04-09-2020  (19830 lectures) Categoria: Science

Vareta de control - Barra de cadmi

Muntatge de vareta de control per a un reactor d'aigua pressuritzada, per sobre de l'element de combustible

Les varetes de control s'utilitzen en reactors nuclears per controlar la taxa de fissió d'urani o plutoni. Les seves composicions inclouen elements químics com el bor, el cadmi, la plata o l'indi,que són capaços d'absorbir molts neutrons sense fissió. Aquests elements tenen diferents seccions transversals de captura de neutrons per a neutrons de diverses energies. Reactors d'aigua bullint (BWR), reactors d'aigua pressuritzada (PWR) i reactors d'aigua pesada (HWR) operen amb neutrons tèrmics, mentre que els reactors de criadors funcionen amb neutrons ràpids. Cada disseny del reactor pot utilitzar diferents materials de vareta de control basats en l'espectre energètic dels seus neutrons.

Contingut

Principi de funcionament

Diagrama de reactors de 1943 utilitzant varetes de control de bor

Les varetes de control s'insereixen en el nucli d'un reactor nuclear i s'ajusten per controlar la velocitat de la reacció de la cadena nuclear i, d'aquesta manera, la potència tèrmica del reactor, la velocitat de producció de vapor i la sortida d'energia elèctrica de la central elèctrica.

El nombre de barres de control inserida, i la distància a la qual s'insereixen, influeixen fortament en la reactivitat del reactor. Quan la reactivitat (com a factor eficaç de multiplicació de neutrons)està per sobre d'1, la taxa de reacció de la cadena nuclear augmenta exponencialment amb el temps. Quan la reactivitat està per sota d'1, la taxa de la reacció disminueix exponencialment amb el temps. Quan totes les barres de control estan completament inserida, mantenen la reactivitat a penes per sobre de 0, el que ràpidament alenteix un reactor en execució a una parada i el manté aturat (en apagat). Si totes les barres de control s'eliminen completament, la reactivitat està significativament per sobre de l'1, i el reactor s'executa ràpidament més calent i més calent, fins que algun altre factor alenteix la velocitat de reacció. Mantenir una potència constant requereix mantenir el factor mitjà de multiplicació de neutrons a llarg termini prop d'1.

S'acobla un nou reactor amb les seves varetes de control totalment inserida. Les varetes de control s'eliminen parcialment del nucli per permetre que la reacció de la cadena nuclear per posar-se en marxa i augmentar al nivell d'energia desitjat. El flux de neutrons es pot mesurar, i és aproximadament proporcional a la velocitat de reacció i el nivell de potència. Per augmentar la potència de sortida, algunes varetes de control es treuen una petita distància durant un temps. Per disminuir la potència de sortida, algunes varetes de control s'empenyen en una petita distància durant un temps. Diversos altres factors afecten la reactivitat; per compensar-los, un sistema de control automàtic ajusta les barres de control de petites quantitats en o fora, segons sigui necessari. Cada vareta de control influeix en una part del reactor més que altres; es poden fer ajustos complexos per mantenir taxes de reacció i temperatures similars en diferents parts del nucli.

El temps d'apagada típic per als reactors moderns com el reactor pressuritzat europeu o el reactor CANDU avançat és de 2 segons per a la reducció del 90%, limitat per la calor de la decadència.

Les barres de control s'utilitzen generalment en muntatges de vareta de control (típicament 20 varetes per a un muntatge comercial de PWR) i s'insereixen en tubs guia dins dels elements de combustible. Les barres de control sovint es troben verticalment dins del nucli. En pwrs s'insereixen des de dalt, amb els mecanismes d'accionament de vareta de control muntats al capçal del recipient de pressió del reactor. En BWRs, a causa de la necessitat d'un assecador de vapor per sobre del nucli, aquest disseny requereix la inserció de les barres de control des de sota.

Materials

La secció transversal d'absorció per 10B (part superior) i 11B (inferior) en funció de l'energia

Els elements qu√≠mics amb seccions creuades de captura de neutrons √ļtilment altes¬†inclouen plata,indi¬†i cadmi. Altres elements candidats¬†inclouen bor,¬†cobalt,¬†hafnium,¬†samarium,¬†europium,¬†gadolini,¬†terbium,¬†dysprosium,¬†alzina,¬†erbium,¬†thulium,¬†ytterbium,¬†i lutetium.¬†[1] Tamb√© es poden utilitzar aliatges o compostos, com ara acerd'alta bor,[2] aliatge de plata-indium-cadmi,¬†carbur de bor, diborida de zirconi, diborida de titani, diborida d'hafnium, nitrat de gadolini, titanat de gadolini,¬†titanat de dysprosium, i boronide carb‚Äďeuropium hexaboride composite. [4] [4]

L'elecci√≥ del material est√† influenciada per l'energia de neutrons en el reactor, la seva resist√®ncia a la inflor¬†indu√Įda per neutrons,i les propietats mec√†niques i de vida √ļtil necess√†ries. Les varetes poden tenir la forma de tubs plens de gr√†nuls absorbents de neutrons o pols. Els tubs poden ser d'acer inoxidable o altres materials de "finestra de neutrons" com el zirconi, el crom, el¬†carbur de silici,o el c√ļbic 11
B
15
N (N)
(nitrur de bor c√ļbic). [5] [5]

El burnup de "ver√≠cremable" is√≤tops tamb√© limita la vida √ļtil d'una vareta de control. Es poden reduir mitjan√ßant l'√ļs d'un element com l'hafnium, un "ver√≠ no cremable" que captura m√ļltiples neutrons abans de perdre l'efic√†cia, o per no utilitzar amortidors de neutrons per retallar. Per exemple, en¬†reactors de llit de c√≤dols o en possibles reactors de¬†liti-7de nou tipus -moderats i refrigerats que utilitzen c√≤dols de combustible i amortidor.

Alguns¬†elements de terres rares s√≥n excel¬∑lents amortidors de neutrons i s√≥n menys rars que la plata (reserves d'uns 500.000t). Per exemple, ytterbium (reserves d'aproximadament 1 M tones)¬†i yttrium, 400 vegades m√©s com√ļ, amb valors de captura mitjana, es poden trobar i utilitzar junts sense separaci√≥ dins de minerals¬†com xenotime (Yb) (Yb0.40Y0.27Lu0.12Er0.12Dy0.05Tm0.04Ho0.01)PO4,[6] o keiviite (Yb) (Yb1.43Lu0.23Er0.17Tm0.08Y0.05Dy0.03Ho0.02)2Si2O7, baixant el cost.¬†[7] Xenon √©s tamb√© un fort amortidor de neutrons com a gas, i es pot utilitzar per controlar i (emerg√®ncia) aturar reactors¬†d'helirefredats, per√≤ no funciona en casos de p√®rdua de pressi√≥, o com un gas de protecci√≥ que crema juntament amb¬†arg√≥ al voltant de la part del vaixell especialment en cas de reactors de captura de nucli o si s'omple de sodi o liti. El xen√≥ produ√Įt per fissi√≥ es pot utilitzar despr√©s¬†d'esperar que el cesi es precipita, quan pr√†cticament no queda radioactivitat. Cobalt-59 tamb√© s'utilitza com a absorbent per guanyar cobalt-60 per a¬†la producci√≥ de raigs X. Les varetes de control tamb√© es poden construir com varetes girables gruixudes amb un reflector¬†de tungst√® i un costat absorbent convertit en parada per una molla en menys d'1 segon.

Aliatges silver-indium-cadmium, generalment 80% Ag, 15% In, i 5% Cd, s√≥n un material de vareta de control com√ļ per a¬†reactors d'aigua pressuritzada. [8] Les regions d'absorci√≥ d'energia una mica diferents dels materials fan de l'aliatge un excel¬∑lent¬†amortidor de neutrons. T√© bona resist√®ncia mec√†nica i es pot fabricar f√†cilment. S'ha d'envasar en acer inoxidable per evitar la corrosi√≥ en aigua calenta.¬†[9] Tot i que l'indi √©s menys rar que la plata, √©s m√©s car.

Boron √©s un altre amortidor com√ļ de neutrons. A causa de les diferents seccions transversals¬†de 10B¬†i 11B, els materials que contenen bor enriquits¬†en 10B per¬†separaci√≥ isot√≤pica s'utilitzen amb freq√ľ√®ncia. L'ampli espectre d'absorci√≥ del bor tamb√© el fa adequat com a escut de neutrons. Les propietats mec√†niques del bor en la seva forma elemental s√≥n inadequades, i per tant s'han d'utilitzar aliatges o compostos. Les opcions comunes s√≥n l'acer¬†d'alta bor i¬†el carbur de bor. Aquest √ļltim s'utilitza com a material de vareta de control tant en PWRs com en BWRs.¬†10B/11B la separaci√≥ es realitza¬†comercialment amb centr√≠fugues de gas sobre BF3,per√≤ tamb√© es pot fer sobre BH3 de¬†la producci√≥ de borane o directament amb una centrifugaci√≥ de fusi√≥ optimitzada energ√®ticament, utilitzant la calor del bor acabat de separar per a la preescalfament.

Hafnium t√© excel¬∑lents propietats per a reactors que utilitzen aigua tant per a la moderaci√≥ com per al refredament. T√© bona resist√®ncia mec√†nica, es pot fabricar f√†cilment, i √©s resistent a la¬†corrosi√≥ en aigua calenta.¬†[10] L'hafnium es pot aliat amb altres¬†elements, per exemple, amb llauna i¬†oxigen per augmentar la resist√®ncia a la tracci√≥ i el creep,¬†amb ferro, cromi¬†niobi per a la resist√®ncia a la corrosi√≥, i¬†amb molibd√® per a la resist√®ncia al desgast, la duresa i la maquin√†ria. Aquests aliatges s√≥n designats com Hafaloy, Hafaloy-M, Hafaloy-N i Hafaloy-NM.¬†[11] L'alt cost i la baixa disponibilitat d'hafnium limiten el seu √ļs en reactors civils, encara que s'utilitza en alguns reactors¬†de la Marina dels Estats Units. El carbur d'hafnium tamb√© es pot utilitzar com un material insoluble amb un punt de fusi√≥ alt de 3890 ¬įC i densitat superior a la de di√≤xid d'urani per enfonsar-se, sense fondre, a trav√©s¬†del corium.

El titanat de dysprosium estava sent objecte d'avaluaci√≥ per a varetes de control d'aigua pressuritzades. El titanat de dysprosium √©s un reempla√ßament prometedor per aliatges Ag-In-Cd perqu√® t√© un punt de fusi√≥ molt m√©s alt, no tendeix a reaccionar amb materials de revestiment, √©s f√†cil de produir, no produeix residus radioactius, no s'infla i¬†no outgas. Va ser desenvolupat a R√ļssia i √©s recomanat per alguns per als reactors¬†VVER i RBMK. [12] Un desavantatge √©s menys l'absorci√≥ de titani i √≤xid, que altres elements absorbents de neutrons no reaccionen amb els ja alts materials de revestiment de punt de fusi√≥ i que nom√©s utilitzant el contingut no mesurat amb disprosi dins de minerals com Keiviit Yb dins del crom, sic o tubs c11B15N ofereixen un preu superior i absorci√≥ sense inflor i outgassing.

Hafnium diboride és un altre material d'aquest tipus. Es pot utilitzar sol o en una barreja sinteritzat d'hafnium i pols de carbur de bor. [13] [13]

Es poden utilitzar molts altres compostos d'elements de terres rares, com el samari amb¬†europium i boride de samari,que ja s'utilitza en la ind√ļstria del color.¬†[14] Compostos menys absortius de bor similars al titani, per√≤ barats,¬†com el molibd√® com el Mo2B5. At√®s que tots s'inflen amb bor, a la pr√†ctica altres compostos s√≥n millors, com ara carburs, etc., o compostos amb dos o m√©s elements absorbents per neutrons junts. √Čs important que¬†el tungst√®, i probablement tamb√© altres elements¬†com el t√†ntal,[15] tenen les mateixes qualitats de captura altes¬†que l'hafnium,[16] per√≤ amb l'efecte contrari. Aix√≤ no √©s explicable nom√©s per la reflexi√≥ de neutrons. Una explicaci√≥ √≤bvia s√≥n els raigs gamma de resson√†ncia augmentant la relaci√≥ de fissi√≥ i cria enfront de causar m√©s captura d'urani, etc. sobre¬†condicions metastables com¬†per is√≤tops¬†235mU, que t√© una vida mitjana d'uns 26 min.

Mitjans addicionals de regulació de la reactivitat

Altres mitjans de control de la reactivitat inclouen (per a PWR) un amortidor de neutrons soluble(√†cid b√≤ric)afegit al refrigerant del reactor, permetent l'extracci√≥ completa de les barres de control durant l'operaci√≥ d'energia estacion√†ria, assegurant una distribuci√≥ uniforme de pot√®ncia i flux sobre tot el nucli. Aquest¬†shim qu√≠mic,juntament amb l'√ļs de verins de neutrons cremables dins dels pellets de combustible, s'utilitza per ajudar a la regulaci√≥ de la reactivitat a llarg termini del nucli,mentre que les varetes de control s'utilitzen per a canvis r√†pids de pot√®ncia del reactor (per exemple, tancament i posada en marxa). Els operadors de BWRs utilitzen el flux de refrigerant a trav√©s del nucli per controlar la reactivitat variant la velocitat de les bombes de recirculaci√≥ del reactor (un augment del flux de refrigerant a trav√©s del nucli millora l'eliminaci√≥ de bombolles de vapor, augmentant aix√≠ la densitat del refrigerant /moderador,augmentant la pot√®ncia).

Seguretat

En la majoria dels dissenys del reactor, com a mesura deseguretat, les barres de control s'uneixen a la maquinària d'elevació per electroimants,en lloc de la vinculació mecànica directa. Això significa que en cas d'avaria elèctrica, o si s'invoca manualment a causa de la fallada de la maquinària d'elevació, les barres de control cauen automàticament, sota gravetat, tot el camí a la pila per aturar la reacció. Una excepció notable a aquest mode d'operació no segur és la BWR, que requereix inserció hidràulica en cas d'apagada d'emergència, utilitzant aigua d'un tanc especial sota alta pressió. Ràpidament tancar un reactor d'aquesta manera es diu scramming.

Prevenció d'accidents de crítics

La mala gesti√≥ o el frac√†s de la vareta de control sovint han estat culpats¬†d'accidents nuclears, incloent l'explosi√≥ sl-1 i el desastre de Txern√≤bil.¬†Els amortidors homogenis de neutrons s'han utilitzat sovint per¬†gestionar accidents de cr√≠tics que impliquen¬†solucions aq√ľes de metalls p√≤ssils. En diversos d'aquests accidents,¬†ja sigui borax (¬†boratede sodi ) o un compost de cadmi s'ha afegit al sistema. El cadmi es pot afegir com un metall a solucions¬†d'√†cid n√≠tric de material fissil; la corrosi√≥ del cadmi en l'√†cid generar√† nitrat de¬†cadmi in situ.

En reactors refrigeratsper diòxid de carboni com l'AGR,si les varetes de control sòlid no aconsegueixen aturar la reacció nuclear, el gas nitrogen es pot injectar en el cicle de refrigerant primari. Això es deu al fet que el nitrogen té una secció transversal d'absorció més gran per als neutrons que el carboni o l'oxigen; per tant, el nucli es torna menys reactiu.

A mesura que augmenta l'energia dels neutrons, la secció transversal de neutrons de la majoria dels isòtops disminueix. L'isòtop bor 10B és responsable de la majoria de l'absorció de neutrons. Els materials que contenen bor també es poden utilitzar com a blindatge de neutrons, per reduir l'activació de material prop d'un nucli de reactor.

Vegeu també

Referències

  1. ^ dades d'ytterbium (n.gamma) amb base de dades japonesa o russa
  2. ^ limitat a utilitzar només en reactors de recerca a causa de l'augment de la inflamació de l'heli i el liti a causa de l'absorció de neutrons de bor en la reacció (n, alfa)
  3. ^ injectat en D2O moderador del reactor CANDU avançat
  4. ^ Sairam K, Vishwanadh B, Sonber JK, et al.¬†Compet√®ncia entre la densificaci√≥ i el desenvolupament de microestructura durant l'interitzaci√≥ de plasma espurna de B4C-Eu2O3. J Am Ceram Soc. 2017;00:1‚Äď11.¬†https://doi.org/10.1111/jace.15376
  5. ^ Antoni Monterrosa; Anagha Iyengar; Alan Huynh; Chanddeep Madaan (2012). "Ús i control de Boron en PWRs i FHRs" (PDF).
  6. ^ Harvey M. Buck, Mark A. Cooper, Petr Cerny, Joel D. Grice, Frank C. Hawthorne:¬†Xenotime-(Yb), YbPO4,una nova esp√®cie mineral del grup pegmatite del llac Shatford, al sud-est de Manitoba, Canad√†. A:¬†Mineralogist canadenc. 1999, 37, S. 1303‚Äď1306 (Resum en Mineraloquista Americana, S. 1324; Pdf
  7. ^ A. V. Voloshin, Ja. A. Pakhomovsky, F. N. Tyusheva:¬†Keiviite Yb2Si2O7, Un nou silicat ytterbium de pegmatites amaz√≤nics de la pen√≠nsula de Kola. A:¬†Mineralog. El zhurnal. 1983, 5-5, S. 94‚Äď99 (Resum en Mineraloquista Americana, 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). "El comportament de la vareta de control d'indi-cadmi de plata durant un accident de reactor greu". Ukaea establiment d'energia atòmica.
  9. ^ "MATERIALS DE CONTROL". web.mit.edu. [Consulta: 2 juny 2015].
  10. ^ "Materials de control". Web.mit.edu. [Consulta: 14 agost 2010].
  11. ^ "Aliatges d'hafnium com a amortidors de neutrons".¬†Patents gratu√Įtes en l√≠nia. Arxivat de¬†l'original el 12 octubre 2008.¬†[Consulta: 25 setembre 2008].
  12. ^ ‚ÜϬęDysprosium (Z=66)¬Ľ (en angl√®s). Everything-Science.com web.[Consulta: 25 setembre 2008].
  13. ^ "M√®tode per a la fabricaci√≥ de material absorbent de neutrons".¬†Patents gratu√Įtes en l√≠nia. [Consulta: 25 setembre 2008].
  14. ^ "Infrarotabsorbierende Druckfarben - Dokument DE102008049595A1". Patent-de.com. 30-09-2008. [Consulta: 22 març 2014].
  15. ^ "Sigma Plots". Nndc.bnl.gov. [Consulta: 22 març 2014].
  16. ^ "Sigma taula periòdica navegar". Nndc.bnl.gov. 25-01-2007. [Consulta: 22 març 2014].
  17. ^ "Àcid bòric enriquit per reactors d'aigua pressuritzada" (PDF). Corporació EaglePicher. Arxivat de l'original el 29 novembre 2007. [Consulta: 25 setembre 2008].

Enllaços externs

Lectures addicionals




versió per imprimir

Comentaris publicats

    Afegeix-hi un comentari:

    Nom a mostrar:
    E-mail:
    Genera una nova imatge
    Introdu√Įu el codi de seguretat
    Accepto les condicions d'ús següents:

    Per a participar en els comentaris l'usuari es compromet a complir i acceptar les següents normes bàsiques de conducta:

    • Respectar les opinions de la resta dels participants al fòrum, tot i no compartir-les necessàriament.
    • Abstenir-se d'insultar o utilitzar un llenguatge ofensiu, racista, violent o xenòfob, i no tenir cap conducta contrària a la legislació vigent i a l'ordre públic.
    • No enviar cap contingut amb copyright sense el permís del propietari. Si es considera oportú facilitar continguts d'internet amb copyright, cal escriure la URL completa perquè els altres usuaris puguin enllaçar-hi i descarregar-se els continguts des de la pàgina propietària.
    • Publicitat: No es permet enviar continguts promocionals i/o publicitaris.