Boşluk katsayısı - Void coefficient

Olarak nükleer mühendislik , boşluk katsayısı (daha doğru olarak reaktivite boşluk katsayısı ) ne kadar tahmin etmek için kullanılabilecek bir sayıdır tepkime a nükleer reaktör reaktör içinde (tipik olarak kabarcıklar buhar) boşluklar şeklini değiştiren moderatör ya da soğutma . Bir reaktördeki net reaktivite, boşluk katsayısının bir olduğu tüm bu katkıların toplamıdır. Ya moderatörün ya da soğutucunun bir sıvı olduğu reaktörler, tipik olarak ya negatif (eğer reaktör yeterince yönetilmiyorsa) ya da pozitif (reaktör aşırı derecede yönetiliyorsa) bir boşluk katsayısı değerine sahip olacaktır. Ne moderatörün ne de soğutucunun sıvı olmadığı reaktörler (örneğin, grafit moderatörlü, gaz soğutmalı bir reaktör) sıfıra eşit bir boşluk katsayısı değerine sahip olacaktır. 'Boşluk' katsayısı tanımının, moderatörün/soğutucunun ne sıvı ne de gaz ( süper kritik su reaktörü ) olmadığı reaktörlere nasıl uygulanacağı açık değildir .

açıklama

Nükleer fisyon reaktörleri, fisyona giren her çekirdeğin ısı ve nötron saldığı nükleer zincir reaksiyonları üzerinde çalışır . Her nötron başka bir çekirdeğe çarpabilir ve onun fisyona uğramasına neden olabilir. Bu nötronun hızı, nötron emici malzemenin varlığı gibi, ek fisyona neden olma olasılığını etkiler. Bir yandan, yavaş nötronlar bölünebilir çekirdekler tarafından hızlı nötronlardan daha kolay emilir , bu nedenle nötronları yavaşlatan bir nötron moderatörü bir nükleer reaktörün reaktivitesini artıracaktır. Öte yandan, bir nötron emici, bir nükleer reaktörün reaktivitesini azaltacaktır. Bu iki mekanizma, bir nükleer reaktörün termal güç çıkışını kontrol etmek için kullanılır.

Bir nükleer reaktörü sağlam ve çalışır durumda tutmak ve ondan faydalı güç elde etmek için bir soğutma sistemi kullanılmalıdır. Bazı reaktörler basınçlı suyu dolaştırır; bazıları sodyum , NaK , kurşun veya cıva gibi sıvı metal kullanır ; diğerleri gaz kullanır (bkz. gelişmiş gaz soğutmalı reaktör ). Soğutucu sıvı ise, reaktör içindeki sıcaklık yükselirse kaynayabilir. Bu kaynama , reaktörün içinde boşluklara yol açar . Ayrıca, bir tür kazada ( başka tehlikeleri olan soğutucu kaybı kazası olarak adlandırılır) soğutma sıvısının reaktörden kaybolması durumunda da boşluklar oluşabilir . Bazı reaktörler, türbinleri döndürmek için üretilen buharı kullanarak, soğutma sıvısı ile sabit bir kaynama durumunda çalışır.

Soğutucu sıvı, bir nötron soğurucusu olarak, bir nötron moderatörü olarak, genellikle her ikisi olarak, ancak en etkili rol olarak bir veya başka bir rol oynayabilir. Her iki durumda da, reaktör içindeki boşluk miktarı, reaktörün reaktivitesini etkileyebilir. Reaktör içindeki boşlukların değişmesinin neden olduğu reaktivitedeki değişiklik, boşluk katsayısı ile doğru orantılıdır .

Pozitif boşluk katsayısı, artan kaynama veya soğutucu kaybı nedeniyle reaktör içindeki boşluk içeriği arttıkça reaktivitenin arttığı anlamına gelir; örneğin, soğutucunun ağırlıklı olarak nötron soğurucu olarak hareket etmesi durumunda. Bu pozitif boşluk katsayısı , buhar kabarcıklarının ilk oluşumundan başlayarak pozitif bir geri besleme döngüsüne neden olur . Bu, bir (otomatik) kontrol mekanizması tarafından karşılanmazsa veya söz konusu mekanizmanın tepki süresi çok yavaşsa, reaktördeki tüm soğutucuyu hızlı bir şekilde kaynatabilir. Bu , Çernobil felaketinde otomatik kontrol mekanizmasının büyük ölçüde devre dışı kalması nedeniyle tahrip olan RBMK reaktöründe meydana geldi (ve operatörler yüksek bir güç seviyesini hızlı bir şekilde geri yüklemek için biraz pervasızca çalışıyorlardı. Kötü kontrol çubuğu tasarımı nedeniyle, operatörler bunun farkında değillerdi. çekirdekte maksimum düzeyde nötron zehiriydi ).

Negatif bir boşluk katsayısı, reaktör içindeki boşluk içeriği arttıkça reaktivitenin azaldığı anlamına gelir - ancak bu aynı zamanda, reaktör içindeki boşluk içeriği azaltılırsa reaktifliğin de arttığı anlamına gelir. Büyük negatif boşluk katsayılarına sahip kaynar su reaktörlerinde, ani bir basınç artışı (örneğin, bir akım hattı valfinin plansız kapanmasından kaynaklanan) boşluk içeriğinde ani bir düşüşe neden olacaktır: artan basınç, buhar kabarcıklarının bir kısmının yoğunlaştırma ("çökme"); ve termal çıktı, güvenlik sistemleri tarafından sonlandırılana kadar, daha yüksek güç nedeniyle artan boşluk oluşumuyla veya muhtemelen, basıncı azaltan, boşluk içeriğinin artmasına ve gücün düşmesine neden olan sistem veya bileşen arızaları ile artacaktır. Kaynar su reaktörlerinin tümü, bu tür geçici durumla başa çıkmak için tasarlanmıştır (ve gereklidir). Öte yandan, bir reaktör hiç boşluk olmadan çalışacak şekilde tasarlanmışsa, büyük bir negatif boşluk katsayısı bir güvenlik sistemi olarak hizmet edebilir. Böyle bir reaktörde soğutucu kaybı, termal çıktıyı azaltır, ancak üretilen ısı elbette artık ortadan kaldırılmaz, bu nedenle sıcaklık yükselebilir (diğer tüm güvenlik sistemleri aynı anda arızalanırsa).

Bu nedenle, pozitif veya negatif olsun, büyük bir boşluk katsayısı, bir tasarım sorunu (daha dikkatli, daha hızlı hareket eden kontrol sistemleri gerektiren) veya reaktör tasarımına bağlı olarak istenen bir kalite olabilir. Gaz soğutmalı reaktörlerde boşluk oluşumu ile ilgili sorunlar yoktur.

reaktör tasarımları

  • Kaynar su reaktörleri genellikle negatif boşluk katsayılarına sahiptir ve normal işletimde negatif boşluk katsayısı, çekirdekten geçen su akış hızı değiştirilerek reaktör gücünün ayarlanmasına izin verir. Negatif boşluk katsayısı, reaktör basıncının aniden arttığı olaylarda (bir akım hattı valfinin ani kapanması gibi) planlanmamış bir reaktör gücü artışına neden olabilir. Ek olarak, negatif boşluk katsayısı, bir devridaim pompası arızasının neden olabileceği gibi, çekirdek akışında ani bir azalma olması durumunda güç salınımlarına neden olabilir. Kaynar su reaktörleri, ani bir akış hattı valfinin kapanmasından kaynaklanan basınç artış hızının kabul edilebilir değerlerle sınırlı olmasını sağlamak için tasarlanmıştır ve herhangi bir ani reaktör gücü artışını veya kararsız güç salınımlarının yakıt veya boru tesisatından önce sonlandırılmasını sağlamak için tasarlanmış çoklu güvenlik sistemlerini içerir. hasar meydana gelebilir.
  • Basınçlı su reaktörleri nispeten az miktarda boşlukla çalışır ve su hem düzenleyici hem de soğutucu olarak işlev görür. Bu nedenle, büyük bir negatif boşluk katsayısı, suyun kaynaması veya kaybolması durumunda güç çıkışının düşmesini sağlar.
  • CANDU reaktörlerinin pozitif boşluk katsayıları, kontrol sistemlerinin, reaktör tehlikeli sıcaklıklara ulaşmadan önce kaynayan soğutma sıvısına kolayca yanıt verebilmesi için yeterince küçüktür (bkz. Referanslar).
  • Çernobil'deki reaktörler gibi RBMK reaktörleri, tehlikeli derecede yüksek pozitif boşluk katsayısına sahiptir. Bu reaktör unenriched yayınlanmasına izin uranyum ve hiçbir gerektirecek ağır su (ayrıca, diğer Rus ana reaktör tasarımı aksine maliyetlerinden tasarruf, VVER , RBMK üretmek mümkün, çift kullanım edildi silah yapımına plütonyum ). Çernobil kazasından önce bu reaktörler 4.7 beta pozitif boşluk katsayısına sahipti ve kazadan sonra güvenle hizmette kalabilmeleri için 0.7 beta'ya düşürüldü.
  • Hızlı çoğaltıcı reaktörler , hızlı nötronlar üzerinde çalıştıkları için moderatör kullanmazlar , ancak soğutucu (genellikle kurşun veya sodyum ) bir nötron soğurucu ve yansıtıcı görevi görebilir. Bu nedenle pozitif boşluk katsayısına sahiptirler.
  • Magnox reaktörleri, gelişmiş gaz soğutmalı reaktörler ve çakıl yataklı reaktörler gaz soğutmalıdır ve bu nedenle boşluk katsayıları sorun olmaz. Aslında, bazıları, aktif kontrol sistemlerinin yokluğunda bile, toplam soğutucu kaybı çekirdek erimesine neden olmayacak şekilde tasarlanabilir. Herhangi bir reaktör tasarımında olduğu gibi, soğutucu kaybı, potansiyel olarak bir kazaya yol açabilecek birçok olası arızadan yalnızca biridir. Çakıl yataklı reaktörlerin çekirdeğine yanlışlıkla sıvı su girmesi durumunda, pozitif bir boşluk katsayısı oluşabilir. Magnox ve UNGG reaktörleri, elektrik gücü ve silah sınıfı plütonyum üretmenin ikili amacı ile tasarlandı .

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar