Základy fyziky jaderných reaktorů 1

Garant předmětu:

Přednášející:

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra jaderných reaktorů

Anotace:

Přednášky začínají popisem základů struktury mikrosvěta na úrovni elektronů, protonů a neutronů. Následuje popis radioaktivity a jaderných reakcí. Velká pozornost je věnována reakcím neutronů s jádry látkového prostředí. Je popsána pravděpodobnost uskutečnění daných reakcí vyjádřená účinným průřezem v závislosti na energii neutronu. Štěpení těžkých jader je základem pro provoz jaderných reaktorů. Studenti se seznámí s podmínkami pro uskutečnění štěpné řetězové reakce, uvolněnou energií při reakci a problematikou neutronové bilance. Dále jsou rozebrány jednotlivé nejdůležitější typy jaderných reaktorů včetně kompletního schématu jaderné elektrárny s lehkovodním reaktorem. Výpočetní analýza difuzních prostředí vychází z aplikace difuzní rovnice odvozené na základě platnosti Fickova zákona. Studenti se naučí analyticky stanovit hustotu toku neutronů v různých difuzních prostředích s vybranými zdroji neutronů.

Požadavky:

Osnova přednášek:

1. Atomová a jaderná fyzika

Rozsah: 2 přednášky

uvedení do problematiky, začlenění přednášky do studia, cíle výuky, stavební částice hmoty, struktura atomu a jádra, jaderné síly, jednotky a veličiny, excitační stavy, stabilita jádra a radioaktivní rozpad, radioaktivní přeměny, kinetika radioaktivních přeměn, rozpadové řady, vazebná energie.

2. Neutronové interakce

Rozsah: 2 přednášky

interakce neutronů s jádry, intenzita svazku neutronů, reakční rychlost a mikroskopický a makroskopický účinný průřez, zeslabení svazku neutronů, hustota toku neutronů, tvar účinných průřezů - pružný rozptyl, nepružný rozptyl, účinný průřez pro radiační záchyt, účinný průřez pro štěpení, celkový účinný průřez; charakteristika zdrojů neutronů.

3. Zpomalení neutronů

Rozsah: 3 přednášky

ztráta energie pružnými srážkami, rozptyl na vodíku, letargie neutronů, energetické spektrum neutronů - Maxwellovo spektrum energií a rychlostí, tepelné neutrony, hustota toku tepelných neutronů, středování účinných průřezů přes tepelné spektrum; tepelné neutrony, moderace neutronů, zpomalovací schopnost a koeficient zpomalení.

4. Štěpení jaderného paliva

Rozsah: 3 přednášky

objev štěpení uranu, proces štěpení - kapkový model štěpení jádra atomu; štěpná reakce - kritická energie pro štěpení, štěpné a štěpitelné nuklidy; účinný průřez pro štěpení; produkty štěpení, produkce neutronů, energie ze štěpení, samovolné štěpení; štěpná řetězová reakce - koeficient násobení, reaktivita; neutronová bilance - nekonečný a konečný systém; rovnice čtyř součinitelů; okamžité a zpožděné neutrony; spektrum okamžitých neutronů; produkce a spotřeba paliva.

5. Jaderné reaktory

Rozsah: 1 přednáška

základní terminologie, základní hlediska dělení reaktorů, jaderná elektrárna - primární, sekundární a terciální okruh; typy jaderných reaktorů, palivový cyklus - přední, střední a zadní část.

6. Fickův zákon

Rozsah: 1 přednáška

difuze neutronů, hustota toku a hustota proudu neutronů, Fickův zákon - předpoklady odvození, odvození Fickova zákona, fyzikální interpretace, ověření předpokladů odvození; transportní účinný průřez, platnost Fickova zákona.

7. Difuzní teorie

Rozsah: 3 přednášky

rovnice kontinuity, difuzní rovnice - podmínky platnosti a okrajové podmínky; matematický základ - Besselovy funkce, modifikované Besselovy funkce 1. a 2. druhu; rozložení hustoty toku neutronů v nekonečném difuzním prostředí - rovinný, bodový a přímkový zdroj v nekonečném difuzním prostředí; difuzní délka, zdroje neutronů v konečném difuzním prostředí - rovinný, bodový a přímkový zdroj, albedo, vybrané difuzní parametry.

Osnova cvičení:

1. Atomová fyzika a radioaktivita

Rozsah: 2 cvičení

Výpočet molárních hmotností, atomové a hmotností zlomky, stanovení atomových hustot, radioaktivita a rychlost produkce radioaktivních jader, výpočet energie uvolněné nebo spotřebované během jaderné reakce, vazební energie, hmotnostní úbytek.

2. Interakce neutronů s hmotou

Rozsah: 2 cvičení

Výpočet účinných průřezů (mikroskopické a makroskopické), reakčních rychlostí, a hustoty toku neutronů, zeslabení intenzity svazku neutronů, neutronová hustota svazku, kinematika srážkových procesů, střední volná dráha, srážkový parametr, módy jaderného štěpení.

2. Neutronová bilance, jaderný palivový cyklus

Rozsah: 1,5 cvičení

Výpočet neutronové bilance, koeficientu násobení, produkce a spotřeba jaderného paliva, střední hodnota hustoty toku neutronů v jaderném reaktoru, výpočet koeficientu násobení a regeneračního faktoru pro tepelné a rychlé reaktory.

4. Difuzní teorie

Rozsah: 1,5 cvičení

Výpočet prostorového rozložení hustoty toku neutronů v difúzním prostředí, výpočet pro bodový, plošný a přímkový zdroj neutronů, středování účinných průřezů přes tepelné spektrum, difuzní délka a difuzní koeficient, aplikace okrajových podmínek.

Cíle studia:

Znalosti: studenti mají podrobné znalosti o povaze a druzích jaderných reakcí, problematice účinných průřezů, štěpení jaderného paliva a neutronové bilance. Získají představu o skladbě jádra atomu, o vlastnostech difuzních prostředí a štěpných a štěpitelných materiálů.

Schopnosti: Orientace v dané problematice, uplatnění získaných znalostí v dalších předmětech z oblasti reaktorové fyziky, základní schopnost práce s jadernými daty, schopnost stanovovat atomové hustoty materiálů nezbytné pro všechny analýzy prováděné v reaktorové fyzice a provádět výpočty rozložení hustoty toku neutronů v jednoduchých geometriích s pomocí difuzní rovnice.

Studijní materiály:

Povinná literatura:

1. Lamarsh J. R.: Introduction to Nuclear Engineering, 3rd Ed., Prentice Hall, 2001

2. Frýbort J., Heraltová L., Štefánik M.: Úvod do reaktorové fyziky: teorie a cvičení. Skripta ČVUT v Praze, 2013, ISBN 978-80-01-05322-5

3. Zeman J.: Reaktorová fyzika 1, skripta ČVUT v Praze, 2003, ISBN 80-01-01933-0

Doporučená literatura:

1. Heřmanský, B.: Jaderné reaktory. SNTL, Praha, 1981

2. DOE Fundamentals Handbooks - Nuclear Physics and Reactor Theory, Vol. 1 a Vol. 2, 1993, DOE-HDBK-1019/1-93

3. Reuss P.: Neutron Physics, EDP Sciences, 2008

Poznámka:

Další informace:

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů: