Drift af fissionsreaktor

[harbst]

Denne tråd starter lidt brat, da den er opstået ved splitning af tråden "batterityper". Forudsætningen er, at Morten jødal har fremsat påstanden, at 6% af energien fra en fissionsreaktor (med rimeligt nyt brændsel) stammer fra radioaktivt henfald. Herpå svarer harbst:
Jeg har ikke kunnet finde tallet men er overbevist om at det er metet større end det du nævner.

Den del, du har fat i, kan være rigtig efter måske et minut.

[Morten Jødal]

Jeg citerer Kemeny-rapporten, dansk udgave, Albatros 1979, side 18:
Mindre end 1 sekund senere (min fremhævelse) var varmeudviklingen fra fissionsprocessen nede på nul. Men - som i enhver anden reaktor - fortsatte de radioaktive materialer, der henfaldt, med at opvarme reaktorens kølevand. Denne varme var kun en lile del - omkring 6 pct. - af den varme, som produceres ved fission ...

Jeg kan ikke huske hvorfra jeg har de 8% i en reaktor med ældre brændselsstave, men det er fra en faglig artikel, der beskæftigede sig med samme uheld og vurderede, hvad konsekvensen ville have været af et tilsvarende uheld på TMI-1 (svaret var iøvrigt: sandsynligvis en katastrofe med "kina-syndrom", da reaktoren ikke ville have holdt).

Jeg vil dog medgive dig, at spørgsmålet kan give anledning til en lang og frugtesløs diskussion, for hvor meget omfatter "selve fissionsprocessen"?
Ved en fission dannes der typisk
- 2 datterkerner (begge radioaktive)
- 2-3 neutroner
- 1-2 gammakvanter
Energien fra fissionen findes derfor som
- kinetisk energi i de to kerner, der stødes bort fra hinanden
- kinetisk energi i neutronerne
- fotonenergi i gammakvanterne
Hvis én af disse dele (fx gammastrålingen) ikke medregnes i "selve fissionen", bliver andelen af "radioaktivitet" naturligvis højere end hvis man kun medregner energien fra de sekundære henfald.

[harbst]

Hvis du har læst det med at der altid er to datterkerner i nævnte rapport, er den ikke meget bevendt som en fuldstændig beskrivelse.

både tre og fire datterkerner forekommer, om end i mindre hyppig omfang.

Graden af energien der kommer efter selve den primære fision afhænger af det fissible materiale.  U233 , U 235, u 238 og Pu 239 forekommer i varierede forhold efterhånden som brændselselementerne bruges, tilsvarende danes Sm 149 og andre gifte.
Dette betyder at andelen af de mange mulige fisionsprocesser og overskudsreaktiviteten ændres med tiden.
Derfor er der intet underligt i at også andelen af "eftervarmen" ændres.
Det gør så også reakterns dynamiske data, hvilket der må tages højde for i reguleringssystemet.


Det irritere mig, at jeg ikke kan finde nogle bedre tal for den. 

[Morten Jødal]

Hvis du har læst det med at der altid er to datterkerner i nævnte rapport, er den ikke meget bevendt som en fuldstændig beskrivelse.

Det har jeg ikke!
Kemeny-rapporten var den officielle rapport om TMI-2-uheldet og beskriver kun dette. De 6% og intet andet har jeg derfra. De 8% i en ældre reaktor har jeg som nævnt fra en faglig artikel om samme emne, men jeg husker ikke hvilken - jeg har læst et par hundrede.

Jeg havde forudset, at du på nuværende tidspunkt ville være nået til at forsøge at fange mig i fejl, så jeg skrev for en sikkerheds skyld "typisk" i mit forrige indlæg. Jeg har undervist i fissionsprocesser på gymnasieniveau og er udmærket klar over, at der er utallige variationsmuligheder. Men jeg fastholder, at den beskrevne situation er typisk.

[harbst]

I min leden efter det tal , som jeg ikke kan finde, fandt jeg så meget andet interessant i gamle lærebøger og notater.

Det er ikke helt sandt at man øjebkikkelig kan standse al fision i reaktoren.  Man kan bringe reaktionen ( multiplikatinsfaktoren) ned så kædereaktionen dør ud.  Men der kommer stadig forsinkede neutroner fra nogle af de radioaktive henfald. Disse forårsager med en vis sandsynlighed også fision.   Reaktorer er bygget til at denne sandsynlighed skal blive størst mulig.

[Morten Jødal]

Det er ikke helt sandt at man øjebkikkelig kan standse al fision i reaktoren

Jeg vil gerne medgive, at lige præcis dette fænomen ligger ud over gymnasiepensum, men jeg har dog mødt det under mit studium.
Jeg gør imidlertid opmærksom på, at de normale reaktionstider i en fissionsproces måles i nanosekunder, så der er plads til ret mange forsinkelser (nogle millioner)inden for det tidsrum på "mindre end 1 sekund", Kemeny-rapporten anfører, og jeg har ikke haft grund til at betvivle tidsangivelsen.

[harbst]

Det du kender som nanosekunder må være tiden fra en kerne har absorberet en neutron og til den er spaltet i 2 til 4 stykker , samt 2 til 3 neutroner. Middellevetiden af neutronerne til en af dem igen forårsager en fisionsaborbtion tælles i sekunder.

Det betyder at hele den dynanmiske udvikling af neutronfluxen i en overkritisk reaktor ikke er hurtigere en at den kan håndreguleres af et menneske, og stabiliseres til netop kritisk, når den ønskede flux er nået.

De forsinkede neutroner gør naturligvis udviklingen langsommere. De er kun en ringe andel (_ca 0,5 %), men den langsomme eftervirkning spiller en rolle for reguleringen, og gør den vanskelligere.

Når man søger at nå præcis kritisk størrelse, vanskelliggør det da sagen at en del halter minutter efter hovedparten.

En af de radioaktive efterkommere der giver neutroner er xe 137 med en halveringstid på knap 4 minutter.   

[Morten Jødal]

hele den dynanmiske udvikling af neutronfluxen i en overkritisk reaktor ikke er hurtigere en at den kan håndreguleres af et menneske, og stabiliseres til netop kritisk, når den ønskede flux er nået.

Vi er nu ude i de virkelig små petitesser - men jeg vil alligevel drille dig med at bemærke, at den citerede antagelse netop var central for de operatører, der lavede eksperimenter på Tjernobyl under en nedlukning. Det udviklede sig som bekendt til en katastrofe!
Du har naturligvis ret under normal drift, og når det drejer sig om små reguleringer.

Derimod kan du ikke regne med uændret middellevetid af en neutron, når kontrolstængerne er helt i bund. Deres funktion er netop af absorbere stort set alle neutroner, så middellevetiden forkortes og chancen for en ny fission falder til (næsten) nul. Da et par uranisotoper har spontan fission (hvilket er væsentligt under opstart af en reaktor), bliver omsætningen naturligvis aldrig nul i matematisk forstand.
Til gengæld tror jeg det beskedne bidrag fra spontan fission er medregnet i de 6% radioaktivitet ...

P.S. Vi har nu bevæget os fra emnet "batterityper" over nogle sproglige overvejelser af, hvad der bør kaldes "a-kraft" til dybe tekniske detaljer vedrørende drift af en fissionsreaktor.
Kommer der flere indlæg i det spor, skifter jeg alligevel mening og benytter min ret som moderator til at splitte tråden.

[harbst]

Du er velkommen til at ændre tråden.

Jeg ved ikke om neutronernes middellevetid ændres af kontrolstængerne.  Det er vel mere et spørgsmål om neutronen ender sit frie liv med at absorberes, så den skaber ny fision, eller om den ender på anden måde.

Kontrolstænger kan også  være med en moderator som f.eks en plast med kulstof og brintatomer, så reaktiviteten øges når de skubbes ind.

Man skal her nok skelne mellem kontrolstænger til regulering og de der brouges ved scram.

Både til regulering og til scram kan det være fordelagtigt at injisere gift i moderatorvandeti stedet for at bruge kontrolstænger. Det giver en mere sikker og homogen virkning.

[Bent Andersen]

Er det bare mig der ikke forstår, eller er denne tråd noget afsporet?
Men man kunne selvfølgelig tale om fissionsbatterier vs fusionsditto.
 

[Morten Jødal]

Er det bare mig der ikke forstår, eller er denne tråd noget afsporet?
Men man kunne selvfølgelig tale om fissionsbatterier vs fusionsditto.
 

Ja, den er blevet afsporet - og derfor splittet. Den nye overskrift er nogenlunde dækkende for indholdet i den sidste del af tråden.

Jeg vil herefter svare harbst:

Der er i enhver fissionsreaktor, jeg er stødt på - bogstaveligt eller i litteraturen - kun ét sæt kontrolstænger, der har til opgave at absorbere neutroner.

I alle fornuftige konstruktioner hænger kontrolstængerne øverst i reaktoren, båret oppe af et magnetfelt, så de falder ned alene ved tyngdekraftens hjælp i tilfælde af et uheld - herunder strømafbrydelse. Under normal drift kan de være delvist sænkede - eller en del af dem kan være sænket ned - for at dæmpe reaktionen.

I den sammenhæng var Tjernobyl IKKE en fornuftig konstruktion, for der sad kontrolstængerne forneden og skulle køres OP ved hjælp af en elmotor - eller alternativt mekanisk med håndsving.
Da operatørerne afbrød strømmen for at lave et eksperiment under nedlukning, viste det sig, at håndsvinget var for langsomt til at hindre en katastrofe ...
På TMI-2 derimod fungerede det som jeg beskrev først, og det virkede.

DERUDOVER har mange reaktorer mulighed for at "forgifte" vandet i reaktoren, fx med bor, som effektivt absorberer neutroner. Det vil kunne begrænse et uheld under udvikling, hvis kontrolstængerne svigter, men vil selvfølgelig gøre det til en dyr historie at genstarte reaktoren, idet en meget stor vandmængde skal udskiftes totalt inden det kan ske. Jeg har ikke kendskab til tilfælde, hvor dette "nødstop" er blevet brugt i praksis. Ved TMI-2-uheldet var det ikke aktuelt, da kontrolstængerne fungerede upåklageligt.

Jeg har som nævnt heller ikke kendskab til praktiske konstruktioner, hvor kontrolstænger med positiv feedback på neutronstrømmen er blevet brugt. men Harbst, du er meget velkommen til at linke eller på anden måde henvise til et sådant værk. Jeg kunne måske forestille mig, at de blev brugt til finregulering i en forskningsreaktor?

Jeg vil afslutningsvis sige, at neutroner i en fissionsreaktor er udsat for adskillige hundrede sammenstød, fra de forlader det spaltede atom med høj energi, indtil de med lav energi kan absorberes i et uranatom og udløse fission af dette - det er nemlig kun "langsomme" neutroner, der kan reagere med urankerner.
Derimod vil andre grundstoffer, fa cadmium, gerne reagere med - og optage - de "hurtige" neutroner. Jeg har simpelthen ikke fantasi til at forestille mig, at det ikke forkorter middellevetiden væsentligt, når en stor mængde cadmium pludselig placeres midt i neutronbanerne!

[harbst]

Hej Morten

Nu er det gået op for mig hvorfor der hele tiden er noget galt med dine udsagn.

Du har kun interesseret dig for reaktorer i forbindelse med uheld, og er helt blank på de forhold der har med den velfungerende reaktor at gøre.

De stænger der hænger i magneter er til scram, og ikke til regulering af reaktoren.
Når styret forgiftning er interessant, er det fordi det giver en mere homogen fluxfordeling end regulering ved  kontrolstænger, som ifølge sagens natur ikke kan virke jævnt over hele reaktorkernen.
Homogen flux giver mulighed for større effekt , uden "hot spot" og dermed bedre udnyttelse af brændslet. Giften  fjernes ved at rense vandet i takt med at brændslet forgifter sig selv.
Det er simpelthen noget vrøvl at hurtige neutroner ikke kan give fision. Tværtimod kræver fision i U238 indfangning af en neutron med energi over 1,5 MeV.
Neutronerne frisk fra fisionen  har energier fra 0,1 til 10 MeV . Men i middel ikke nok til at få en vedholdende kædereaktion i ren U238.

Men den hurtige fision tæller skam med i det samlede neutronregnskab , også i det vi kalder termiske reaktorer.
Hurtigfisionsfaktoren er en del af multiplikationsfaktoren. Mine gamle noter sige at den kan være op til 1,04.

[harbst]

I alle fornuftige konstruktioner hænger kontrolstængerne øverst i reaktoren, båret oppe af et magnetfelt, så de falder ned alene ved tyngdekraftens hjælp i tilfælde af et uheld - herunder strømafbrydelse. Under normal drift kan de være delvist sænkede - eller en del af dem kan være sænket ned - for at dæmpe reaktionen.

Nej i kogendevandsreaktorerne kan man af hensyn til damptørreren  ikke have kontrolstængerne over reaktorkernen.  Der er man nød til at skyde dem op nedefra. Man kan dog i den type også regulere ved pumpetrykket  og udnytte voidkoefficienten, forudsat at den er negativ, som den eri alle fornuftige og sikre kraftreaktorer.  
Desværre var den positiv i den forulykkede reaktor i tjernobyl. Men det ved du vel.

[Morten Jødal]

Jeg beklager, at jeg hele tiden er tilbøjelig til at overse kogendevandsreaktoren, som jeg - allerede da jeg i midthalvfjerdserne  interesserede mig for A-kraft og studerede forskellige typer - afskrev som teknisk for usikker, bl.a. fordi princippet giver risiko for radioaktive udslip til omgivelserne selv under normal drift og ved små uheld.
Dine øvrige indvendinger er virkelig petitesser. Det afgørende i forhold til den oprindelige debat er, at neutronernes middellevetid falder voldsomt, når kontrolstavene bliver skudt ind mellem brændselselementerne (du har fortsat ikke givet mig eksempler på praktisk anvendte konstruktioner, der har kontrolstænger med positiv feedback).
Jeg var forøvrigt A-krafttilhænger indtil - og lidt efter - jeg begyndte at studere de forskellige reaktortyper. Men så tog den danske debat for alvor fart, og politikerne enedes hurtigt om, at den bedste reaktor til danske forhold var den billigste, som jeg ikke fandt sikker nok, og så blev jeg omvendt! Politikere er simpelthen ikke driftsikre nok til A-kraft ... 
Det er korrekt, at meget af min detaljerede viden stammer fra mine senere studier af TMI-2 (på dette tidspunkt var ingen gymnasieklasser længere interesseret i at læse A-kraft som specialeemne). Men det er 100% sikkert, at der i denne trykvandsreaktor kun var ét sæt kontrolstænger, som benyttedes både til regulering og scramming.
Min præference dengang i 70'erne var forøvrigt CANDU-reaktoren, som jeg fik indtryk af, at politikerne så bort fra, mest fordi den ikke var konstrueret i USA - og dernæst fordi den er ret dyr at bygge. En trykvandsreaktor som de to på TMI anså jeg for den næstbedste type.
Jeg har ikke gemt mine gamle noter fra den tid. Men harbst, jeg er tilbøjelig til at tro, at dine til gengæld omfatter alle de mulige principper - med for lidt hensyntagen til, hvad der i praksis blev udbredt.

[B Mønnike]

Hvordan aktiverer man kontrolstængerne i A kraft debatter?
 



Jeg er dog enig med Morten om politikere generelt og kunne forestille mig,
 at en tilbagevenden til et tokammersystem
på Christiansborg, ville kunne fratage de mest tåbelige politikere mulighederne
for at gennemføre deres "Hallehøj her kommer jeg" profileringer.