Bent Lauritzen Risø DTU

Præsentationer af emnet: "Bent Lauritzen Risø DTU"— Præsentationens transcript:

1 Bent Lauritzen Risø DTU
Fission og kernekraft Bent Lauritzen Risø DTU

2 Radioaktivt henfald, fission Kædereaktion og kritikalitet
Overview Atomer og kerner Radioaktivt henfald, fission Kædereaktion og kritikalitet Neutronregnskab Reaktorer 2 2

3 Elektroner (negative) Ladning Masse Energi Proton +e 2 × 10-27 kg
Atomer og kerner Elektroner (negative) 10-10 m 10-14 m Ladning Masse Energi Proton +e 2 × kg 938 MeV Neutron 939 MeV Elektron -e 1 × kg 0.511 MeV Atomkerne Neutron (elektrisk neutral) Proton (positivt elektrisk ladet) 3 3

4 Atomer og kerner Antal protoner Navn Symbol 1 brint H 2 helium He 26
jern Fe 47 sølv Ag 92 uran U Isotoper Brint, stabil, 1H Deuterium (D), stabil, 2H Tritium (T), ustabil, 3H proton neutron

5 Nuklidkortet Atomkernerne Antal protoner (Z) Antal neutroner (N)

6 Z=N 235U

7 Radioaktivt henfald, fission
Reaktion Stråling a (alfa) (Z,N) (Z-2,N-2) helium kerne b- (beta –) (Z,N) (Z+1,N-1) elektron b+ (beta +) (Z,N) (Z-1,N+1) positron g (gamma) (Z,N) (Z,N) gamma foton a b+ b-

8 Uranium series a b

9 Stabilitet af kerner Nuclear and Coulomb forces

10 Bindingsenergi

11 Fission og fusion Nuclear binding energy n U Fission D T He n Fusion

12 Fission and fusion processes
Nuclear binding energy n n U Fission Binding energy:

13 Fission and fusion processes
Nuclear binding energy D T He n Fusion

14 Fission and fusion processes
Mass per nucleon D T He n n U Fusion Fission

15 Energy released in fission of U-235
235U + n  144Ba + 90Kr + 2n MeV Fission energy: Fossil fuel: C + O2  CO eV

16 Energy released in fission
MeV Kinetic energy of fission fragments 168 Prompt gamma radiation 5 Kinetic energy of fission neutrons Beta decay of fission products 7 Gamma decay of fission products 6 Neutrinos 11 Total 202

17 Energy released in fission
Energi MeV Kinetisk energi af fragmenter 165 Prompte neutroner 5 Prompt gammastråling 7 Radioaktivt henfald 25 Total 202

18 Z=N 235U

19 Opgave: Fission af 1g U-235 Ved fission af et uran-235 atom frigøres ca. 200 MeV. Hvor mange MWd (mega-watt døgn) termisk energi fås ved spaltning af 1g 235U?

20 Kædereaktion og kritikalitet

21 Fissionstværsnit

22 Kædeproces DD

23 Nuclear chain reaction
Effective multiplication factor (keff): No. fission neutrons in one generation / neutrons in previous generation keff < 1 subcritical keff = 1 critical keff > 1 supercritical Neutron economy: neutron leakage fission and non-fission cross sections lp = time between generations Safe reactor operation: keff < 1.001

24 Nuclear chain reaction
Effective multiplication factor (keff): No. fission neutrons in one generation / neutrons in previous generation keff < 1 subcritical keff = 1 critical keff > 1 supercritical Start up : keff > 1 Safe reactor operation: keff < 1.001

25 no. of neutrons per fission fission vs. non-fission cross sections
Neutronregnskab Neutron economy: no. of neutrons per fission fission vs. non-fission cross sections neutron leakage

26 Fission cross section – 235U

27 Fission cross section – 238U

28 Nuclear chain reaction
Kædereaktion (kritikalitet) er ikke mulig i naturligt uran (0.7% 235U) Men er mulig med Hurtige neutroner, 10-20% beriget uran Moderator (H2O, D2O, grafit), termiske neutroner og naturligt/svagt beriget uran

29 Nedbremsning, indfangning
Neutron-regnskab Hurtig fission e Nedbremsning, indfangning p Absorption i brændsel f Fission h

30 Neutron-regnskab

31 Reaktor kontrol Antal neutroner Prompte neutroner Forsinkede neutroner

32 lp = time between generations
Reaktor kontrol Antal neutroner Prompte neutroner Reaktoren kan ikke kontrolleres af mennesker! lp = time between generations

33 Reaktor kontrol Antal neutroner Forsinkede neutroner Reaktoren kan kontrolleres!

34 n + 235U  fission fragments + n + n + …
Formeringsreaktorer Fuel breeding: Neutron yield (h): No. produced neutrons per captured thermal neutron n + 235U  fission fragments + n + n + … n + 238U  239U  239Pa  239Pu Nuclide 233U 235U 239Pu Nat. uran. h 2.28 2.05 2.09 1.3

35  Fast neutrons needed for breeder reactors
η for 233U, 235U og 239Pu 233U 235U 239Pu  Fast neutrons needed for breeder reactors

36 Back Reaktorer

37 Vigtige reaktorkomponenter
Reaktortank: brændsel (235U, 239Pu..) moderator (vand, grafit, tungt vand) kølemiddel (vand, gas, Na) kontrolstænger (bor, Cd, Hf) Afskærmning (beton, jern, bly, vand) Reaktorindeslutning (stål, beton)

38 Nuclear reactors by type
Thermal (LWR, HWR, GCR) Fast (FBR, LMFBR) Fuel 3-5% U-235 Pu-239 10-20% U-235 Th U-233 Moderator H2O, D2O Graphite __ Coolant CO2, He Liquid metals, metal alloys

39 Boiling Water Reactor - BWR

40 Pressurized Water Reactor - PWR