درروندحادثههايشدید (Severe Accident) قرصهايسوختدچارتورمشدهوسپس باعث وارد کردنآسيب به غلاف سوخت و در نتیجه شکستگی غلاف می گردد. شکستگی غلاف باعث آسیب به میله ی سوخت مجاور و تغییر شار در ناحیه ی مورد نظر و میگردد.

در این تحقیق اثر تورم عناصر سوخت روی شارهای نوترون و گاما با استفاده از کدMCNP4C مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. برای این منظور ابتدا یک المان سوخت به شکل استوانه ای که حاوی سوخت UO₂ با غنای 5% ، طول 4/67 سانتی متر و شعاع 1 سانتی متر است بعنوان هندسه^ء مسئله در نظر گرفته شده است. سپس یک ترک که ابعاد آن از محور مرکزی سوخت تا سطح خارجی سوخت گسترش می یابد ، روی قرص ایجاد می شود. پس از کامل کردن هندسه^ء شار نوترونی و شارگامایی برای فواصل مختلف یعنی 1 ، 2 ، 3 ، 5 ، 20 و 50 سانتی متری از محور مرکزی سوخت محاسبه شده است.

شار گاما و نوترون ، همچنین برای ترک هایی با ابعاد مختلف نیز محاسبه گردیده است . نتایج حاصل نشان می دهد که تغییرات شارهای گاما و نوترون برای فواصل 5 سانتی متری و بیشتر تغییرات قابل ملاحظه ای را نشان می دهد.

کلمات کلیدی: قرص سوخت ، غلاف سوخت ، شار نوترون

1فصل اول

کلیات

1-1 مقدمه

شکست در میله های سوخت می تواند منجر به حوادث خطرناکی مانند پخش پاره های شکافت که حاوی مواد رادیواکتیو می باشند در قلب راکتور و همچنین درون مایع خنک کننده شود. علاوه بر این شکست میله های سوخت باعث آسیب به میله های کناری و در نتیجه گسترش این آسیب دیدگی به نواحی دیگر قلب و سپس انسداد کانالهای جریان خنک کننده و در نهایت ذوب قلب شود. ما قصد داریم تغییرات شار نوترونی و توزیع توان تولید شده هنگام بروز آسیب در یک میله ی سوخت را به کمک کد MCNP که بر پایه الگوریتم مونت – کارلو می باشد شبیه سازی کنیم.

علل خرابی یک میله یا قرص سوخت می تواند به صورت زیر باشد :

1- وجود مواد زائد یا ناخالصی درون قرص سوخت

2- خرابی ناشی از فرسودگی و خوردگی درون قرص سوخت

3- خرابی ناشی از خوردگی و اکسیداسیون غلاف سوخت

4- انبساط غیر عادی قرص های سوخت و وارد کردن فشار به یکدیگر

یکی از نتایج خرابی و شکست میله های سوخت میزان رادیو اکتیو وارد شده به خنک کننده می باشد که از جمله این مواد رادیواکتیو پاره های شکافت مانند زنون و ید هستند. با استفاده از میزان غلظت مواد رادیواکتیو وارده شده به خنک کننده و توزیع آنها در قلب می توان به موقعیت خرابی سوخت پی برد.

به دلیل شکافت های هسته ایی غیر قابل پیش بینی ، میزان توان تولید شده در هر ناحیه از سوخت می‏تواند تغییر کند و این تغییرات می تواند برای قلب مشکل آفرین باشد. خصوصیات مربوط به تغییرات رادیو اکتیویته‏ی خنک کننده در نتیجه زنون و ید به دلیل شکست هر کدام از میله‏ی سوخت می تواند با بررسی میزان سوختن سوخت در هنگام شکست ، ابعاد شکستن غلاف و موقعیت شکست در طول غلاف آهنگ جذب غلاف تعیین گردد. [1]

ما در این پژوهش آسیب دیدگی قرص سوخت را بصورت یک ترک که از وتر قرص و به ارتفاع مشخصی تا سطح قرص گسترش یافته است را در نظر می گیریم و سپس بوسیله کد MCNP تغییرات شار نوترون و پرتو گاما را برای دو وضعیت قرص با ترک و بدون ترک محاسبه کرده و با هم مقایسه می کنیم.

تغییرات شار در ناحیه ی آسیب دیدگی باعث تغییرات توان در نتیجه تغییرات دما می شود که این تغییر دما به نوبه ی خود می تواند باعث بر هم زدن توزیع دمایی در ناحیه ی آسیب دیدگی و در نتیجه شوک های گرمایی به میله های دیگر سوخت گردد.

هدف اصلی این تحقیق این است که آیا آسیب دیدگی یک قرص سوخت و در نتیجه یک میله ی سوخت تاثیر قابل توجهی روی شار نوترون و پرتوهای گاما می گذارد که بتوان با آشکار سازی این تغییرات ، محل آسیب دیدگی را قبل از وقوع حادثه ی جدی پیدا کرد یا نه ؟

در این پروژه از ترک های بسیار کوچک شروع کرده و سپس با گسترش پهنای ترکها که نشانه پیشرفت خرابی المان سوخت می باشد تغییرات شار را بررسی می کنیم. بنابراین می توان تاثیر این خرابی را در بوجود آمدن یک حادثه در راکتور پیش بینی نمود.

1-2 اجزای مختلف راکتورهای هسته‏ای

‏اجزای اساسی یا نواحی مختلف راکتورها در شکل (1-1) نشان داده شده‏اند. لازم به یادآوری است که این شکل نمودار یک راکتور است و یک راکتور واقعی را نشان نمی دهد.

‏قسمت مرکزی راکتورکه در شکل (1-1) نشان داده شده است قلب راکتور نامیده می شود. دریک راکتور حرارتی قلب راکتور حاوی سوخت ، کندکننده ، خنک کننده ، میله های کنترل ، بازتابنده و حفاظ های حرارتی می باشد. ماده سوخت هم عامل ایجاد حالت بحرانی راکتور است و هم انرژی شکافت آزاد می‏نماید. ماده سوخت ممکن است حاوی مقدار زیادی ماده زاینده باشد. درحقیقت اغلب راکتورهای قدرت جدید (که از نوع حرارتی می باشند) دارای سوخت اورانیوم تا چند درصد غنی شده از اورانیوم 233 می باشند بنابراین بیشتر سوخت اورانیوم 238 است.

شکل 1-1) اجزای اصلی یک راکتور هسته ای[2]

ماده کندکننده که فقط در راکتورهای حرارتی وجود دارد به منظور کند کردن نوترون‏های شکافت به نوترون‏های حرارتی به کار میرود . هسته‏هایی با عدد جرمی‏کم ، مؤثرترین ماده برای کندکردن نوترون ها

می باشند. ‏آب ( که دو سوم اتم های آن هیدروژن است ) آب سنگین و گرافیت ( کربن معمولی ) اغلب به عنوان کندکننده در راکتورها بکار می‏رود.

‏بریلیوم واکسید بریلیوم ( BeO یک ماده سفید سرامیکی ) بعضی مواقع به عنوان کند کننده به کار می‏رود لکن ماده خیلی گرانقیمتی است. خنک کننده‏ها همان ‏طور که از اسمش برمی‏آید برای انتقال حرارت از داخل قلب راکتور و ‏دیگر قسمتهائی که حرارت در آنها تولید می شود به خارج از راکتور به کار می رود. آب معمولی ، آب ‏سنگین و گازهای مختلف متداولترین خنک کننده‏ها در راکتورهای حرارتی می باشند. درمواردی که آب معمولی و آب سنگین به عنوان خنک کننده به کار می روند ، اغلب عمل کند کردن را نیز انجام می دهند. در راکتورهای سریع نمی توان از آب معمولی و آب سنگین به صورت مایع ، به عنوان خنک کننده استفاده کرد زیرا در این مواد نوترون‏های شکافت را کند می کنند زیرا دراین نوع راکتورها باید ‏سعی کرد که انرژی نوترون‏ها حتی الامکان بالا باشد. اغلب راکتورهای سریع (که فقط چندتایی از آنها تا به حال ساخته شده ‏است) با فلز مایع به ویژه سدیم مایع خنک می شوند.

‏سدیم دارای خاصیت انتقال حرارت عالی می باشد و وزن اتمی آن 23 است که حداقل ‏نوترو‏ن‏ها را در نتیجه برخورد الاستیک کند می‏کند (تعدادی از نوترون‏ها در نتیجه برخورد غیرالا‏ستیک کند می شوند). دراین نوع راکتورها ازگازها نیز می توان برای خنک کردن قلب راکتور استفاده کرد. [2]

اطراف بعضی از را کتورها به ویژه راکتورهای زاینده یک لایه ماده زاینده قراردارد که طبقه زایش نامیده می‏شود . این ناحیه به ویژه برای تبدیل یا زایش به کار می رود. نوترون‏هایی که ازقلب راکتور فرار می‏کنند وارد طبقه زایش شده واکنش‏های تبدیلی مختلفی انجام می‏دهند.‏ به علت وجود نوترون‏های سریع در این لایه شکافت‏های متعددی‏ انجام می‏گیرد که در نتیجه ‏ایجاد حرارت می‏نماید . بنابراین این قسمت راکتور نظیر قلب راکتورر بایستی خنک شود. [2]

‏ناحیه ای که مجاور قلب راکتورر یا طبقه زایش قرار داده می شود طبقه بازتابنده نامیده می شود. عمل این لایه از ماده کندکننده که به عنوان بازتابنده به‏کار می رود را می توان به صورت زیر توجیه کرد. ابتدا فرض می کنیم که قلب یا طبقه زایش بدون حفاظ بوده و در معرض هوا باشد. در این حالت تمام نوترون‏هائی که ازقلب راکتور خارج می شوند از دست ‏رفته محسوب شده و هپچ کدام به راکتور برنمی‏گردند. باقرار دادن یک لایه از ماده کندکننده ‏در اطراف راکتورر تعدادی از نوترون‏ها در نتیجه یک یا چند برخورد درطبقه بازتابنده مجددا" به داخل قلب یا طبقه زایش بر می گردند. البته تمام نوترون‏های خروجی به داخل راکتور، برنمی‏گردند و ایجاد شکافت زنجیره‏ای می کنند لذا واضح است بودن طبقه بازتابنده بهتر از نبودن آن است. وجود طبقه بازتابنده به مقدار زیادی ، مقدارسوخت لازم برای حالت بحرانی راکاهش می‏دهد.

میله های کنترل که در شکل یک نشان داده شده اند میله های متحرک جاذب نوترون هستند که از نامشان پیداست برای تنظیم کار راکتور به کار می روند. از آنجا که میله های کنترل جاذب نوترون هستند هر حرکت جزئی آنها باعث تغییر ضریب تکثیر دستگاه می شود. بیرون کشیدن میله ها k را افزایش و فرو بردن میله ها به داخل قلب راکتور k را کاهش می دهد. بنابراین با حرکت مناسب میله های کنترل می توان راکتور را روشن یا خاموش کرد و قدرت آن را تغییر داد. میله های کنترل را باید طوری تنظیم کرد که راکتور بحرانی بماند و در یک قدرت مشخص کار کند. در طول زمان به علت مصرف سوخت و تجمع پاره های مختلف شکافت جاذب نوترون در قلب راکتور تغییر میله های کنترل الزامی است. مواد مختلفی در میله های کنترل به کار می رود که از جمله فولاد حاوی بور ( بور دارای سطح مقطع جذب زیاد است ) و هافنیوم و کادمیوم ( که فلزات جاذب قوی نوترون هستند ) و نقره و آلیاژهای مختلف آن را می توان نام برد. میله های کنترل به شکل استوانه ای یا به شکل ورقه یا تیغه یا به صورت ورقه های متعامد که میله های صلیبی نامیده می شوند می باشند.

تمام قسمت های مختلف راکتور که در بالا توضیح داده شدند در داخل محفظه راکتور[1] قرار دارند ، و اگر تمام قسمت ها تحت فشار باشند محفظه تحت فشار نامیده می شود. برای اینکه بتوان حرارت محفظه راکتور را که در نتیجه جذب اشعه گاما قلب ایجاد می شود کاهش داد لازم است در بعضی از راکتورها یک لایه ضخیم جاذب اشعه گاما معمولا از جنس آهن یا فولاد به نام حفاظ حرارتی[2] در بین بازتابنده و دیواره داخلی محفظه قرار داد. از آنجا که حفاظ حرارتی مقدار زیادی انرژی جذب می کند لازم است همراه با قلب و لایه زاینده خنک شود. برای محافظت افرادی که در نیروگاه در موقع کار راکتور کار می‏کنند محفظه راکتور ، و قسمت های دیگر نظیر دستگاه مولد بخار که شامل منابع تابش ها می باشد به وسیله حفاظ اشعه احاطه شود. برای حفظ عموم مردم از سوانح راکتور به ویژه سوانحی که منجر به آزاد شدن پاره های شکافت می شود تمام تاسیسات راکتور در ساختمان محکمی قرار داده می شوند. در بعضی از نیروگاه ها ساختمان سنگینی تمام دستگاه مولد بخار را دربر می گیرد. در حالی که در بعضی دیگر ساختمان به دو قسمت می شود یکی راکتور را دربر می گیرد ( ساختمان اولیه ) و بقیه در ساختمان دیگری قرار می گیرد. ساختمان دومی علاوه برقسمت های متعددی که در شکل تشریح شد ، دستگاه های ایمنی پیچیده ای که باید در نیروگاه برای مواقع اضطراری به کار می روند تعبیه شوند. وسایل خاصی برای سوار کردن میله های سوخت در قلب راکتور و همچنین برای انباشتن میله های سوخت مصرف شده رادیواکتیو قبل از ارسال آنها به کارخانه لازم است . در نقاط مختلف داخلی و خارجی محفظه راکتور دستگاهی های حساس قرار داده می‏شود تا نشان دهنده طرز کار دستگاه ها باشند. بالاخره مقدار زیادی موادساختمانی برای کمک به نیروگاه وایجاد یکپارچگی آن لازم است . نیروگاه های هسته ای طبیعتا تاسیسات پیچیده ای هستند ، بنابراین باید با دقت زیاد طرح ریزی 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]

1-3 راکتورهای هسته ای قدرت

در تاریخ کوتاه راکتورهای قدرت ، انواع مختلی از راکتور به منظور تولید بخار پیشنهاد شده است. در این فصل بحث منحصر به آن دسته از دستگاه‏های هسته ای مولد بخار می شود که در حال حاضر از آن ها استفاده می شود و یا در آینده از آن ها استفاده خواهد شد. به علت محدودیت منابع اورانیوم 235 صنعت هسته ای بدون شک متوجه راکتورهای زاینده می شود. راکتورهای موجود که ماده شکاف پذیر تولید نمی کنند به عنوان دستگاه های واسطه به کار روند تا اینکه بتوان راکتورهای زاینده 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.

1-4 انواع راکتور هاي قدرت

معمولا" راکتورهای قدرت را بصورت های مختلفی دسته بندی می کنند. که این دسته بندی ها می تواند بر اساس ، نوع عملکرد راکتور ، نوع خنک کننده ، نوع کند کننده ، نوع سوخت و ........ باشد.

بر اساس نوع خنک کننده می توان راکتورهای قدرت را بصورت زیر دسته بندی کرد : [3]

1) راکتور هاي آب سبک تحت فشار [3]

2) راکتور هاي آب سبک جوشان [4]

3) راکتور هاي خنک شونده با گاز[5]

4) راکتور هاي خنک شونده با آب سبک وکند کننده گرافيکي [6]

5) راکتور هاي آب سنگين تحت فشار[7]

6) راکتور هاي زاينده سريع با فلز مايع[8]

7)راکتور هاي خنک شونده با مواد آلي[9]

1-4-1 راکتورهای آب سبک

اولین راکتور قدرت که در ایالات متحده به صورت تجارتی وارد بازار شد راکتورهای حرارتی بودند که در آنها آب سبک به عنوان کند کننده ، بازتابنده و خنک کننده استفاده می شد. به طوری که اشاره شد آب دارای خاصیت کند کنندگی عالی می باشد. به علاوه خواص ترمو دینامیکی آن به خوبی شناخته شده و به آسانی با هزینه کم تهیه می شود . از طرف دیگر بخار آب دارای فشار زیاد است. این بدان معنی است که راکتورهای با آب سبک ( LWR ) باید در فشارهای زیاد کار کنند. در حال حاضر دو نوع راکتور آب سبک مورد استفاده می باشد. راکتورهای آب تحت فشار (PWR) و راکتورهای آب جوشان (BWR) . هر دو نوع راکتور در ایالات متحده مورد استفاده می باشند و هر دو نوع راکتور، انرژی به قیمت ارزانتر از نیروگاه های فسیلی به وجود می آورند.

1-4-2 راکتور آب تحت فشار

این نوع راکتور اولین راکتوری است که به طور تجارتی در ایالات متحده توسعه و تکامل یافته است. این نوع راکتور نیز در کشتی ها و نیروی دریائی در سرتاسر دنیا به عنوان مولد نیرو به کار می رود.

شکل(1-2 ) مقطع قلب راکتور از نوع تحت فشار را نشان می دهد. به طوری که در شکل نشان داده شده است آب با درجه حدود ℉ 550 وارد محفظه ی فشار می شود ، سپس از اطراف قلب به طرف پائین جریان پیدا کرده که می تواند به عنوان بازتابنده به کار رود ، بعد از داخل قلب به طرف بالا رفته در آنجا داغ می شود و بالاخره با درجه حرارت حدود ℉ 600 از محفظه خارج می شود. فشار آب در داخل یک راکتور PWR نوعی ، بین 2000 تا psia 2500 می باشد. در این فشار آب حداقل به مقدار زیاد به جوش نمی آید.

شکل 1-2) برشی از یک قلب راکتور آب تحت فشار[4]

از آنجا که آب در داخل راکتور به جوش نمی آید ، بخار برای توربین باید در خارج از راکتور تولید شود. تولید بخار در ناحیه داغ دستگاه های مولد بخار که دستگاه های انتقال حرارت تحت فشار می باشند تولید می شود. یک نوع مولد بخار معمولی در شکل(1-3) نشان داده شده است . آب خنک کننده تحت فشار داغ که از راکتور خارج می شود از پائین وارد مبدل حرارتی می شود و در داخل هزاران لوله U شکل وارونه به طرف بالا و پائین جریان پیدا می کند. سطوح خارجی این لوله ها با آب کم فشار و خنک تری که از چگالنده بر می گردد در تماس می باشد. حرارت آب داغ داخل لوله ها باعث به جوش آوردن آب و ایجاد بخار می شود. قسمت پائین دستگاه مولد بخار که در آن آب به جوش می آید دستگاه تبخیر نامیده می شود.

شکل 1-3) مولد بخار راکتور آب تحت فشار[4]

بخار مرطوب حاصل در دستگاه تبخیر در داخل دستگاه به طرف بالا حرکت کرده وارد قسمتی به نام طبل بخار می شود. بخار قبل از وارد شدن به توربین ها از دستگاه های جدا کننده رطوبت مختلف عبور می کند. نیروگاه های بزرگ راکتورهای تحت فشار دارای تا چهار مولد بخار می باشند و بخار با درجه حرارت ℉ 560 و فشارpsia 900 تولید می کنند . با این روش راندمان یک نیروگاه تحت فشار بین

32-33 درصد است.

از آنجا که آب مایع غیر قابل تراکمی است ، لذا تغییر جزئی در حجم خنک کننده منجر به تغییر فاحشی در فشار می شود که ممکن است اثر تخریبی زیادی روی دستگاه ها داشته باشد مثلا اگر به دلائلی حجم خنک کننده کاهش یابد موجب کاهش فشار شده درنتیجه قسمتی از آب در راکتور تبخیر می شود که این پدیده به نوبه خود باعث ذوب شدن بعضی از میله های سوخت می شود . برای جلوگیری از وقوع چنین حادثه ای در راکتور آب تحت فشار از دستگاه تنظیم کننده ی فشار¹ استفاده می شود. دستگاه تنظیم کننده ی فشار مطابق شکل( 1-4 ) از یک محفظه تشکیل شده که حاوی بخار در قسمت فوقانی و آب در قسمت تحتانی است. در بالای محفظه یک دریچه پخش فشار و در پائین آن یک گرم کن قرار دارد که هر دو در نتیجه تغییر فشار به کار می افتد و یا از کار می ایستند و دستگاه به طریق زیر عمل می کند. مثلا فرض کنیم در نتیجه کاهش بار نیروگاه قدرت خروجی توربین کاهش می یابد. این امر باعث ازدیاد موقت درجه حرارت متوسط خنک کننده راکتور شده در نتیجه باعث جوشش آب در قلب و سپس افزایش حجم بخار خنک کننده می شود. این عمل باعث افزایش فشار بخار می شود در نتیجه مقداری بخار از دریچه بخار خارج می شود تا فشار مجددا به حالت قبلی برگردد. آب سرد از یکی از شاخه های خنک کننده به قسمت فوقانی دستگاه فشار پاشیده شده موجب تبدیل مقداری بخار به مایع می‏گردد. این عمل ، فشار را کاهش داده و از ازدیاد فشار جلوگیری به عمل می آورد. اگر بار الکتریکی افزایش یابد ، حجم خنک کننده کم شده و سطح آب در دستگاه فشار پائین می افتد. در این لحظه کاهش فشار باعث جاری شدن مقداری آب به داخل دستگاه فشار شده و از تغییر فشار جلوگیری میکند. در این موقع کاهش فشار، گرم کن ها را به کار انداخته کاهش فشار را نیز جبران می کند.[4]

[1]. Reactor Vessel

[2]. Thermal Shield

[3].Boiling Water Reactor (BWR)

[4]. Pressure Water Reactor (PWR)

[5]. Gas Cooled Thermal Reactor (GCR)

[6].Liquid Water Gas Reactor ( LWGR) and RBMK

[7]. LWGR and RBMK

[8]. LMFBR/FBR

[9]. OLCR

دریافت فایل

جهت کپی مطلب از ctrl+A استفاده نمایید نماید


	نام :
	وب :
	پیام :
	2+2=:


(Refresh)

فروشگاه اینترنتی فایل ها این وبلاگ در زمینه فروش انواع مختلف فایل های آموزشی تحصیلی و دانشگاهی فعالیت می نماید

تأثیر آسیب دیدگی میله سوخت بر روند پیشرفت حوادث سنگین93 تأثیر آسیب دیدگی میله سوخت بر روند پیشرفت

تأثیر آسیب دیدگی میله سوخت بر روند پیشرفت حوادث سنگین93

1فصل اول

کلیات

1-1 مقدمه

1-2 اجزای مختلف راکتورهای هسته‏ای

1-3 راکتورهای هسته ای قدرت

1-4 انواع راکتور هاي قدرت

1-4-1 راکتورهای آب سبک

1-4-2 راکتور آب تحت فشار

مطالب مرتبط

بخش نظرات این مطلب