Az égési sebesség , vagy a kiégés , olyan tényező átalakítására a tömege a tüzelőanyag az energia .
Az atomenergia- technológiákban az égési sebesség (más néven égési vagy besugárzási sebesség ) méri a nukleáris üzemanyag azon részét, amelyet egy atomreaktorban fogyasztanak energia előállításához. Meghatározása szerint kifejezhető a maghasadáson átesett atomok százalékos arányával (angolul, FIMA% vagy hasadás egy kezdeti fématomra ), vagy a leadott energiával, gigawattnapokban kifejezve / üzemanyag tonnája (GWd) / t vagy GWd / t angolul) vagy tonnánként "heavy metal".
Az égési sebesség százalékos meghatározása egyszerű: az égési sebesség 5%, ha a hasadó atomok 5% -a maghasadáson ment keresztül . A nukleáris iparban azonban ezt a százalékot a gyakorlatban nehéz megmérni, ezért inkább az alternatív meghatározást kell alkalmazni. Az égési sebesség kiszámítható úgy, hogy megszorozzuk a reaktor hőteljesítményét ( hőmegawattban ) annak üzemidejével (általában néhány száz nappal ), és ezt az energiát elosztjuk a mag kezdeti tömegével. Így például, ha egy 1000 MW-os (300 MW nagyságrendű elektromos) reaktor hattonnás magja egy évig működik, akkor annak elégetése 365 x 1000/6, azaz 60 833 MW j t - 1 lesz.
A százalékos arány és a tömeg szerinti energia közötti átváltáshoz át kell menni az arányosság tényezőjén, a hasadás után felszabaduló hőenergián: ez a felszabadult energia nemcsak a tényleges hasadási fragmensek kinetikus energiáját tartalmazza, hanem a hasadással járó gammasugarak energiája, valamint a hasadási termékek által később felszabaduló energia . Ez az energia jellemzően 200 MeV nagyságrendű . Ennek az értéknek a felhasználásával a maximális 100% -os égési sebesség (lehetetlen elérni, mert ez a reaktorban lévő összes nukleáris üzemanyag hasadásával járna ) hozzávetőlegesen 938 GWd / t . A gyakorlatban fenntartják, hogy 10 GWd / t égési sebesség megegyezik a „nehézfém” 1% -ának felhasználásával.
A "nehézfém", amelynek elfogyasztott frakcióját megmérik, bármilyen aktinid lehet, amely képes a nukleáris üzemanyag-ciklus táplálására : urán , de plutónium vagy tórium (a tórium-ciklusban ), vagy akár más egzotikusabb transzurán is . "Nehézfémnek" hívják, hogy megkülönböztesse azokat a többi fémtől, amelyek jelen lehetnek a szív felépítésében. Ezt a „nehézfémet” leggyakrabban fémötvözet vagy oxid formájában használják, de más formákat (karbidokat, sókat stb.) Is alkalmaznak. Ennek a fémnek a jellege változhat a besugárzás során: így a tórium tömege fokozatosan átalakul urán 233-ba, mielőtt megrepedhet, és hasonló módon az urán 238 átalakul neptúniummá, majd plutóniummá : minden esetben az atom képes hasadni még akkor is „nehézfémnek” minősül, ha a hosszan tartó besugárzás kisebb aktinidokká fejlődik .
A kezdeti kémiai összetétel alapján az égési sebesség a fő tényező, amely meghatározza egy besugárzott tüzelőanyag-elem izotópos összetételének alakulását a reaktorban. A többi figyelembe veendő tényező a neutronspektrum , és mellesleg a neutronfluxus vagy a besugárzás időtartama.
Egy működő atomreaktorban a hasadási termékek (amelyek közül néhány neutronméreg ) felhalmozódása fokozatosan rontja a mag atomreaktivitását . Amikor ez a felhalmozódás már nem teszi lehetővé a láncreakció fenntartását , a reaktort végül le kell állítani és ki kell cserélni a kiégett fűtőelemeket.
Az égési sebesség határozza meg a plutónium izotópos összetételét is, amelyet a termékeny urán 238 aktiválása hoz létre . A "katonai minőségű" plutónium előállításához , amelynek főleg 239 Pu , a lehető legkevesebb 240 Pu és 242 Pu értékkel kell rendelkeznie, a lehető legalacsonyabb égési sebességre van szükség, ezért a mag tüzelőanyag-elemeit nagyon gyakran cserélni kell.
A atomerőműben mindenekelőtt hőerőmű, hogy használja a hőenergia felszabaduló maghasadás , hogy a villamos energia előállítására . A hálózatra továbbított elektromos energia közvetlenül függ az adott létesítmény hőenergiájától (főleg a Carnot-ciklus konverziós hatásfokától ). Gazdasági szempontból tehát az égési sebesség közvetlenül megfelel annak a hőenergiának, amelyet a "nehézfém" termelt, és a magas égési sebesség elérése azt a hatékonyságot tükrözi, amellyel ezt a "nehézfémet" alkalmazták.
Az atomerőmű üzemeltetéséhez a magas égési sebesség elérésének számos előnye van:
A maximális égési sebesség a reaktor technológiai kialakításától függ. A kereskedelmi reaktorokban az égési sebességet korlátozó tényező a tüzelőanyag-elemek mechanikai szilárdsága: a gáznemű hasadási termékek és a radiolízissel az üzemanyagból felszabaduló oxigén belső nyomást generál, amely végül elfárasztja az anyagot, különösen mivel a hőmérséklet magas. Túlzottan magas égési sebesség esetén elkezdjük megfigyelni az egységek szerkezetének olyan deformációit, amelyek a vezérlőrudak elakadásának kockázatához vezetnek, és a hüvelyek nagyobb korróziójához vezetnek a vízben (ezért gázos hasadási termékek szabadulnak fel. Radioaktív ). Ezeknek a korlátozásoknak a leküzdése érdekében a -4 cirkaloy-tól eltérő ötvözeteket kell használni.
A maximálisan elérhető égési sebesség a mag kezdeti reaktivitásától, tehát a felhasznált nukleáris üzemanyag dúsítási sebességétől függ : minél nagyobb a dúsulás, annál jobban növelhető az égési sebesség. Az égési sebességet azonban az üzemanyag elemek mechanikai szilárdsága is korlátozza, így a kapcsolat a másik irányban működik: a kiválasztott dúsítás az, amely lehetővé teszi a mechanikai szilárdság által engedélyezett égési sebesség elérését. A tervezés optimalizálása esetén a megengedett mechanikai határértéket el kell érni, miközben a mag nukleáris reaktivitása elégtelenné válik.
Mivel a mechanikailag korlátozó tényező a leginkább besugárzott elem égési sebessége, az is kívánatos, hogy az égési sebesség a lehető legegyenletesebb legyen, mind az üzemanyagelemen belül, mind az elemen belül, egy szívben. Azokban a reaktorokban, ahol üzem közben a tüzelőanyag-elemek mozgatása vagy cseréje lehetséges, ezek a műveletek kombinálhatók ennek az eredménynek az elérése érdekében. Az egységenként újratöltött reaktorokban viszont szükség van az égési sebesség szabványosítására a vezérlőrudak beállításával és az üzemanyagelemek újrapozícionálásával az egység leállása során, amikor csak a mag töredékét cserélik ki.
A kiégett fűtőelemek feldolgozása nélküli nukleáris üzemanyag-ciklusban a világ nukleáris iparban a fűtőelemek többsége hulladéknak számít, és potenciálisan hasznosítható „nehézfém” -tartalma (urán és plutónium) elvész. A magas égési sebesség jobban kihasználja a 235 uránt és a 238 urán által termelt plutóniumot , ezáltal csökkentve az uránigényt ebben a ciklusban az áramlási irányban és a radioaktív hulladék mennyiségét az áramlási irányban.
A reaktorban a magas égési arány eléréséhez azonban a tüzelőanyag-elemekben felhasznált urán dúsulásának nagyobbnak kell lennie. Magas égési sebességet fizetnek akkor a nukleáris ciklus előtt a magasabb dúsítási költségek, a szegényített urán több kibocsátása és az uránérc iránti nagyobb kereslet .
A kiégett fűtőelemek kezelése elméletileg lehetővé teszi, hogy a ciklus kevésbé érzékeny legyen az égési sebesség kérdéseire: ez a kezelés lehetővé teszi a hasadási termékek ( neutronmérgek ) elválasztását a "nehézfémek" maradékától, az utóbbi elméletileg újrafeldolgozható mint üzemanyag elem.új. A gyakorlatban azonban az újrafeldolgozások számát korlátozza az U-234 és az U-236 izotópok fokozatos felhalmozódása az újrafeldolgozott uránban.
Ami a tárolására HA-VL hulladék , a felszabaduló hő e hulladékok (az egyik korlátozó tényező a mélységi geológiai elhelyezés ) főleg az hasadási termékek köztes felezési különösen 137 Cs és 90 Sr. . Mivel ezek az elemek a hasadással arányosan halmozódnak fel, az üzemanyag-elem által leadott hő elsősorban az általa generált teljes energiától függ, nem annyira az égési sebességétől. Előállítása egy adott mennyiségű energia zárt ciklus kiégett fűtőelemek kezelésére potenciálisan vezet kisebb mennyiségű hulladék (mivel a térfogat „heavy metal” újrahasznosított), de ez a hulladékot ezután koncentráljuk, és ezért a nagyobb fajlagos aktivitása. Fontos : szemüveges hígításuk csökkenti a hulladék tömegteljesítményét, de a térfogat növekedésének kárára.
A második generációs atomreaktorokat általában 40 GWd / t körüli égési sebesség elérésére tervezték , amelyhez körülbelül 4% -os dúsítás elegendő. Az új nukleáris üzemanyagok , beleértve a fogyó mérgeket is , lehetővé teszik ugyanezekben a reaktorokban akár 60 GWd / t égési sebesség elérését , ami 5% -os dúsítást igényel. Reméljük, hogy el tudjuk érni a 70 GWd / t, ami akár 6% -os dúsítást igényelne.
A számítások szerint néhány újabb kivitelű könnyűvíz-reaktor képes elérni a 90 GWd / t-t .
A gyors neutronreaktor kevésbé hajlamos a hasadási termékekkel való mérgezésre, és egy ciklus során eleve magasabb égési sebességet érhet el. 1985-ben az EBR-II reaktor fémmagja így 19,9% -os, majdnem 200 GWd / t égési sebességet ért el .
A IV . Generációs reaktorokban a héliummal hűtött, gyors neutronreaktor , amely transzurán elemek égetőjeként működik (ebben a konfigurációban DB-MHR, Deep Burn moduláris héliumreaktornak hívják ) elérheti az 500 GWd / t .