Kärnkraftssäkerhet

Kärnkraftssäkerhet är ett område inom kärnteknik som är dedikerat till att förebygga kärnkraftsolyckor och strålningsolyckor till följd av en oavsiktlig, självförsörjande kärnkedjereaktion .

Kärnkraftssäkerhet handlar om att mildra konsekvenserna av en kärnkraftsolycka . En kärnkraftsolycka inträffar från operationer som involverar klyvbart material och resulterar i ett plötsligt och potentiellt dödligt utsläpp av strålning .

Utövare av kärnkraftssäkerhet försöker förhindra kärnkraftsolyckor genom att analysera normala och trovärdiga onormala förhållanden i klyvbart material och utforma säkra arrangemang för bearbetning av klyvbart material. En vanlig praxis är att tillämpa en dubbel beredskapsanalys på operationen där två eller flera oberoende, samtidiga och osannolika förändringar i processförhållandena måste inträffa innan en kärnkraftsolycka kan inträffa. Till exempel kan den första förändringen i förhållandena vara fullständig eller partiell översvämning och den andra förändringen en omarrangering av det klyvbara materialet.

Kontroller (krav) på processparametrar (t.ex. klyvbart material, utrustning) resulterar från denna analys. Dessa kontroller, antingen passiva (fysiska), aktiva (mekaniska) eller administrativa (mänskliga), implementeras av naturligt säkra eller feltoleranta anläggningskonstruktioner, eller, om sådana konstruktioner inte är genomförbara, av administrativa kontroller såsom driftprocedurer, jobb instruktioner och andra sätt att minimera risken för betydande processförändringar som kan leda till en kärnkraftsolycka.

Principer

Den ihåliga ringformen hos detta plutoniumgöt gynnar neutronläckage och minskar därmed sannolikheten för kritik.

Som en förenklad analys kommer ett system att vara exakt kritiskt om hastigheten för neutronproduktion från fission är exakt balanserad av den hastighet med vilken neutroner antingen absorberas eller förloras från systemet på grund av läckage. Säkert subkritiska system kan utformas genom att säkerställa att den potentiella kombinerade absorptions- och läckagehastigheten alltid överstiger den potentiella hastigheten för neutronproduktion.

Parametrarna som påverkar systemets kriticitet kan komma ihåg genom att använda den mnemoniska MAGICMERV . Vissa dessa parametrar är inte oberoende av varandra; till exempel kommer en förändring av massa att resultera i en förändring av volymen bland andra.

M ass : Sannolikheten för fission ökar när det totala antalet klyvbara kärnor ökar. Förhållandet är inte linjärt. Om en klyvbar kropp har en given storlek och form men varierande densitet och massa, finns det en tröskel under vilken kritikalitet inte kan inträffa. Denna tröskel kallas den kritiska massan .

A bsorption : Absorption tar bort neutroner från systemet. Stora mängder absorbatorer används för att kontrollera eller minska sannolikheten för en kritikalitet. Bra absorbatorer är bor , kadmium , gadolinium , silver och indium .

G eometri/form : Formen på det klyvbara systemet påverkar hur lätt neutroner kan fly (läcka ut) från det, i så fall är de inte tillgängliga för att orsaka klyvningshändelser i det klyvbara materialet. Därför påverkar formen på det klyvbara materialet sannolikheten för att klyvningshändelser inträffar. En form med stor yta, som en tunn platta, gynnar läckage och är säkrare än samma mängd klyvbart material i en liten, kompakt form som en kub eller sfär.

I nteraktion mellan enheter : Neutroner som läcker från en enhet kan komma in i en annan. Två enheter, som i sig är underkritiska, skulle kunna interagera med varandra för att bilda ett kritiskt system. Avståndet mellan enheterna och eventuellt material mellan dem påverkar effekten.

Koncentration /densitet : Neutronreaktioner som leder till spridnings-, infångnings- eller fissionsreaktioner är mer benägna att inträffa i täta material; omvänt är det mer sannolikt att neutroner flyr ut (läcker) från material med låg densitet.

M oration : Neutroner som härrör från fission är vanligtvis snabba (hög energi). Dessa snabba neutroner orsakar inte fission lika lätt som långsammare (mindre energiska) sådana. Neutroner bromsas ( modereras ) genom kollision med atomkärnor. De mest effektiva modererande kärnorna är väte, deuterium , beryllium och kol. Därför är vätehaltiga material inklusive olja, polyeten, vatten, trä, paraffin och människokroppen bra moderatorer. Observera att måttlighet kommer från kollisioner; därför är de flesta moderatorer också bra reflektorer.

E nrichment : Sannolikheten för att en neutron reagerar med en klyvbar kärna påverkas av det relativa antalet klyvbara och icke-klyvbara kärnor i ett system. Processen att öka det relativa antalet klyvbara kärnor i ett system kallas anrikning . Vanligtvis betyder låg anrikning mindre sannolikhet för en kritikalitet och hög anrikning betyder större sannolikhet.

R eflektion : När neutroner kolliderar med andra atompartiklar (främst kärnor) och inte absorberas sprids de (dvs de ändrar riktning). Om riktningsändringen är tillräckligt stor, kan neutroner som just har rymt från en klyvbar kropp avböjas tillbaka in i den, vilket ökar sannolikheten för klyvning. Detta kallas "reflektion". Bra reflektorer inkluderar väte, beryllium , kol, bly, uran, vatten, polyeten, betong, volframkarbid och stål.

Volym . : För en kropp av klyvbart material i någon given form ökar en ökning av kroppens storlek det genomsnittliga avståndet som neutroner måste färdas innan de kan nå ytan och fly Att öka kroppens storlek ökar därför sannolikheten för fission och minskar sannolikheten för läckage. För varje given form (och reflektionsförhållanden - se nedan) kommer det därför att finnas en storlek som ger en exakt balans mellan hastigheten för neutronproduktion och den kombinerade hastigheten för absorption och läckage. Detta är den kritiska storleken.

Andra parametrar inkluderar:

Temperatur : Denna speciella parameter är mindre vanlig för kritiska säkerhetsutövare, som i en typisk driftsmiljö, där variationen i temperatur är minimal, eller där ökningen i temperatur inte negativt påverkar systemets kriticitet, antas det ofta den rumstempererade gränsen för den faktiska temperaturen i systemet som analyseras. Detta är dock bara ett antagande, det är viktigt för den kritiska säkerhetsutövaren att förstå var detta inte gäller, såsom högtemperaturreaktorer eller lågtemperaturkryogena experiment.

Heterogenitet : Blandning av klyvbart pulver i lösning, malning av pulver eller skrot eller andra processer som påverkar den småskaliga strukturen hos klyvbara material är viktigt. Även om det normalt kallas heterogenitetskontroll, är problemet generellt att bibehålla homogenitet eftersom det homogena fallet vanligtvis är mindre reaktivt. Speciellt vid lägre anrikning kan ett system vara mer reaktivt i en heterogen konfiguration jämfört med en homogen konfiguration.

Fysikalisk-kemisk form : Består av att kontrollera det fysiska tillståndet (dvs. fast, flytande eller gas) och form (t.ex. lösning, pulver, gröna eller sintrade pellets eller metall) och/eller kemisk sammansättning (t.ex. uranhexafluorid, uranylfluorid, plutoniumnitrat eller blandad oxid) av ett visst klyvbart material. Den fysikalisk-kemiska formen kan indirekt påverka andra parametrar, såsom densitet, måttlighet och neutronabsorption.

Beräkningar och analyser

För att avgöra om ett givet system som innehåller klyvbart material är säkert måste dess neutronbalans beräknas. I alla utom mycket enkla fall kräver detta vanligtvis användning av datorprogram för att modellera systemets geometri och dess materialegenskaper.

Analytikern beskriver geometrin hos systemet och materialen, vanligtvis med konservativa eller pessimistiska antaganden. Densiteten och storleken på alla neutronabsorbatorer minimeras samtidigt som mängden klyvbart material maximeras. Eftersom vissa moderatorer också absorberar, måste analytikern vara försiktig när han modellerar dessa för att vara pessimistiska. Datorkoder tillåter analytiker att beskriva ett tredimensionellt system med randvillkor. Dessa gränsvillkor kan representera verkliga gränser såsom betongväggar eller ytan av en damm, eller kan användas för att representera ett konstgjort oändligt system med hjälp av ett periodiskt gränsvillkor. Dessa är användbara när du representerar ett stort system som består av många upprepade enheter.

Datorkoder som används för kritiska säkerhetsanalyser inkluderar OPENMC (MIT), COG (US), MONK (UK), SCALE/KENO (US), MCNP (US) och CRISTAL (Frankrike).

Burnup kredit

Traditionella kritikalitetsanalyser antar att det klyvbara materialet är i sitt mest reaktiva tillstånd, vilket vanligtvis är vid maximal anrikning , utan bestrålning. För av använt kärnbränsle kan utbränningskredit användas för att bränslet ska kunna packas tätare, minska utrymmet och möjliggöra att mer bränsle kan hanteras på ett säkert sätt. För att implementera utbränningskredit modelleras bränsle som bestrålat med pessimistiska förhållanden som ger en isotopsammansättning representativ för allt bestrålat bränsle. Bränslebestrålning producerar aktinider som består av både neutronabsorbatorer och klyvbara isotoper samt klyvningsprodukter som absorberar neutroner .

I bränslelagringspooler som använder utbränningskredit är separata regioner utformade för lagring av färskt och bestrålat bränsle. För att lagra bränsle i det bestrålade bränslelagret måste det uppfylla en belastningskurva som är beroende av initial anrikning och bestrålning.

Se även

• Kritisk massa
• Kritikolycka
• Nukleära och strålningsolyckor och incidenter
• World Association of Nuclear Operators