Přeskočit na obsah

Stupeň vyhoření

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Vyhořelé jaderné palivo z jaderných reaktorů v Hanfordu

Stupeň vyhoření (také známý jako vyhoření nebo využití paliva) je v jaderné energetice měřítkem toho, kolik energie bylo z jaderného paliva uvolněno. Většinou se udává jako množství energie uvolněné na hmotnost počátečního paliva v gigawattdnech / tunu těžkého kovu (GWd/tHM). Někdy se však udává i jako podíl počtu štěpení na počet atomů kovu (angl. fissions per initial metal atom, FIMA) nebo podíl počtu štěpení na počet štěpných atomů (angl. fissions per initial fissile atom, FIFA)[1]

Jednotky vyhoření

[editovat | editovat zdroj]

Podíl štěpení na počet atomů

[editovat | editovat zdroj]

Pokud 5 % původních atomů těžkých kovů prošlo štěpením, vyhoření je 5 % FIMA. Pokud bylo palivo původně obohacené na 5 % 235U a zbytek paliva je tvořen neštěpným 238U, vyhoření je 100 % FIFA . a lze vypočítat následovně:

,

,

kde je počet rozštěpených atomů, je celkový počet atomů kovu a je počet štěpných atomů.

Hodnota může být vyšší než 1 pokud je součástí paliva množivý materiál, například 238U, který se po neutronovém záchytu přemění na štěpné 239Pu. Maximální teoretická hodnota FIFA závisí na množivém faktoru. [1]

Energie uvolněná na hmotnost paliva

[editovat | editovat zdroj]

Mnohem praktičtějším ukazatelem je množství energie uvolněné na hmotnost paliva, tato veličina je v reaktorech snadno měřitelná. Tu lze vypočítat vynásobením tepelného výkonu elektrárny dobou provozu a dělením hmotností počátečního množství paliva. Jednotkou bývá GWd/tHM, MWd/tHM a nebo MWd/kgHM, kde HM znamená těžký kov (angl. heavy metal). V některých případech se vyhoření místo kovu vztahuje přímo na formu, ve které palivo je, nejčastěji UO2. [1] [2]

,

kde je stupeň vyhoření, je koeficient využití, je tepelný výkon, je čas a je hmotnost paliva.

Vyhoření lze také vypočítat z FIMA, případně FIFA:

,

kde je energie uvolněná během štěpení, je Avogadrova konstanta a je relativní atomová hmotnost štěpného atomu.

lze také vypočítat na základě účinného průřezu:

,

kde je neutronový účinný průřez pro štěpení paliva, je neutronový tok, je atomová hustota a je hustota paliva.[1][3]

Příklady

[editovat | editovat zdroj]

JE Temelín (VVER-1000)

[editovat | editovat zdroj]

Pokud jaderná elektrárna vytváří 3000 MWth, využívá 92 tun obohaceného uranu (tU) a má koeficient využití 85 %, průměrné vyhoření paliva po 18 měsících je dáno[4][5]:

.

Po skončení pětileté kampaně je vyhoření:

.

FIFA lze vypočítat vyjádřením ze vzorce výše. je 3.2 × 10−11 J (200 MeV), je 6 × 1023 mol−1, obohacení je 3.6 %, je 4.37 GJ/g a je 238.

.

JE Dukovany (VVER-440)

[editovat | editovat zdroj]

Jeden blok JE Dukovany vytváří 1375 MWth, využívá 42 tun obohaceného uranu (tU) a má koeficient využití 85 %, průměrné vyhoření paliva po 5 letech je[4]:

.

JE Darlington (CANDU-850)

[editovat | editovat zdroj]
Palivové elementy z reaktoru CANDU

Jeden blok JE Darlington vytváří 2776 MWth, využívá 120 tun obohaceného uranu (tU) a má koeficient využití 95 %, průměrné vyhoření paliva po 10 měsících je[4][6]:

,

.

Výzkumný reaktor Vrabec (VR-1)

[editovat | editovat zdroj]

Vyhoření je v malých reaktorech kvůli nízkému výkonu zanedbatelné. I přesto ho však lze vypočítat. Pokud předpokládáme výkon 100 W, hmotnost paliva 30 kg a koeficient využití 20 %, průměrné vyhoření paliva po 10 letech je[7][8]:

Vyhoření v jaderných reaktorech

[editovat | editovat zdroj]

Stupeň vyhoření je významným faktorem jaderných elektráren, který ovlivňuje její ziskovost. Provozovatelé jaderných elektráren se proto snaží dosáhnout co nejvyššího stupně vyhoření. To ovlivňují následující faktory[9]:

Dostatek reaktivity

[editovat | editovat zdroj]

Pro zvýšení možného stupně vyhoření je potřeba zvýšit dostupné množství štěpného paliva. Toho lze dosáhnout jednak vyšším obohacením, jednak dostupností množivého materiálu. V současné většina elektráren zvyšuje obohacení paliva právě z tohoto důvodu.[10][11]

Stupeň vyhoření také závisí na možnosti zbylé palivo spálit během udržitelné štěpné reakce. V reaktoru proto musí být dostatečná rezerva reaktivity pro kompenzaci úbytku reaktivity kvůli vyhořívání paliva a produkci neutronových jedů tak, aby reaktor mohl být co nejdelší dobu v kritickém stavu. Regulační tyče nejsou pro tento účel vhodné, protože během postupného vytahování vytváří nerovnoměrnosti v axiálním neutronovém toku. V tlakovodních reaktorech se typicky využívá regulace kyseliny borité v moderátoru primárního okruhu. Často používané jsou také vyhořívající jedy přímo v palivových souborech.[9]

Radiační odolnost

[editovat | editovat zdroj]

Významným limitujícím faktorem je také odolnost paliva vůči radiačnímu poškození, které dosahuje až TGy. Palivové soubory reaktorů první generace měly velmi krátkou životnost právě kvůli radiačnímu poškození, typicky do 20 000 MWd/tU. Díky intenzivnímu výzkumu byly vyvinuty nové palivové soubory s až trojnásobnou životností. Maximální přípustný stupeň vyhoření pro palivo v JE Temelín je 63 000 MWd/tUO2 pro nejzatíženější proutek.

Riziko proliferace

[editovat | editovat zdroj]

Během provozu všech energetických jaderných reaktorů vzniká, účelně nebo jako vedlejší produkt, plutonium. U tohoto 239Pu hrozí riziko zneužití pro výrobu jaderných zbraní. Nejvyšším rizikem jsou reaktory s nízkým stupněm obohacení, nízkým stupněm vyhoření a schopností výměny paliva během provozu jako RBMK, CANDU nebo AGR. Při vysokém stupni vyhoření (nad 10 000 MWd/tU) se v palivu tvoří Pu-240, které znemožňuje využití paliva v jaderných zbraních kvůli vysoké míře spontánního štěpení. Pu zbrojní kvality lze denaturovat příměsí 240Pu nebo 238Pu. Ani jeden z těchto způsobů však nedokáže zaručit jeho bezpečnost, protože oba isotopy jsou štěpné.[12]

  1. a b c d Fuel Burnup | Definition, Calculation & Units | nuclear-power.com. Nuclear Power [online]. [cit. 2023-10-04]. Dostupné online. (anglicky) 
  2. 367 - 1 JADERNÁ TABLETA = 880 KG UHLÍ. www.cez.cz [online]. [cit. 2023-10-04]. Dostupné online. 
  3. Reaction Rate | Definition & Calculation | nuclear-power.com. Nuclear Power [online]. [cit. 2023-10-04]. Dostupné online. (anglicky) 
  4. a b c AGENCY, International Atomic Energy. Operating Experience with Nuclear Power Stations in Member States. [s.l.]: [s.n.] Dostupné online. S. 1. (anglicky) 
  5. ENERGIE, Svět. Jaderná elektrárna Temelín - Jaderné elektrárny ČEZ - Energetika zblízka - Svět energie.cz. www.svetenergie.cz [online]. [cit. 2023-10-04]. Dostupné online. 
  6. CANDU reactor - Energy Education. energyeducation.ca [online]. [cit. 2023-10-04]. Dostupné online. (anglicky) 
  7. ČADA, Jan. Návrh a předběžné bezpečnostní hodnocení deskového paliva MTR-VR pro Školní reaktor VR-1. dspace.cvut.cz. 2022-06-02. Dostupné online [cit. 2023-10-04]. (anglicky) 
  8. Popis - Reaktor VR-1. reaktor-vr1.cz [online]. [cit. 2023-10-04]. Dostupné online. 
  9. a b MASTERSON, Robert E. Introduction to Nuclear Reactor Physics. dx.doi.org. 2017-11-22. Dostupné online [cit. 2023-10-10]. DOI 10.1201/9781315118055. 
  10. US unit cleared to use higher-enriched fuel : Regulation & Safety - World Nuclear News. www.world-nuclear-news.org [online]. [cit. 2023-10-09]. Dostupné online. 
  11. Nuclear Power Economics | Nuclear Energy Costs - World Nuclear Association. world-nuclear.org [online]. [cit. 2023-10-09]. Dostupné online. 
  12. ROTBLAT, J. Nuclear energy and nuclear weapon proliferation. [s.l.]: Routledge Dostupné online. ISBN 978-1-003-05346-0. S. 373–435.