دانشگاه آزاد اسلامي
واحد ارسنجان
دانشکده فني و مهندسي ،گروه مهندسي هسته اي
پايان نامه براي دريافت درجه کارشناسي ارشد (M.Sc.)
گرايش : راکتور
عنوان پايان نامه:
تأثير آسيب ديدگي ميله سوخت بر روند پيشرفت حوادث سنگين
استاد راهنما:
جناب آقاي دکتر کاووس عباسي
استاد مشاور:
جناب آقاي دکتر کيومرث کمالي مقدم
نگارش:
محمدرضا نعيمي
تابستان 1393
دانشگاه آزاد اسلامي
واحد ارسنجان
دانشکده فني و مهندسي ،گروه مهندسي هسته اي
پايان نامه براي دريافت درجه کارشناسي ارشد (M.Sc.)
گرايش : راکتور
عنوان پايان نامه:
تأثير آسيب ديدگي ميله سوخت بر روند پيشرفت حوادث سنگين
نگارش: محمدرضا نعيمي
ارزيابي وتصويب شده توسط کميته داوران پايان نامه با درجه بسيار خوب
امضاء اعضا کميته پايان نامه
دکتر کاووس عباسي (استاد راهنما)
دکتر کيومرث کمالي مقدم (استاد مشاور)
دکتر حبيب صفي قلي (استاد داور)

مدير گروه تحصيلات تكميلي معاون پژوهش و فن آوري دانشگاه
نام و نام خانوادگي: ……………………… نام و نام خانوادگي: ………………………..
تابستان 1393
تعهدنامه اصالت پايان‌نامه كارشناسي ارشد دانشگاه آزاد اسلامي
اينجانب محمدرضا نعيمي دانش‌آموخته مقطع كارشناسي ارشد ناپيوسته در رشته فيزيک هسته اي – گرايش راکتور كه در تاريخ 27/06/1393 از پايان‌نامه / رساله خود تحت عنوان ” تأثير آسيب ديدگي ميله سوخت بر روند پيشرفت حوادث سنگين ” با كسب نمره 17 و درجه بسيار خوب دفاع نموده‌ام بدينوسيله متعهد مي‌شوم :
1 – اين پايان‌نامه / رساله حاصل تحقيق و پژوهش انجام شده توسط اينجانب بوده و در مواردي كه از دستاوردهاي علمي و پژوهشي ديگران (اعم از پايان‌نامه، كتاب، مقاله و ……….) استفاده نموده‌ام، مطابق ضوابط و رويه موجود، نام منبع مورد استفاده و ساير مشخصات آن را در فهرست مربوطه ذكر و درج كرده‌ام.
2 – اين پايان‌نامه/ رساله قبلاً براي دريافت هيچ مدرك تحصيلي (هم سطح، پايين‌تر يا بالاتر) در ساير دانشگاه‌ها و مؤسسات آموزش عالي ارائه نشده است.
3- چنانچه بعد از فراغت از تحصيل، قصد استفاده و هرگونه بهره‌برداري اعم چاپ كتاب، ثبت اختراع، و… از اين پايان‌نامه را داشته باشم، از حوزه معاونت پژوهشي واحد مجوزهاي مربوطه را اخذ نمايم.
4 – چنانچه در هر مقطع زماني خلاف موارد فوق ثابت شود، عواقب ناشي از آن را مي‌پذيرم و واحد دانشگاهي مجاز است با اينجانب مطابق ضوابط و مقررات رفتار نموده و در صورت ابطال مدرك تحصيلي‌ام هيچگونه ادعايي نخواهم داشت.
نام و نام خانوادگي
تاريخ و امضاء
تقديم به
اين اثر کوچک را نثار بزرگي هاي عزيزان دوگانه اي مي کنم که با ايثار جواني و توان خود به اين جايگاه رساندند:
مادر مهربانم
و
پدر بزرگوارم
همچنين تقديم به
همسر عزيزم
و
فرزند دلبندم
و برادران و خواهرانم و خانواده همسرم که زحمات اين دو سال بر دوش آنها بود.
سپاسگذاري
اکنون که با تأييد خداوند و در پرتو همراهي و حمايت استادان بزگوار راهنما و مشاور، جناب آقاي دکتر کاووس عباسي و جناب آقاي دکتر کيومرث کمالي مقدم کار تدوين و تکميل اين پايان نامه‏ي تحصيلي به پايان رسيده است، بر خود لازم ميدانم که پيش از همه از اين دو عزيز بزرگوار سپاسگزار باشم.
همچنين از مدير محترم گروه جناب آقاي مهندس احمد رحيمي ، کارشناسان و کارمندان گروه و دانشکده بخاطر زحمات و خدماتشان تشکر مي‏نماييم.
فهرست مطالب
عنوانصفحه
فصل اول: کليات2
1-1 مقدمه3
1-2 اجزاي مختلف راکتورهاي هسته‏اي4
1-3 راکتورهاي هسته اي قدرت8
1-4 انواع راکتور هاي قدرت9
1-4-1 راکتورهاي آب سبک9
1-4-2 راکتور آب تحت فشار10
1-4-3 راکتورهاي آب جوشان16
1-4-4 راکتور حرارتي گازي20
1-4-5 راکتور هاي زاينده سريع با فلز مايع(LMFBR/FBR)26
1-4-6 راکتور هاي خنک شونده با مواد آلي27
فصل دوم: مجتمع سوخت و المانهاي سوخت در راکتورهاي هسته‎اي28
2-1 مقدمه29
2-2 توصيف مجموعه سوخت31
2-3 ميله سوخت33
2-4 انتقال حرارت در فضاي خالي بين سوخت و غلاف35
2-5 غلاف36
2-6 مواد مورد استفاده در راکتور و غلاف راکتور37
2-7 مواد مناسب براي غلاف در راکتور38
2-8 تعريف حالات شکست ميله سوخت و محاسبات شکست40
2-9 پيشينه41
فصل سوم: روش تحقيق43
3-1 تاريخچه MCNP44
3-2 واکنش ها و داده هاي هسته اي44
3-3 مشخصات چشمه46
3-4 تالي و خروجي46
3-5 هندسه درMCNP47
3-6 پارامترهاي مهم MCNP47
3-7 صفحات بازتابنده48
3-7-1 صفحات و مرزهاي سفيد48
3-7-2 مرزهاي تناوبي149
3-8 چشمه و معيارهاي آن49
3-9 رسم نمودار تالي حين اجراي برنامه51
فصل چهارم: تجزيه و تحليل53
4-1 مقدمه54
4-2 شروع شبيه سازي54
4-3 نمودارهاي شار نوتروني و فوتوني ناشي از ميله ي سوخت بدون ترک56
4-3-1 تغييرات شار براي ترک به ابعاد ( 1/0 × 8/0 × 1/0 سانتي متر )59
4-3-2 تغييرات شار براي ترک به ابعاد ( 3/0 × 8/0 × 1/0 سانتي متر )61
4-3-3 تغييرات شار براي ترک به ابعاد ( 5/0 × 8/0 × 1/0 سانتي متر )63
4-3-4 تغييرات شار براي ترک به ابعاد ( 7/0 × 8/0 × 1/0 سانتي متر )65
4-3-5 تغييرات شار براي ترک به ابعاد ( 8/0 × 8/0 × 1/0 سانتي متر )67
4-3-6 تغييرات شار براي ترک به ابعاد ( 1 × 8/0 × 1/0 سانتي متر )69
4-4 بحث71
4-5 توان71
4-5-1 جدولها و نمودارهاي شار بر حسب انرژي73
4-5-2 جدولها و نمودارهاي شار بر حسب فاصله77
4-6 مشاهدات83
فصل پنجم : نتيجه گيري84
5-1 نتيجه گيري85
5-2 محدوديت ها85
5-3 پيشنهادات85
منابع86
فهرست جداول
عنوانصفحه
جدول 3-1) پارامترهاي مهم MCNP47
جدول 3-2) کارت هاي چشمه50
جدول 3-3) ثابت هاي مورد MCNP4C52
جدول 4-1) ابعاد قرص سوخت شبيه سازي شده54
جدول 4-5-1-1) شار نوتروني برحسب انرژي فواصل مختلف قرص سوخت بدون ترک فاصله (cm)a73
جدول 4-5-1-2) شار نوتروني برحسب انرژي فواصل مختلف قرص سوخت با ترک ( a ×8 /0×1/0 )74
جدول 4-5-1-3) شار فوتوني بر حسب انرژي فواصل مختلف براي قرص سوخت بدون ترک75
جدول 4-5-1-4) شار فوتوني برحسب انرژي فواصل مختلف قرص سوخت با ترک ( a ×8 /0×1/0 )76
جدول 4-5-2-1) شار خروجي نوتروني برحسب فاصله با ترک به ابعاد ( a ×8 /0×1/0 )77
جدول 4-5-2-2) شار خروجي نوتروني برحسب فاصله با ترک در مجتمع سوخت ( a ×8 /0×1/0 )78
جدول 4 -5-2-3) شار خروجي نوتروني برحسب فاصله در مجتمع سوخت ( a ×8 /0×1/0 )79
جدول 4 -5-2-4) شار خروجي فوتوني برحسب فاصله با ترک به ابعاد ( a ×8 /0×1/0 )80
جدول 4 -5-2-5) شار خروجي فوتوني برحسب فاصله در مجتمع سوخت با ترک ( a ×8 /0×1/0 )81
جدول 4 -5-2-6) شار خروجي فوتوني برحسب فاصله در مجتمع سوخت با ترک ( a ×8 /0×1/0 )82
فهرست شکل ها
عنوانصفحه
شکل 1-1) اجزاي اصلي يک راکتور هسته اي5
شکل 1-2) مقطع قلب راکتور تحت فشار10
شکل 1-3) مولد بخار راکتور آب تحت فشار 11
شکل 1-4) دستگاه فشار راکتور تحت فشار13
شکل 1-5) نمايش قسمت هاي اصلي يک دستگاه تغذيه بخار يک راکتور تحت فشار14
شکل 1-6) يک مجموعه سوخت راکتور تحت راکتور تحت فشار15
شکل 1-7) سطح مقطع يک راکتور آب جوشان؛جريان آب با پيکان‏ها مشخص شده است18
شکل 1-8) عملکرد راکتور حرارتي گازي19
شکل 1-9) راکتور گازي پيشرفته21
شکل 1-10) نمودار راکتور گازي درجه بالا MW 25
شکل 1-11) نمودار دستگاه بخار در يک راکتور اب سنگين 26
شکل 2-1) دياگرام طرح توليد و سيکل تجزيه فعاليت محصولات شکاف در مدار خنک کننده اوليه 30
شکل 2-2) طرح يک مجتمع سوخت1000- VVER 33
شکل 2-3) حالات شکست و اندازه گيري هاي شکست توجه آناليز واکنشي مبني بر مطالعه SNL 41
شکل 3-1) هندسه کد MCNP447
شکل 3-2) تعريف مرزهاي سفيد48
شکل 3-3) تعريف مرزهاي تناوبي49
شکل 3-4) چشمه‏ي نقطه‏اي با انرژي هيستوگرامي51
شکل 4-1) ميله سوخت شبيه سازي پژوهش55
شکل 4-2) شبيه سازي ميله سوخت درون قلب راکتور به کمک کد MCNP56
شکل 4-3) نمايي از بالا ي قرص و ترک وارد برآن56
فهرست نمودارها
عنوانصفحه
نمودار4- 1) شار نوتروني قرص سوخت در فاصله 4/0سانتي متري بدون ترک57
نمودار 4-2) شار نوتروني قرص سوخت در فاصله 5 سانتي متري بدون ترک57
نمودار4-3) شار فوتوني قرص سوخت در فاصله 4/0 سانتي متري بدون ترک58
نمودار4-4) شار فوتوني قرص سوخت در فاصله 5 سانتي متري بدون ترک58
نمودار 4-3-1-1) شار نوتروني قرص سوخت در فاصله 4/0 سانتي متري همراه با ترک59
نمودار 4-3-1-2) شار نوتروني قرص سوخت در فاصله 5 سانتي متري همراه با ترک59
نمودار 4-3-1-3) شار فوتوني قرص سوخت در فاصله 4/0 سانتي متري همراه با ترک60
نمودار 4-3-1-4) شار فوتوني قرص سوخت در فاصله 5 سانتي متري همراه با ترک60
نمودار 4-3-2-1) شار نوتروني در فاصله 4/0 سانتي متري همراه با ترک61
نمودار 4-3-2-2) شار نوتروني در فاصله 5 سانتي متري همراه با ترک61
نمودار 4-3-2-3) شار فوتوني در فاصله 4/0 سانتي متري همراه با ترک62
نمودار 4-3-2-4) شار فوتوني در فاصله 5 سانتي متري همراه با ترک62
نمودار 4-3-3-1) شار نوتروني در فاصله 4/0 سانتي متري همراه با ترک63
نمودار 4-3-3-2) شار نوتروني در فاصله 5 سانتي متري همراه با ترک63
نمودار 4-3-3-3) شار فوتوني در فاصله 4/0 سانتي متري همراه با ترک64
نمودار 4-3-3-4) شار فوتوني در فاصله 5 سانتي متري همراه با ترک64
نمودار 4-3-4-1) شار نوتروني در فاصله 4/0 سانتي متري همراه با ترک65
نمودار 4-3-4-2) شار نوتروني در فاصله 5 سانتي متري همراه با ترک65
نمودار 4-3-4-3) شار فوتوني در فاصله 4/0 سانتي متري همراه با ترک66
نمودار 4-3-4-4) شار فوتوني در فاصله 5 سانتي متري همراه با ترک66
نمودار 4-3-5-1) شار نوتروني در فاصله 4/0 سانتي متري همراه با ترک67
نمودار 4-3-5-2) شار نوتروني در فاصله 5 سانتي متري همراه با ترک67
نمودار 4-3-5-3) شار فوتوني در فاصله 0.4 سانتي متري همراه با ترک68
نمودار 4-3-5-4) شار فوتوني در فاصله 5 سانتي متري همراه با ترک68
نمودار 4-3-6-1) شار نوتروني در فاصله 4/0 سانتي متري همراه با ترک69
نمودار 4-3-6-2) شار نوتروني در فاصله 5 سانتي متري همراه با ترک69
نمودار 4-3-6-3) شار فوتوني در فاصله 4/0 سانتي متري همراه با ترک70
نمودار 4-3-6-4) شار فوتوني در فاصله 5 سانتي متري همراه با ترک70
نمودار 4 -5-1-1) شار نوتروني بر حسب انرژي در فواصل مختلف براي قرص سوخت بدون ترک73
نمودار 4 -5-1-2) شار نوتروني برحسب انرژي در فواصل مختلف براي قرص سوخت با ترک74
نمودار 4-5-1-3) شار فوتوني بر حسب انرژي در فواصل مختلف براي قرص سوخت بدون ترک75
نمودار 4-5-1-4) شار فوتوني بر حسب انرژي فواصل مختلف قرص سوخت با ترک ( a ×8 /0×1/0 )76
نمودار 4-5-2-1) شار خروجي نوتروني برحسب فاصله با ترک به ابعاد ( a ×8 /0×1/0 )77
نمودار 4-5-2-2) شار خروجي نوتروني برحسب فاصله با ترک در مجتمع سوخت ( a ×8 /0×1/0 )78
نمودار 4- 5-2-3) شار خروجي نوتروني برحسب فاصله در مجتمع سوخت به ابعاد ( a ×8 /0×1/0 )79
نمودار 4-5-2-4) شار خروجي فوتوني برحسب فاصله با ترک به ابعاد ( a ×8 /0×1/0 )80
نمودار 4-5-2-5) شار خروجي فوتوني برحسب فاصله در مجتمع سوخت با ترک ( a ×8 /0×1/0 )81
نمودار 4-5-2-6) شار خروجي فوتوني برحسب فاصله در مجتمع سوخت با ترک ( a ×8 /0×1/0 )82
چکيده
در روند حادثه هاي شديد (Severe Accident) قرص هاي سوخت دچار تورم شده و سپس باعث وارد کردن آسيب به غلاف سوخت و در نتيجه شکستگي غلاف مي گردد. شکستگي غلاف باعث آسيب به ميله ي سوخت مجاور و تغيير شار در ناحيه ي مورد نظر و ميگردد.
در اين تحقيق اثر تورم عناصر سوخت روي شارهاي نوترون و گاما با استفاده از کدMCNP4C مورد مطالعه و بررسي قرار گرفته است. براي اين منظور ابتدا يک المان سوخت به شکل استوانه اي که حاوي سوخت UO2 با غناي 5% ، طول 4/67 سانتي متر و شعاع 1 سانتي متر است بعنوان هندسهء مسئله در نظر گرفته شده است. سپس يک ترک که ابعاد آن از محور مرکزي سوخت تا سطح خارجي سوخت گسترش مي يابد ، روي قرص ايجاد مي شود. پس از کامل کردن هندسهء شار نوتروني و شارگامايي براي فواصل مختلف يعني 1 ، 2 ، 3 ، 5 ، 20 و 50 سانتي متري از محور مرکزي سوخت محاسبه شده است.
شار گاما و نوترون ، همچنين براي ترک هايي با ابعاد مختلف نيز محاسبه گرديده است . نتايج حاصل نشان مي دهد که تغييرات شارهاي گاما و نوترون براي فواصل 5 سانتي متري و بيشتر تغييرات قابل ملاحظه اي را نشان مي دهد.
کلمات کليدي: قرص سوخت ، غلاف سوخت ، شار نوترون
فصل اول
کليات
مقدمه
شکست در ميله هاي سوخت مي تواند منجر به حوادث خطرناکي مانند پخش پاره هاي شکافت که حاوي مواد راديواکتيو مي باشند در قلب راکتور و همچنين درون مايع خنک کننده شود. علاوه بر اين شکست ميله هاي سوخت باعث آسيب به ميله هاي کناري و در نتيجه گسترش اين آسيب ديدگي به نواحي ديگر قلب و سپس انسداد کانالهاي جريان خنک کننده و در نهايت ذوب قلب شود. ما قصد داريم تغييرات شار نوتروني و توزيع توان توليد شده هنگام بروز آسيب در يک ميله ي سوخت را به کمک کد MCNP که بر پايه الگوريتم مونت – کارلو مي باشد شبيه سازي کنيم.
علل خرابي يک ميله يا قرص سوخت مي تواند به صورت زير باشد :
1- وجود مواد زائد يا ناخالصي درون قرص سوخت
2- خرابي ناشي از فرسودگي و خوردگي درون قرص سوخت
3- خرابي ناشي از خوردگي و اکسيداسيون غلاف سوخت
4- انبساط غير عادي قرص هاي سوخت و وارد کردن فشار به يکديگر
يکي از نتايج خرابي و شکست ميله هاي سوخت ميزان راديو اکتيو وارد شده به خنک کننده مي باشد که از جمله اين مواد راديواکتيو پاره هاي شکافت مانند زنون و يد هستند. با استفاده از ميزان غلظت مواد راديواکتيو وارده شده به خنک کننده و توزيع آنها در قلب مي توان به موقعيت خرابي سوخت پي برد.
به دليل شکافت هاي هسته ايي غير قابل پيش بيني ، ميزان توان توليد شده در هر ناحيه از سوخت مي‏تواند تغيير کند و اين تغييرات مي تواند براي قلب مشکل آفرين باشد. خصوصيات مربوط به تغييرات راديو اکتيويته‏ي خنک کننده در نتيجه زنون و يد به دليل شکست هر کدام از ميله‏ي سوخت مي تواند با بررسي ميزان سوختن سوخت در هنگام شکست ، ابعاد شکستن غلاف و موقعيت شکست در طول غلاف آهنگ جذب غلاف تعيين گردد. [1]
ما در اين پژوهش آسيب ديدگي قرص سوخت را بصورت يک ترک که از وتر قرص و به ارتفاع مشخصي تا سطح قرص گسترش يافته است را در نظر مي گيريم و سپس بوسيله کد MCNP تغييرات شار نوترون و پرتو گاما را براي دو وضعيت قرص با ترک و بدون ترک محاسبه کرده و با هم مقايسه مي کنيم.
تغييرات شار در ناحيه ي آسيب ديدگي باعث تغييرات توان در نتيجه تغييرات دما مي شود که اين تغيير دما به نوبه ي خود مي تواند باعث بر هم زدن توزيع دمايي در ناحيه ي آسيب ديدگي و در نتيجه شوک هاي گرمايي به ميله هاي ديگر سوخت گردد.
هدف اصلي اين تحقيق اين است که آيا آسيب ديدگي يک قرص سوخت و در نتيجه يک ميله ي سوخت تاثير قابل توجهي روي شار نوترون و پرتوهاي گاما مي گذارد که بتوان با آشکار سازي اين تغييرات ، محل آسيب ديدگي را قبل از وقوع حادثه ي جدي پيدا کرد يا نه ؟
در اين پروژه از ترک هاي بسيار کوچک شروع کرده و سپس با گسترش پهناي ترکها که نشانه پيشرفت خرابي المان سوخت مي باشد تغييرات شار را بررسي مي کنيم. بنابراين مي توان تاثير اين خرابي را در بوجود آمدن يک حادثه در راکتور پيش بيني نمود.
اجزاي مختلف راکتورهاي هسته‏اي
‏ اجزاي اساسي يا نواحي مختلف راکتورها در شکل (1-1) نشان داده شده‏اند. لازم به يادآوري است که اين شکل نمودار يک راکتور است و يک راکتور واقعي را نشان نمي دهد.
‏قسمت مرکزي راکتورکه در شکل (1-1) نشان داده شده است قلب راکتور ناميده مي شود. دريک راکتور حرارتي قلب راکتور حاوي سوخت ، کندکننده ، خنک کننده ، ميله هاي کنترل ، بازتابنده و حفاظ هاي حرارتي مي باشد. ماده سوخت هم عامل ايجاد حالت بحراني راکتور است و هم انرژي شکافت آزاد مي‏نمايد. ماده سوخت ممکن است حاوي مقدار زيادي ماده زاينده باشد. درحقيقت اغلب راکتورهاي قدرت جديد (که از نوع حرارتي مي باشند) داراي سوخت اورانيوم تا چند درصد غني شده از اورانيوم 233 مي باشند بنابراين بيشتر سوخت اورانيوم 238 است.
شکل 1-1) اجزاي اصلي يک راکتور هسته اي[2]
ماده کندکننده که فقط در راکتورهاي حرارتي وجود دارد به منظور کند کردن نوترون‏هاي شکافت به نوترون‏هاي حرارتي به کار ميرود . هسته‏هايي با عدد جرمي‏کم ، مؤثرترين ماده براي کندکردن نوترون ها
مي باشند. ‏آب ( که دو سوم اتم هاي آن هيدروژن است ) آب سنگين و گرافيت ( کربن معمولي ) اغلب به عنوان کندکننده در راکتورها بکار مي‏رود.
‏بريليوم واکسيد بريليوم ( BeO يک ماده سفيد سراميکي ) بعضي مواقع به عنوان کند کننده به کار مي‏رود لکن ماده خيلي گرانقيمتي است. خنک کننده‏ها همان ‏طور که از اسمش برمي‏آيد براي انتقال حرارت از داخل قلب راکتور و ‏ديگر قسمتهائي که حرارت در آنها توليد مي شود به خارج از راکتور به کار مي رود. آب معمولي ، آب ‏سنگين و گازهاي مختلف متداولترين خنک کننده‏ها در راکتورهاي حرارتي مي باشند. درمواردي که آب معمولي و آب سنگين به عنوان خنک کننده به کار مي روند ، اغلب عمل کند کردن را نيز انجام مي دهند. در راکتورهاي سريع نمي توان از آب معمولي و آب سنگين به صورت مايع ، به عنوان خنک کننده استفاده کرد زيرا در اين مواد نوترون‏هاي شکافت را کند مي کنند زيرا دراين نوع راکتورها بايد ‏سعي کرد که انرژي نوترون‏ها حتي الامکان بالا باشد. اغلب راکتورهاي سريع (که فقط چندتايي از آنها تا به حال ساخته شده ‏است) با فلز مايع به ويژه سديم مايع خنک مي شوند.
‏سديم داراي خاصيت انتقال حرارت عالي مي باشد و وزن اتمي آن 23 است که حداقل ‏نوترو‏ن‏ها را در نتيجه برخورد الاستيک کند مي‏کند (تعدادي از نوترون‏ها در نتيجه برخورد غيرالا‏ستيک کند مي شوند). دراين نوع راکتورها ازگازها نيز مي توان براي خنک کردن قلب راکتور استفاده کرد. [2]
اطراف بعضي از را کتورها به ويژه راکتورهاي زاينده يک لايه ماده زاينده قراردارد که طبقه زايش ناميده مي‏شود . اين ناحيه به ويژه براي تبديل يا زايش به کار مي رود. نوترون‏هايي که ازقلب راکتور فرار مي‏کنند وارد طبقه زايش شده واکنش‏هاي تبديلي مختلفي انجام مي‏دهند.‏ به علت وجود نوترون‏هاي سريع در اين لايه شکافت‏هاي متعددي‏ انجام مي‏گيرد که در نتيجه ‏ايجاد حرارت مي‏نمايد . بنابراين اين قسمت راکتور نظير قلب راکتورر بايستي خنک شود. [2]
‏ناحيه اي که مجاور قلب راکتورر يا طبقه زايش قرار داده مي شود طبقه بازتابنده ناميده مي شود. عمل اين لايه از ماده کندکننده که به عنوان بازتابنده به‏کار مي رود را مي توان به صورت زير توجيه کرد. ابتدا فرض مي کنيم که قلب يا طبقه زايش بدون حفاظ بوده و در معرض هوا باشد. در اين حالت تمام نوترون‏هائي که ازقلب راکتور خارج مي شوند از دست ‏رفته محسوب شده و هپچ کدام به راکتور برنمي‏گردند. باقرار دادن يک لايه از ماده کندکننده ‏در اطراف راکتورر تعدادي از نوترون‏ها در نتيجه يک يا چند برخورد درطبقه بازتابنده مجددا” به داخل قلب يا طبقه زايش بر مي گردند. البته تمام نوترون‏هاي خروجي به داخل راکتور، برنمي‏گردند و ايجاد شکافت زنجيره‏اي مي کنند لذا واضح است بودن طبقه بازتابنده بهتر از نبودن آن است. وجود طبقه بازتابنده به مقدار زيادي ، مقدارسوخت لازم براي حالت بحراني راکاهش مي‏دهد.
ميله هاي کنترل که در شکل يک نشان داده شده اند ميله هاي متحرک جاذب نوترون هستند که از نامشان پيداست براي تنظيم کار راکتور به کار مي روند. از آنجا که ميله هاي کنترل جاذب نوترون هستند هر حرکت جزئي آنها باعث تغيير ضريب تکثير دستگاه مي شود. بيرون کشيدن ميله ها k را افزايش و فرو بردن ميله ها به داخل قلب راکتور k را کاهش مي دهد. بنابراين با حرکت مناسب ميله هاي کنترل مي توان راکتور را روشن يا خاموش کرد و قدرت آن را تغيير داد. ميله هاي کنترل را بايد طوري تنظيم کرد که راکتور بحراني بماند و در يک قدرت مشخص کار کند. در طول زمان به علت مصرف سوخت و تجمع پاره هاي مختلف شکافت جاذب نوترون در قلب راکتور تغيير ميله هاي کنترل الزامي است. مواد مختلفي در ميله هاي کنترل به کار مي رود که از جمله فولاد حاوي بور ( بور داراي سطح مقطع جذب زياد است ) و هافنيوم و کادميوم ( که فلزات جاذب قوي نوترون هستند ) و نقره و آلياژهاي مختلف آن را مي توان نام برد. ميله هاي کنترل به شکل استوانه اي يا به شکل ورقه يا تيغه يا به صورت ورقه هاي متعامد که ميله هاي صليبي ناميده مي شوند مي باشند.
تمام قسمت هاي مختلف راکتور که در بالا توضيح داده شدند در داخل محفظه راکتور1 قرار دارند ، و اگر تمام قسمت ها تحت فشار باشند محفظه تحت فشار ناميده مي شود. براي اينکه بتوان حرارت محفظه راکتور را که در نتيجه جذب اشعه گاما قلب ايجاد مي شود کاهش داد لازم است در بعضي از راکتورها يک لايه ضخيم جاذب اشعه گاما معمولا از جنس آهن يا فولاد به نام حفاظ حرارتي2 در بين بازتابنده و ديواره داخلي محفظه قرار داد. از آنجا که حفاظ حرارتي مقدار زيادي انرژي جذب مي کند لازم است همراه با قلب و لايه زاينده خنک شود. براي محافظت افرادي که در نيروگاه در موقع کار راکتور کار مي‏کنند محفظه راکتور ، و قسمت هاي ديگر نظير دستگاه مولد بخار که شامل منابع تابش ها مي باشد به وسيله حفاظ اشعه احاطه شود. براي حفظ عموم مردم از سوانح راکتور به ويژه سوانحي که منجر به آزاد شدن پاره هاي شکافت مي شود تمام تاسيسات راکتور در ساختمان محکمي قرار داده مي شوند. در بعضي از نيروگاه ها ساختمان سنگيني تمام دستگاه مولد بخار را دربر مي گيرد. در حالي که در بعضي ديگر ساختمان به دو قسمت مي شود يکي راکتور را دربر مي گيرد ( ساختمان اوليه ) و بقيه در ساختمان ديگري قرار مي گيرد. ساختمان دومي علاوه برقسمت هاي متعددي که در شکل تشريح شد ، دستگاه هاي ايمني پيچيده اي که بايد در نيروگاه براي مواقع اضطراري به کار مي روند تعبيه شوند. وسايل خاصي براي سوار کردن ميله هاي سوخت در قلب راکتور و همچنين براي انباشتن ميله هاي سوخت مصرف شده راديواکتيو قبل از ارسال آنها به کارخانه لازم است . در نقاط مختلف داخلي و خارجي محفظه راکتور دستگاهي هاي حساس قرار داده مي‏شود تا نشان دهنده طرز کار دستگاه ها باشند. بالاخره مقدار زيادي موادساختماني براي کمک به نيروگاه وايجاد يکپارچگي آن لازم است . نيروگاه هاي هسته اي طبيعتا تاسيسات پيچيده اي هستند ، بنابراين بايد با دقت زياد طرح ريزي شوند.
انگيزه اقتصادي ساخت راکتور هاي هسته اي ، به دليل چگالي انرژي خيلي زياد در سوخت اورانيم آنهاست که به طور نسبي سبب قيمت پايين تر واحد انرژي توليد شده مي شود. يک کيلو گرم اورانيم ( با 3 درصد از 235 – U ) Kj 109× 2/5 انرژي توليد ميکند . در مقابل ، يک تن سوخت فسيلي ، انرژي برابر Kj 107× 4 توليد مي کند. انرژي هسته اي در سال 1996، حدود 7 درصد کل مصرف انرژي و برابر 17 درصد مصرف انرژِي الکتريکي جهان بوده است. اين مقدار در آخر سال 2004برابر با 5/16 درصد انرژِي الکتريکي مصرفي جهاني است. [2]
راکتورهاي هسته اي قدرت
در تاريخ کوتاه راکتورهاي قدرت ، انواع مختلي از راکتور به منظور توليد بخار پيشنهاد شده است. در اين فصل بحث منحصر به آن دسته از دستگاه‏هاي هسته اي مولد بخار مي شود که در حال حاضر از آن ها استفاده مي شود و يا در آينده از آن ها استفاده خواهد شد. به علت محدوديت منابع اورانيوم 235 صنعت هسته اي بدون شک متوجه راکتورهاي زاينده مي شود. راکتورهاي موجود که ماده شکاف پذير توليد نمي کنند به عنوان دستگاه هاي واسطه به کار روند تا اينکه بتوان راکتورهاي زاينده را وارد بازار کرد. راکتور هاي هسته اي قدرت نقش توليد انرژي را به عهده دارند. [3]
امروزه ، گرماي توليد شده در راکتور هاي هسته اي قدرت ، بيشتر براي توليد انرژي الکتريکي مورد استفاده قرار مي گيرند. استفاده هاي ديگر مي تواند شامل توليد گرماي مورد نياز براي فرآيند هاي صنعتي ، نمک زدايي( شيرين سازي ) آب دريا ، تأمين حرارت منطقه اي در شهر هاي بزرگ و کوچک ، حرکت کشتي ها و مخصوصاً در زير دريايي ها باشد.
انواع راکتور هاي قدرت
معمولا” راکتورهاي قدرت را بصورت هاي مختلفي دسته بندي مي کنند. که اين دسته بندي ها مي تواند بر اساس ، نوع عملکرد راکتور ، نوع خنک کننده ، نوع کند کننده ، نوع سوخت و …….. باشد.
بر اساس نوع خنک کننده مي توان راکتورهاي قدرت را بصورت زير دسته بندي کرد : [3]
1) راکتور هاي آب سبک تحت فشار 3
2) راکتور هاي آب سبک جوشان 4
3) راکتور هاي خنک شونده با گاز5
4) راکتور هاي خنک شونده با آب سبک وکند کننده گرافيکي 6
5) راکتور هاي آب سنگين تحت فشار7
6) راکتور هاي زاينده سريع با فلز مايع8
7)راکتور هاي خنک شونده با مواد آلي9
راکتورهاي آب سبک
اولين راکتور قدرت که در ايالات متحده به صورت تجارتي وارد بازار شد راکتورهاي حرارتي بودند که در آنها آب سبک به عنوان کند کننده ، بازتابنده و خنک کننده استفاده مي شد. به طوري که اشاره شد آب داراي خاصيت کند کنندگي عالي مي باشد. به علاوه خواص ترمو ديناميکي آن به خوبي شناخته شده و به آساني با هزينه کم تهيه مي شود . از طرف ديگر بخار آب داراي فشار زياد است. اين بدان معني است که راکتورهاي با آب سبک ( LWR ) بايد در فشارهاي زياد کار کنند. در حال حاضر دو نوع راکتور آب سبک مورد استفاده مي باشد. راکتورهاي آب تحت فشار (PWR) و راکتورهاي آب جوشان (BWR) . هر دو نوع راکتور در ايالات متحده مورد استفاده مي باشند و هر دو نوع راکتور، انرژي به قيمت ارزانتر از نيروگاه هاي فسيلي به وجود مي آورند.
راکتور آب تحت فشار
اين نوع راکتور اولين راکتوري است که به طور تجارتي در ايالات متحده توسعه و تکامل يافته است. اين نوع راکتور نيز در کشتي ها و نيروي دريائي در سرتاسر دنيا به عنوان مولد نيرو به کار مي رود.
شکل(1-2 ) مقطع قلب راکتور از نوع تحت فشار را نشان مي دهد. به طوري که در شکل نشان داده شده است آب با درجه حدود ? 550 وارد محفظه ي فشار مي شود ، سپس از اطراف قلب به طرف پائين جريان پيدا کرده که مي تواند به عنوان بازتابنده به کار رود ، بعد از داخل قلب به طرف بالا رفته در آنجا داغ مي شود و بالاخره با درجه حرارت حدود ? 600 از محفظه خارج مي شود. فشار آب در داخل يک راکتور PWR نوعي ، بين 2000 تا psia 2500 مي باشد. در اين فشار آب حداقل به مقدار زياد به جوش نمي آيد.
شکل 1-2) برشي از يک قلب راکتور آب تحت فشار[4]
از آنجا که آب در داخل راکتور به جوش نمي آيد ، بخار براي توربين بايد در خارج از راکتور توليد شود. توليد بخار در ناحيه داغ دستگاه هاي مولد بخار که دستگاه هاي انتقال حرارت تحت فشار مي باشند توليد مي شود. يک نوع مولد بخار معمولي در شکل(1-3) نشان داده شده است . آب خنک کننده تحت فشار داغ که از راکتور خارج مي شود از پائين وارد مبدل حرارتي مي شود و در داخل هزاران لوله U شکل وارونه به طرف بالا و پائين جريان پيدا مي کند. سطوح خارجي اين لوله ها با آب کم فشار و خنک تري که از چگالنده بر مي گردد در تماس مي باشد. حرارت آب داغ داخل لوله ها باعث به جوش آوردن آب و ايجاد بخار مي شود. قسمت پائين دستگاه مولد بخار که در آن آب به جوش مي آيد دستگاه تبخير ناميده مي شود.
شکل 1-3) مولد بخار راکتور آب تحت فشار [4]
بخار مرطوب حاصل در دستگاه تبخير در داخل دستگاه به طرف بالا حرکت کرده وارد قسمتي به نام طبل بخار مي شود. بخار قبل از وارد شدن به توربين ها از دستگاه هاي جدا کننده رطوبت مختلف عبور مي کند. نيروگاه هاي بزرگ راکتورهاي تحت فشار داراي تا چهار مولد بخار مي باشند و بخار با درجه حرارت ? 560 و فشارpsia 900 توليد مي کنند . با اين روش راندمان يک نيروگاه تحت فشار بين
32-33 درصد است.
از آنجا که آب مايع غير قابل تراکمي است ، لذا تغيير جزئي در حجم خنک کننده منجر به تغيير فاحشي در فشار مي شود که ممکن است اثر تخريبي زيادي روي دستگاه ها داشته باشد مثلا اگر به دلائلي حجم خنک کننده کاهش يابد موجب کاهش فشار شده درنتيجه قسمتي از آب در راکتور تبخير مي شود که اين پديده به نوبه خود باعث ذوب شدن بعضي از ميله هاي سوخت مي شود . براي جلوگيري از وقوع چنين حادثه اي در راکتور آب تحت فشار از دستگاه تنظيم کننده ي فشار1 استفاده مي شود. دستگاه تنظيم کننده ي فشار مطابق شکل( 1-4 ) از يک محفظه تشکيل شده که حاوي بخار در قسمت فوقاني و آب در قسمت تحتاني است. در بالاي محفظه يک دريچه پخش فشار و در پائين آن يک گرم کن قرار دارد که هر دو در نتيجه تغيير فشار به کار مي افتد و يا از کار مي ايستند و دستگاه به طريق زير عمل مي کند. مثلا فرض کنيم در نتيجه کاهش بار نيروگاه قدرت خروجي توربين کاهش مي يابد. اين امر باعث ازدياد موقت درجه حرارت متوسط خنک کننده راکتور شده در نتيجه باعث جوشش آب در قلب و سپس افزايش حجم بخار خنک کننده مي شود. اين عمل باعث افزايش فشار بخار مي شود در نتيجه مقداري بخار از دريچه بخار خارج مي شود تا فشار مجددا به حالت قبلي برگردد. آب سرد از يکي از شاخه هاي خنک کننده به قسمت فوقاني دستگاه فشار پاشيده شده موجب تبديل مقداري بخار به مايع مي‏گردد. اين عمل ، فشار را کاهش داده و از ازدياد فشار جلوگيري به عمل مي آورد. اگر بار الکتريکي افزايش يابد ، حجم خنک کننده کم شده و سطح آب در دستگاه فشار پائين مي افتد. در اين لحظه کاهش فشار باعث جاري شدن مقداري آب به داخل دستگاه فشار شده و از تغيير فشار جلوگيري ميکند. در اين موقع کاهش فشار، گرم کن ها را به کار انداخته کاهش فشار را نيز جبران مي کند.[4]
شکل 1-4) دستگاه فشارنده راکتور تحت فشار[5]
قسمت هاي اصلي يک دستگاه تغذيه بخار يک راکتور تحت فشار در شکل(1-5) نشان داده شده است. دستگاه خنک کننده داراي چهار تلمبه براي چهار مدار بسته است لکن فقط از يک دستگاه فشار براي کل آنها استفاده مي شود.
سوخت راکتورهاي تحت فشار اکسيد اورانيوم UO2 کمي غني شده است (2 تا 4 درصد وزني) که ماده سراميکي سياه رنگي است. اکسيد اورانيوم به صورت قرص هاي استوانه اي محدب شکل کوچکي به قطر نيم اينچ و طول نيم اينچ قرار دارد. قرص ها در داخل استوانه غير قابل نفوذ فولادي زنگ نزن يا زير کالوي10 به طول 12 فوت قرار دارند.
در درجه حرارت کار قرص هاي سوخت انبساط پيدا مي کنند و فضاي خالي بين آن ها پر مي شود.
در نتيجه يک ميله سوخت يا يک سوزن سوخت يکپارچه فشرده حاصل مي شود. در بعضي از موارد
شکل 1-5) نمايش قسمت هاي اصلي يک دستگاه تغذيه بخار يک راکتور تحت فشار[5]
مشاهده شده است که بعضي از قرص هاي سوخت در نتيجه ازدياد درجه حرارت براي رسيدن به درجه حرارت کار انبساط پيدا مي کنند، سپس به علت افزايش وزن مخصوص اکسيد اورانيوم منقبض مي شود که در نتيجه حجم ويژه آن (cm3/ g) کاهش مي يابد.
اين چگال شدن سوخت پديده‏اي که به همين نام خوانده مي شود ، در نتيجه مهاجرت حفره‏هاي ريز خلاء و ترکيب آنها در سراميک مي باشد . کاهش حجم قرص هاي سوخت باعث ايجاد خلاء در داخل لوله هاي سوخت مي شود و به علت تحت فشار بودن کند کننده – خنک کننده فشار زيادي به سرتاسر لوله سوخت وارد مي شود که ممکن است باعث شکسته شدن



قیمت: تومان


پاسخ دهید