ag,% 15 In ve% 5 Cd, aşağıdakiler için yaygın bir kontrol çubuğu malzemesidir. basınçlı su reaktörleri.[8] Malzemelerin biraz farklı enerji emme bölgeleri, alaşımı mükemmel hale getirir. nötron emici. İyi bir mekanik mukavemete sahiptir ve kolaylıkla imal edilebilir. Sıcak suda korozyonu önlemek için paslanmaz çelikle kaplanmalıdır.[9] Indiyum, gümüşten daha az nadir olmasına rağmen, daha pahalıdır.

Bor, başka bir yaygın nötron emicidir. Farklı kesitler nedeniyle 10Grup 11B, yönünden zenginleştirilmiş bor içeren malzemeler 10B sıralama izotopik ayrım sıklıkla kullanılmaktadır. Borun geniş absorpsiyon spektrumu, onu bir nötron kalkanı olarak da uygun hale getirir. Borun temel formundaki mekanik özellikleri uygun değildir ve bu nedenle bunun yerine alaşımlar veya bileşikler kullanılmalıdır. Yaygın seçenekler yüksek bordur çelik ve bor karbür. İkincisi, hem PWR'lerde hem de BWR'lerde bir kontrol çubuğu malzemesi olarak kullanılır. 10B /11B ayrımı ticari olarak yapılır gaz santrifüjleri BF üzerinden3, ancak BH üzerinden de yapılabilir3 itibaren Borane ön ısıtma için taze ayrılmış borun ısısını kullanarak doğrudan enerji optimizasyonlu bir eritme santrifüjü ile üretim veya doğrudan.

Hafniyum Hem ılımlılık hem de soğutma için su kullanan reaktörler için mükemmel özelliklere sahiptir. İyi mekanik dayanıma sahiptir, kolayca imal edilebilir ve aşınma sıcak suda.[10] Hafniyum diğer elementlerle alaşım haline getirilebilir, örn. ile teneke ve oksijen çekme ve sürünme mukavemetini artırmak için Demir, krom, ve niyobyum korozyon direnci için ve molibden aşınma direnci, sertlik ve işlenebilirlik için. Bu tür alaşımlar Hafaloy, Hafaloy-M, Hafaloy-N ve Hafaloy-NM olarak adlandırılır.[11] Hafniyumun yüksek maliyeti ve düşük bulunabilirliği, bazılarında kullanılmasına rağmen, sivil reaktörlerde kullanımını sınırlar. ABD Donanması reaktörler. Hafniyum karbür aynı zamanda 3890 ° C yüksek erime noktası ve uranyum dioksitinkinden daha yüksek yoğunluğa sahip çözünmez bir malzeme olarak da kullanılabilir. Koryum.

Disprosyum titanat basınçlı su kontrol çubukları için değerlendiriliyordu. Disprosyum titanat, Ag-In-Cd alaşımları için ümit verici bir ikamedir çünkü çok daha yüksek bir erime noktasına sahiptir, kaplama malzemeleriyle reaksiyona girme eğiliminde değildir, üretilmesi kolaydır, radyoaktif atık üretmez, şişmez ve Outgas. Rusya'da geliştirildi ve bazıları tarafından VVER ve RBMK reaktörler.[12] Bir dezavantaj, daha az titanyum ve oksit emilimi, diğer nötron emici elemanların zaten yüksek erime noktalı kaplama malzemeleriyle reaksiyona girmemesi ve sadece krom, SiC veya c11B15N tüpleri içindeki Keiviit Yb gibi minerallerin içindeki disprosyum ile ayrılmamış içeriği kullanarak üstün sonuçlar vermesidir. şişme ve gaz çıkışı olmadan fiyat ve emilim.

Hafniyum diborür başka bir tür materyaldir. Tek başına veya sinterlenmiş hafniyum ve bor karbür tozları karışımında kullanılabilir.[13]

Bor benzeri olan samaryum gibi nadir toprak elementlerinin diğer birçok bileşiği kullanılabilir. öropiyum ve samaryum borür renk endüstrisinde zaten kullanılan.[14] Titanyuma benzer daha az emici bor bileşikleri, ancak ucuz molibden Mo olarak2B5. Hepsi borla şiştikleri için, pratikte diğer bileşikler, örneğin karbürler vb. Veya iki veya daha fazla nötron emici element içeren bileşikler daha iyidir. Önemli olan tungsten ve muhtemelen diğer unsurlar gibi tantal,[15] aynı yüksek yakalama niteliklerine sahip hafniyum,[16] ama tam tersi etkiyle. Bu, yalnızca nötron yansımasıyla açıklanamaz. Açık bir açıklama, rezonans gama ışınlarının fisyon ve üreme oranını artırmasına karşın daha fazla uranyum yakalamasına vb. yarı kararlı gibi koşullar izotop 235 milyonU yarı ömrü yaklaşık 26 dakikadır.

Ek reaktivite düzenleme araçları

Reaktiviteyi kontrol etmenin diğer yolları arasında (PWR için) çözünür bir nötron emici (borik asit ) reaktör soğutucusuna eklenir, sabit güç çalışması sırasında kontrol çubuklarının tamamen çıkarılmasına izin verir, tüm çekirdek boyunca eşit bir güç ve akı dağılımı sağlar. Bu kimyasal şim yakıt peletlerinde yanabilir nötron zehirlerinin kullanımıyla birlikte, çekirdeğin uzun vadeli reaktivitesinin düzenlenmesine yardımcı olmak için kullanılır,[17] kontrol çubukları hızlı reaktör güç değişiklikleri için kullanılırken (ör. kapatma ve başlatma). BWR operatörleri, reaktör devridaim pompalarının hızını değiştirerek reaktiviteyi kontrol etmek için çekirdekteki soğutucu akışını kullanır (çekirdekteki soğutma sıvısı akışındaki artış, buhar kabarcıklarının giderilmesini iyileştirir ve böylece soğutucunun yoğunluğunu artırır /moderatör, artan güç).

Emniyet

Çoğu reaktör tasarımında, bir güvenlik önlemi, kontrol çubukları kaldırma makinesine bağlanır. elektromıknatıslar doğrudan mekanik bağlantı yerine. Bu, elektrik kesintisi durumunda veya kaldırma makinesinin arızalanması nedeniyle manuel olarak çalıştırıldığında, kontrol çubuklarının otomatik olarak, yerçekimi altında, reaksiyonu durdurmak için tamamen yığının içine düşmesi anlamına gelir. Bunun dikkate değer bir istisnası güvenli Çalışma modu, acil bir kapatma durumunda özel bir tanktan yüksek basınç altında su kullanarak hidrolik yerleştirme gerektiren BWR'dir. Bir reaktörün bu şekilde hızla kapatılmasına denir çabalamak.

Kritiklik kaza önleme

Yanlış yönetim veya kontrol çubuğu arızası genellikle şu sebeplerden dolayı suçlanmıştır: nükleer kazalar, I dahil ederek SL-1 patlama ve Çernobil felaketi.Homojen nötron emiciler genellikle yönetmek için kullanılmıştır kritik kazalar sulu çözeltilerini içeren bölünebilir metaller. Bu tür birkaç kazada da boraks (sodyum borat ) veya sisteme bir kadmiyum bileşiği eklendi. Kadmiyum, metal olarak eklenebilir Nitrik asit bölünebilir malzeme çözümleri; Asitte kadmiyumun aşınması daha sonra kadmiyum oluşturacaktır nitrat yerinde.

İçinde karbon dioksit gibi soğutulmuş reaktörler AGR Katı kontrol çubukları nükleer reaksiyonu durdurmada başarısız olursa, azot gaz birincil soğutma sıvısı döngüsüne enjekte edilebilir. Bunun nedeni, nitrojenin, nötronlar için daha büyük bir absorpsiyon kesitine sahip olmasıdır. karbon veya oksijen; dolayısıyla çekirdek daha az reaktif hale gelir.

Nötron enerjisi arttıkça, çoğu izotopun nötron kesiti azalır. bor izotop 10B, nötron emiliminin çoğundan sorumludur. Bor içeren malzemeler de nötron koruması olarak kullanılabilir. aktivasyon reaktör çekirdeğine yakın malzeme.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Japonca veya Rusça veritabanı ile iterbiyum (n.gamma) verileri
  2. ^ (n, alfa) reaksiyonunda borun nötron absorpsiyonuna bağlı olarak helyum ve lityumdan artan şişme nedeniyle yalnızca araştırma reaktörlerinde kullanımla sınırlıdır
  3. ^ D'ye enjekte edildi2O moderatör Gelişmiş CANDU reaktörü
  4. ^ Sairam K, Vishwanadh B, Sonber JK, ve diğerleri. B4C – Eu2O3'ün kıvılcım plazma sinterlemesi sırasında yoğunlaştırma ve mikro yapı geliştirme arasındaki rekabet. J Am Ceram Soc. 2017; 00: 1–11. https://doi.org/10.1111/jace.15376
  5. ^ Anthony Monterrosa; Anagha Iyengar; Alan Huynh; Chanddeep Madaan (2012). "PWR'lerde ve FHR'lerde Bor Kullanımı ve Kontrolü" (PDF).
  6. ^ Harvey M. Buck, Mark A. Cooper, Petr Cerny, Joel D. Grice, Frank C. Hawthorne: Xenotime- (Yb), YbPO4, Kanada'nın güneydoğusundaki Manitoba'daki Shatford Gölü pegmatit grubundan yeni bir mineral türü. İçinde: Kanadalı Mineralog. 1999, 37, S. 1303–1306 (American Mineralogist'te Özet, S. 1324; PDF
  7. ^ A. V. Voloshin, Ya. A. Pakhomovsky, F.N. Tyusheva: Keivit Yb2Si2Ö7, Kola Yarımadası'ndaki amazonitik pegmatitlerden yeni bir iterbiyum silikat. İçinde: Mineralog. Zhurnal. 1983, 5-5, S. 94–99 (American Mineralogist'te Özet, S. 1191; PDF; 853 kB).
  8. ^ Bowsher, B. R .; Jenkins, R. A .; Nichols, A. L .; Rowe, N. A .; Simpson, J. a. H. (1986-01-01). "Ciddi bir reaktör kazası sırasında gümüş indiyum-kadmiyum kontrol çubuğu davranışı". UKAEA Atom Enerjisi Kuruluşu. Alıntı dergisi gerektirir | günlük = (Yardım)
  9. ^ "KONTROL MATERYALLERİ". web.mit.edu. Alındı 2015-06-02.
  10. ^ "Kontrol Malzemeleri". Web.mit.edu. Alındı 2010-08-14.
  11. ^ "Nötron soğurucu olarak hafniyum alaşımları". Çevrimiçi Ücretsiz Patentler. Arşivlenen orijinal 12 Ekim 2008. Alındı 25 Eylül 2008.
  12. ^ "Disprosyum (Z = 66)". Everything-Science.com web forumu. Alındı 25 Eylül 2008.
  13. ^ "Nötron emici malzeme yapma yöntemi". Çevrimiçi Ücretsiz Patentler. Alındı 25 Eylül 2008.
  14. ^ "Infrarotabsorbierende Druckfarben - Dokument DE102008049595A1". Patent-de.com. 2008-09-30. Alındı 2014-04-22.
  15. ^ "Sigma Planları". Nndc.bnl.gov. Alındı 2014-04-22.
  16. ^ "Sigma Periyodik Tablo Taraması". Nndc.bnl.gov. 2007-01-25. Alındı 2014-04-22.
  17. ^ "Basınçlı su reaktörleri için zenginleştirilmiş borik asit" (PDF). EaglePicher Corporation. Arşivlenen orijinal (PDF) 29 Kasım 2007. Alındı 25 Eylül 2008.

Dış bağlantılar

daha fazla okuma