Neutronen reflektierende Materialien in Kernreaktoren

Bei Überhitzung und Schmelzen des Kerns dürfen die Steuerstäbe nicht mehr eingeführt werden, was zu einer Katastrophe führt.

Ich muss einwerfen, dass es etwas komplizierter ist, obwohl ich die Leute gerne davon abhalten möchte, zu denken, dass ein Reaktor ein super kompliziertes System ist. Es ist nicht super kompliziert, es ist nur ein High-Order-System. Die Temperatur des Brennstoffs ist proportional zum Wärmeinhalt des Brennstoffs. Wenn Sie mehr Wärme hineingeben, steigt die Temperatur. Aber das macht die Leistung zur Ableitung der Temperatur. Wenn die thermische Wärmeerzeugungsrate gleich der Entfernungsrate ist, ändert sich die Temperatur in keiner Weise. Aber wenn es nicht ausgeglichen ist, ist die Leistung die Ableitung der Temperatur. Unser Ziel ist es immer, die Temperatur niedrig zu halten, damit nichts davon schmilzt.

Das ist der Grund, warum Reaktivität Menschen aus der Fassung bringt. Reaktivität ist die Ableitung der Leistung über Neutronenflussniveaus. Wenn die Reaktivität ausgeglichen ist, bleibt der Neutronenfluss konstant, wenn nicht, ändert er sich im Laufe der Zeit geometrisch (damit meine ich, dass er sich prozentual ändert, etwa 10% pro Minute). Das bedeutet, dass die Reaktivität die 2. Ableitung der Temperatur ist.

Als ob das nicht genug wäre, hinterlässt Zerfallswärme eine konstante Wärmequelle, auch nachdem die Kettenreaktion abgeschaltet wurde. Wenn Sie die Dinge sicher abschalten können, brauchen Sie einen Weg, durch den die Hitze entweichen kann. Wenn Sie sich immer noch Sorgen um die Kritikalität machen, dann haben Sie zwei Ziele, und manchmal arbeiten sie gegeneinander. Dies ist im Allgemeinen der Punkt, an dem die Leute anfangen zu schreien: „Rufen Sie die Nuklearingenieure herein!“

Eine unterkritische Masse kann kritisch gemacht werden, indem rundherum neutronenreflektierendes Material angeordnet wird. Meine Frage ist also, warum Kernreaktoren nicht mit dieser Art von reflektierender Abschirmung anstelle von Steuerstäben betrieben werden?

Ja, natürlich so:

Sie können die dort beschriftete Reflector-Steuerung sehen. Das ist ein Stück Neutronenreflektor, der sich auf und ab bewegen kann. Der Kernkern ist von einem Ende zum anderen bunt.

Der Abbrand von Kernbrennstoff ist ein anderes Konzept, aber bitte lassen Sie sich auch davon nicht abschrecken. Der Abbrand erfolgt nur über einen langen Zeitraum, da der Kernbrennstoff insgesamt viel Energie enthält. Wenn wir weiter Atome spalten, werden uns irgendwann die Atome ausgehen, die spalten können. In Bezug auf unser mentales Bild fügt dies negative Reaktivität ein. Der Reflektor fügt positive Reaktivität ein. Um den Reaktor zu starten, können Sie den Reflektor in Position bringen und er beginnt zu brennen. Aber mit der Zeit wird der Teil des Reaktors, in den Sie ihn gebracht haben, ausfallen. An diesem Punkt bewegen Sie das Spiegelbild ein wenig weiter entlang des Kerns, und dann erwacht neuer Brennstoff zum Leben.

Dies ist ein "Kerzen" -Typ, aber das ist nicht exklusiv für reflektorgesteuerte Reaktoren. Es gibt auch Steuertrommeln. Das sind große Zylinder, die an der Seite des Reaktors sitzen, die auf der einen Seite Neutronenreflektoren enthalten und auf der anderen Seite etwas, das Neutronen entweder nicht reflektiert oder auf der anderen Seite frisst. Der einzige Unterschied besteht darin, dass der Reflektor dadurch nicht nach oben oder unten, sondern zur Seite bewegt wird. Alles ist ziemlich physikalisch offensichtlich. Sie könnten ein praktikables Steuersystem mit jeder erdenklichen Art und Weise erstellen, um den Reflektor an Ort und Stelle zu bewegen.

Der Schild könnte so ausgelegt werden, dass er eine maximale Temperatur unterstützt, bevor er zusammenbricht/brennt/schmilzt, wodurch der Reaktor automatisch auf völlig passive Weise weit von der Kritikalität entfernt wird.

Natürlich möchten wir, dass so etwas passiert, aber es ist ein wenig vage, wie Sie es bisher vorgeschlagen haben. In dem Bild, das ich oben gepostet habe, planten sie sehr wahrscheinlich eine Überhitzung, um den Moderatorring fallen zu lassen.

In der Praxis werden sie konservativer sein als ausfallsicher zu entwerfen, wenn die Temperatur außer Kontrolle gerät. Wenn sie dem Reaktor kein aktives Steuersignal mehr zuführen können, lässt er die Steuerelemente fallen, um ihn abzuschalten. Dies wird tatsächlich mit Steuerstäben durchgeführt, aber es würde im Grunde genauso mit einem sich bewegenden Reflektor funktionieren, außer dass sich die Steuerstäbe hineinbewegen, der Reflektor sich herausbewegt, um den Reaktor abzuschalten.

Zusammenfassend: "Ja, sicher"

Die Sicherheitsbedenken für einen Kernreaktor bestehen darin, Zerfallswärme abzuführen, um ein Schmelzen des Reaktorkerns zu verhindern, nicht eine außer Kontrolle geratene Kernreaktion. Zerfallswärme entsteht durch radioaktiven Zerfall der Spaltprodukte und kann nicht durch Steuerstäbe oder andere Prozesse gestoppt werden. Die Zerfallswärme beträgt etwa 5 % der vollen Reaktorleistung, wenn der Spaltungsprozess beendet ist. (Nebenbei bemerkt würde ein Reflektor Neutronen zurück in den Kern reflektieren.)

Die Größe des Kerns spielt eine große Rolle bei der Möglichkeit, einen Reaktor durch Reflexion zu steuern. In kleinen Kernen ist die Oberfläche im Verhältnis zum Volumen groß, was in Abwesenheit eines Reflektors zu einem hohen Neutronenaustritt aus dem Kern führt. Mit zunehmender Kerngröße nimmt das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ab, was in einem nicht reflektierten System den Anteil der Neutronen verringert, die aus dem Kern strömen. Dies bedeutet, dass das Hinzufügen eines Reflektors zu einem kleinen Kern die Reaktivität erheblich erhöht, während das Hinzufügen eines Reflektors zu einem großen Kern nur zu einer geringfügigen Erhöhung der Reaktivität führt. Daraus folgt, dass Reflexionsänderungen größere entsprechende Reaktivitätsänderungen in kleinen Kernen mit Leckage verursachen als in großen Kernen mit geringer Leckage.

Zusammenfassung : Die Verwendung von beweglichen Neutronenreflektoren ermöglicht zwar die Steuerung des Reaktors, aber (zumindest historisch) war eine solche Designwahl nicht die beste für die zivile Stromerzeugung, sondern wurde für (Prototypen von) nuklearen Weltraumantrieben verwendet.

Aus einer Neutronentransportgleichung können wir die Rolle verschiedener Materialien für das Reaktorsteuerungssystem zusammenfassen. Neutronenabsorbermaterialien ändern den gesamten Neutronenfluss an einem bestimmten Punkt. Neutronenmoderatoren verändern die Energieverteilung von Neutronen. Neutronenreflektormaterialien ändern (idealerweise) nicht die absolute Größe des Neutronenflusses und seine Energieverteilung an einem gegebenen Punkt, sondern modifizieren nur seine Richtungsverteilung. Dies alles bedeutet, dass die Verwendung eines Reflektors zur Steuerung eines Reaktors ein zu feiner Steuerungsgrad sein kann, um als Hauptsteuerungssystem wirklich praktisch zu sein.

Darüber hinaus bedeutet Ihr Vorschlag, eine reflektierende Neutronenabschirmung zu verwenden, im Wesentlichen zu versuchen, den Neutronentransport nur durch Randbedingungen zu steuern, was keine gute Sache ist. Zumindest sollte es nicht das einzige Mittel zur Kontrolle sein. Außerdem ist das Verschieben solcher Reflektoren (die einen beträchtlichen Teil des gesamten Reaktors umhüllen müssen) für Großreaktoren mechanisch viel komplexer (und störanfälliger) als das Bewegen einiger Stäbe.

Der dritte Punkt ist, dass das Vertrauen auf Reflektormaterialien zur Steuerung viel genauere Computermodelle erfordern würde, als sie vor einigen Jahrzehnten verfügbar waren (als die meisten, wenn nicht alle derzeit in Produktion befindlichen Reaktordesigns entwickelt wurden).

Trotzdem gab es sowohl für NERVA als auch für den sowjetischen RD-0410 Reaktorentwürfe (für Atomraketenreaktoren) , die Steuerzylinder mit Neutronenreflektor und Absorber enthielten. Durch Drehen variierte die gesamte reflektierende Oberfläche und regulierte die Ausgangsleistung.

Zusatz : Das Design eines kleinen, abgedichteten, transportablen, autonomen Reaktors ( SSTAR ) verwendet eine bewegliche Neutronenreflektorsteuerung. Der Reflektor bewegte sich langsam entlang der Kraftstoffsäule, bewegte den kritischen Bereich und erreichte eine Lebensdauer von 30 Jahren ohne Auftanken.