Reaktor kjøling

Materialer som er brukt som kjølemiddel i en atom reaktorer

Fra Wikipedia

En kjernefysisk kjølevæske brukes i en kjernefysisk reaktor til å fjerne varme fra kjernefysisk reaktorkjerne og overføre den varmen til elektriske generatorer eller miljøet. Ofte brukes en kjede med to kjølevæske-sløyfer fordi den primære kjølevæske-sløyfen pådrar seg kortsiktig radioaktivitet fra strålingen inne i reaktor kjernen. Ulykker har i hovedsak blitt forårsaket av tap av sirkulasjon i kjølesystemet. Herunder karakteriseres to klasser av kjøling:

1. Aktiv kjøling.
   Ved ulykke må pumper sirkulere kjølemiddelet gjennom reaktoren og varmevekslere for å fjerne restvarmen i reaktoren. Det krever at strøm er tilkoblet pumpene i den tiden det tar for restvarmen å minske til akseptabelt nivå for å unngå skader på reaktoren.
2. Passiv kjøling.
   
   Passiv kjøling i kjernekraftverk refererer til sikkerhetsanlegg som bruker naturlig konveksjon og gravitasjon til å kjøle reaktorkjernen i stedet for å være avhengig av aktive pumper eller strøm. Dette øker sikkerheten ved at systemet fungerer selv om strømmen skulle gå, og reaktorene kan lettere bygges i underjordiske anlegg. Hvordan det fungerer
    
   • Naturlig sirkulasjon: Varmen fra reaktorkjernen ledes bort av naturlig sirkulasjon av kjølevæske, styrt av varme og tetthetsforskjeller, uten at det kreves strøm for å drive pumper.
   • Termisk konveksjon: Varm gass stiger mens kald gass synker, noe som skaper en naturlig strøm som transporterer varme vekk fra reaktorkjernen.
   • Sikkerhetsfordeler: Dette gjør systemet mer robust mot feil, da det ikke er avhengig av elektrisk kraft for å fungere under en nødssituasjon.
   • Innkapsling: Passiv kjøling bidrar til at reaktorene kan innkapsles og plasseres under bakken, noe som øker sikkerheten mot ytre påvirkninger. 

Nesten alle kjernekraftverk i drift i dag er lettvannsreaktorer som bruker vanlig vann under høyt trykk som kjølevæske og nøytron moderator . Omtrent 1/3 er koke-vannreaktorer der den primære kjølevæsken gjennomgår faseovergang til damp inne i reaktoren. Omtrent 2/3 er trykkvann reaktorer med et trykk som har et enda høyere trykk. Nåværende reaktorer holder seg under det kritiske punktet ved rundt 374 ° C og 218 bar der skillet mellom væske og gass forsvinner, noe som begrenser termisk effektivitet , men den foreslåtte superkritiske vann reaktoren ville fungere over dette punktet.

Tungtvannsreaktorer bruker deuteriumoksid som har identiske egenskaper til vanlig vann, men mye lavere nøytron fangst , noe som gir bedre moderasjon.

Fordeler med vann

Vann har mange fordeler:

1. Nøytron moderasjon
2. God evne til å skjerme mot stråling
3. Rask halveringstid for farlige radioaktive isotoper bortsett fra Hydrogen isotopen tritium. Reaktoren kan åpnes for påfylling av brennstoff
4. Billig
5. God varmekapasitet (kan oppta mye varme)
6. God varmekonduktivitet (lednings evne)

Tritium lekkasje

Når hydrogenatomene i vannkjølemidler blir bombardert med nøytroner, absorberer noen et nøytron for å transmutere til deuterium , og deretter blir noen radioaktivt tritium . Vann forurenset med tritium lekker noen ganger til grunnvann ved et uhell eller med offisiell godkjenning.

Drivstoff stenger skaper høye temperaturer som koker vann til damp. Under et strømbrudd kan dieselkraft generatorer som gir nød kraft til vannpumper bli skadet av et tsunami, jordskjelv eller begge deler; Hvis ikke noe ferskvann pumpes inn i kjernen for å avkjøle drivstoff stengene, fortsetter drivstoff stengene å varmes opp. Når drivstoff stengene når mer enn 1200 ° C, vil zirkonium rørene som inneholder kjernebrensel samhandle med dampen og splitter hydrogen atomene fra vannmolekyler. Dette hydrogenet kan lekke ut fra sprekker i reaktorkjernen og i selve reaktoren. Hvis hydrogen akkumuleres i tilstrekkelige mengder – konsentrasjoner på 4% eller mer i luft – kan det eksplodere, som tilsynelatende har skjedd ved Fukushima Daiichi -reaktorer nr. 1, 3 og 4 . En slik eksplosjon ble unngått ved Reaktor nr. 2 , som åpnet ventilen sin for å slippe ut hydrogen, og reduserer trykket ved å frigjøre radioaktiv hydrogengass.

Borated Water brukes som et kjølevæske under normal drift av trykkvannsreaktorer (PWR) så vel som i nød-kjernekjølesystemer (ECC) av både PWR og koke vannreaktorer (BWR).

Bor , ofte i form av borsyre eller natrium-borat, er kombinert med vann – en billig og rikelig ressurs – der den fungerer som et kjølevæske for å fjerne varme fra reaktorkjernen og overførte varmen til en sekundærkrets.  En del av sekundærkretsen er damp generatoren som brukes til å snu turbiner og generere strøm. ‘Borated Water’ gir også de ekstra fordelene ved å fungere som en nøytron-gift på grunn av dets store nøytronabsorpsjons-tverrsnitt, der det absorberer overflødig nøytroner for å hjelpe til med å kontrollere reaktorens fisjon. Dermed kan reaktiviteten til atomreaktoren lett justeres ved å endre bor-konsentrasjonen i kjølevæsken. Det vil si når bor-konsentrasjonen økes (borasjon) ved å løse opp mer borsyre i kjølevæsken, reduseres reaktiviteten til reaktoren. Motsatt, når bor-konsentrasjonen reduseres (fortynning) ved tilsetning av mer vann, økes reaktiviteten til reaktoren.

Omtrent 90% av tritium i PWR-kjølevæsker produseres ved reaksjoner av bor-10 med nøytroner. Siden tritium i seg selv er en radioaktiv isotop av hydrogen, blir kjølevæsken forurenset med radioaktive isotoper og må forhindres fra å lekke ut i miljøet. I tillegg må denne effekten tas i betraktning for lengre sykluser med kjernefysisk reaktordrift og krever dermed høyere initial konsentrasjon av bor i kjølevæsken.

Raske reaktorer har en høy effekt tetthet og trenger ikke nøytron moderasjon. De fleste flytende metallkjølte reaktorer bruker kjølemiddel av smeltet natrium. Bly, bly-vismut og andre metaller er også blitt foreslått og av og til brukt . Kvikksølv ble brukt i den første raske reaktoren .

Fordeler med Smeltet metall

Smeltet metall har en mye større termisk rekkevidde enn vann med et mye høyere kokepunkt. Det er flytende opp imot langt høyere temperaturer og trenger ikke høyt trykk for å være flytende slik som vann. Det kan passivt kjøle en reaktor med konveksjon og trenger ikke pumper eller elektrisitet.

1. Opererer under lavt trykk og reaktoren trenger ikke å lages for å tåle store trykkforskjeller
2. God termisk rekkevidde (høyt kokepunkt)
3. God varmekapasitet
4. God varmekonduktivitet
5. Passiv kjøling av reaktor
6. God termisk effektivitet (høy temperatur under operasjon)
7. etc.

Ulemper med Smeltet metall

Ulike metaller har forskjellige egenskaper, men det mest brukte metallet i dag er natrium (sodium). Natrium er svært reaktivt og vil reagere sterkt i kontakt med vann, betong og andre materialer.

1. Svært reaktivt. Må holdes isolert til enhver tid og vannsykeliggjør installasjonen
2. Svært brann og eksplosjonsfarlig
3. Krever mer eksternt utstyr med flere varmevekslere
4. Reaktoren må holdes stengt og vanskeliggjør brennstoff manipulasjon
5. Blir radioaktivt i kontakt med reaktorkjernen
6. Naturlig natrium er giftig i store doser
7. etc

Smeltede salter deler med metaller fordelen med lavt trykk selv ved høye temperaturer, og er mindre kjemisk reaktive enn natrium . Salter som inneholder elementer som Flibe (fluor/litium/beryllium) kan også gi moderasjon. I Molten-Salt Reactor-eksperimentet fungerte det til og med som et løsningsmiddel som hadde kjernebrensel. Det er to typer salt som i hovedsak brukes:

1. Fluor baserte.
2. Klorid baserte

Fordeler med saltsmelte

1. Opererer under lavt trykk og reaktoren trenger ikke å lages for å tåle store trykkforskjeller
2. God termisk rekkevidde
3. God varmekapasitet
4. God varmekapasitet
5. Naturlig konveksjon som kan kjøle reaktoren uten elektrisitet
6. God termisk effektivitet
7. Muliggjør påfylling av brennstoff under oprasjon
8. Muliggjør kjemisk rensing av fisjons-produkter under operasjon
9. Nøytron absorberende gasser bobler ut av kjølevæsken av seg selv under operasjon
10. Muliggjør termiske ‘breedere’ med å oppløse brennstoffet U233, 235 i kjølemiddelet og et ‘blanket’ salt med oppløst thorium.
11. Muliggjør passiv sikkerhet med ‘dump’ tanker som kan tømme reaktoren for brennstoff i en kritisk situasjon.
12. etc

Ulemper med saltsmelte

Saltsmelte kan brukes i thorium reaktorer hvor brennstoffet er oppløst i saltet. Her er det mange ulemper som til nå ikke er løst.

1. Fisjons-produkter sirkuleres utenfor reaktorkjernen, noe som gjør alt utstyr svært radioktivt
2. Brukt som rent kjølemiddel blir det også radioaktivt, men i mindre grad enn hvis brennstoff er oppløst i saltet
3. Da hele systemet er radioaktivt må det vedlikeholdes av roboter eller annet fjernstyrt utstyr. Det vanskeliggjør driften og kan forårsake lange produksjons avbrudd
4. Komplisert kjemi hvor kjemien endrer seg i systemet. Høytemperatur kjemi i reaktorkjernen og lav temperatur i varmeveksleren
5. Vanskelig ‘online’ kjemisk behandling av ‘blanket’ og brennstoff salt i en ‘breeder’
6. Hele systemet må holdes under svært høy temperatur
7. etc

Gasser har også blitt brukt som kjølemiddel. Helium er ekstremt inert både kjemisk og med hensyn til kjernefysiske reaksjoner, men har en svak varme kapasitet. Ingen faseendring ved høye temperaturer er en av de største fordelene. Gass reaktorer kan oppnå svært høye temperaturer under operasjon som gjør at de er godt egnet til å produsere superkritisk steam for produksjon av strøm samt varme for industrielle formål, som produksjon av:

1. Hydrogen
2. Stål
3. Ammoniakk
4. Olje raffineri
5. etc.

Denne typen reaktor er under utvikling og har til nå ikke en kommersiell installasjon i drift.

Organisk modererte og avkjølte reaktorer var et tidlig konsept som ble studert, ved bruk av hydrokarboner som kjølemiddel. De lyktes ikke.