Спад тепла - Decay heat

Таблетка РИТЭГ светится красным из-за тепла, выделяемого при радиоактивном распаде диоксида плутония-238 , после испытания на теплоизоляцию.

Остаточное тепло - это тепло, выделяющееся в результате радиоактивного распада . Это тепло образуется в результате воздействия излучения на материалы: энергия альфа- , бета- или гамма-излучения преобразуется в тепловое движение атомов.

Тепло распада происходит естественным образом в результате распада долгоживущих радиоизотопов, которые изначально присутствуют при образовании Земли.

В ядерной реакторной технике остаточное тепло продолжает генерироваться после того, как реактор был остановлен (см. SCRAM и ядерные цепные реакции ) и производство электроэнергии было приостановлено. Распад короткоживущих радиоизотопов, образовавшихся при делении, продолжается на высокой мощности в течение некоторого времени после отключения . Основной источник производства тепла в недавно остановленном реакторе связан с бета-распадом новых радиоактивных элементов, недавно образовавшихся из осколков деления в процессе деления.

Количественно в момент остановки реактора остаточное тепло от этих радиоактивных источников все еще составляет 6,5% от предыдущей мощности активной зоны, если реактор имел долгую и стабильную историю мощности . Примерно через 1 час после выключения остаточное тепло составит около 1,5% от предыдущей мощности ядра. Через сутки тепловыделение упадет до 0,4%, а через неделю будет всего 0,2%. Поскольку радиоизотопы всех длин половины жизни присутствуют в ядерных отходов , достаточно тепла распада продолжает производиться в отработанных топливных стержней , чтобы требовать от них , чтобы провести как минимум один год, и более типично от 10 до 20 лет, в отработавшего топлива бассейн воды перед дальнейшей обработкой. Однако тепло, произведенное за это время, по-прежнему составляет лишь небольшую часть (менее 10%) тепла, произведенного в первую неделю после отключения.

Если никакая система охлаждения не работает для отвода остаточного тепла из поврежденного и недавно остановленного реактора, остаточное тепло может привести к тому, что активная зона реактора достигнет небезопасных температур в течение нескольких часов или дней, в зависимости от типа активной зоны. Эти экстремальные температуры могут привести к незначительному повреждению топлива (например, несколько отказов топливных частиц (от 0,1 до 0,5%) в конструкции с графитовым замедлителем и газовым охлаждением) или даже к серьезному структурному повреждению активной зоны ( расплавление ) в легководном реакторе или жидкометалле. быстрый реактор. Химические вещества, выделяемые из поврежденного материала активной зоны, могут привести к дальнейшим взрывным реакциям (пар или водород), которые могут еще больше повредить реактор.

Естественное явление

Естественное тепло распада является значительным источником тепла внутри Земли . Радиоактивные изотопы урана , тория и калия вносят основной вклад в это тепло распада, и этот радиоактивный распад является основным источником тепла, из которого происходит геотермальная энергия .

Распад тепла играет важную роль в астрофизических явлениях. Например, широко распространено мнение, что кривые блеска сверхновых типа Ia связаны с нагревом, обеспечиваемым радиоактивными продуктами распада никеля и кобальта на железо ( кривая блеска типа Ia ).

Энергетические реакторы в остановленном состоянии

Остаточное тепло как часть полной мощности для реактора, SCRAM которого отключили от полной мощности в момент времени 0, с использованием двух различных корреляций

В типичной реакции ядерного деления 187 МэВ энергии высвобождаются мгновенно в виде кинетической энергии от продуктов деления, кинетической энергии от нейтронов деления, мгновенных гамма-лучей или гамма-лучей от захвата нейтронов. Еще 23 МэВ энергии высвобождаются через некоторое время после деления из бета - распада от продуктов деления . Около 10 МэВ энергии , выделяющейся из бета - распада из продуктов деления в виде нейтрино , а так как нейтрино очень слабо взаимодействуют, это 10 МэВ энергии не будет сдан на хранение в активной зоне реактора. Это приводит к тому, что 13 МэВ (6,5% полной энергии деления) откладываются в активной зоне реактора в результате замедленного бета-распада продуктов деления через некоторое время после того, как произошла какая-либо конкретная реакция деления. В установившемся режиме это тепло от бета-распада продуктов деления с задержкой составляет 6,5% от нормальной тепловой мощности реактора.

Когда ядерный реактор остановлен и ядерное деление не происходит в больших масштабах, основным источником производства тепла будет задержанный бета-распад этих продуктов деления (которые возникли в виде осколков деления). По этой причине в момент остановки реактора остаточное тепло будет составлять около 6,5% от предыдущей мощности активной зоны, если у реактора была длительная и стабильная история мощности . Примерно через 1 час после выключения остаточное тепло составит около 1,5% от предыдущей мощности ядра. Через сутки тепловыделение упадет до 0,4%, а через неделю будет всего 0,2%. Скорость образования остаточного тепла будет продолжать медленно снижаться с течением времени; кривая распада зависит от пропорций различных продуктов деления в активной зоне и от их соответствующих периодов полураспада . Приблизительное значение кривой остаточного тепла, действительное от 10 секунд до 100 дней после отключения:

${\ displaystyle {\ frac {P} {P_ {0}}} = 0,066 \ left (\ left (\ tau - \ tau _ {s} \ right) ^ {- 0,2} - \ tau ^ {- 0,2} \ Правильно)}$

где - мощность затухания, - мощность реактора перед остановом, - время с момента пуска реактора, - время останова реактора, отсчитываемое от момента пуска (в секундах). Для подхода с более прямой физической основой в некоторых моделях используется фундаментальная концепция радиоактивного распада . Отработанное ядерное топливо содержит большое количество различных изотопов, которые вносят вклад в тепло распада, и все они подчиняются закону радиоактивного распада, поэтому в некоторых моделях теплота распада рассматривается как сумма экспоненциальных функций с различными константами распада и начальным вкладом в тепловую скорость. . Более точная модель могла бы учитывать эффекты прекурсоров, поскольку многие изотопы проходят несколько этапов в своей цепочке радиоактивного распада , и распад дочерних продуктов будет иметь больший эффект в течение длительного времени после отключения. ${\ displaystyle P}$${\ displaystyle P_ {0}}$${\ Displaystyle \ тау}$${\ Displaystyle \ тау _ {s}}$

${\ displaystyle {\ frac {P} {P_ {0}}} = \ sum _ {i = 1} ^ {11} P_ {i} e ^ {- \ lambda t}.}$

Отвод остаточного тепла является серьезной проблемой безопасности реактора, особенно вскоре после нормального останова или после аварии с потерей теплоносителя . Отказ от удаления распада тепла может вызвать температура активной зоны реактора подняться до опасного уровня и вызвал ядерные аварии , в том числе ядерных аварий на Three Mile Island и Фукусима I . Отвод тепла обычно достигается с помощью нескольких избыточных и разнообразных систем, из которых тепло отводится через теплообменники. Вода проходит через вторичную сторону теплообменника через основную систему технической воды, которая рассеивает тепло в «конечный поглотитель тепла», часто в море, реку или большое озеро. В местах, где нет подходящего водоема, тепло рассеивается в воздухе за счет рециркуляции воды через градирню . Отказ циркуляционных насосов ESWS был одним из факторов, поставивших под угрозу безопасность во время наводнения на АЭС Блайяйс в 1999 году .

Отработанное топливо

Через год типичное отработавшее ядерное топливо производит около 10 кВт остаточного тепла на тонну , а через десять лет оно снижается до 1 кВт / т. Следовательно, эффективное активное или пассивное охлаждение отработавшего ядерного топлива требуется в течение ряда лет.

Смотрите также

• Энергия распада
• Бассейн отработавшего топлива
• Хранение сухих контейнеров
• Радиоизотопный термоэлектрический генератор

использованная литература

внешние ссылки

• Справочник DOE по основам - Тепловые распада, Ядерная физика и теория реакторов - том 2 из 2, модуль 4, стр. 61
• Оценка остаточного тепла для MNR , стр. 2.
• Java-приложение Spent Nuclear Fuel Explorer, показывающее активность и остаточное тепло как функцию времени