Tentamen i Tillämpad Kärnkemi den 8 mars 2001
1. PWR-reaktorer i USA har en termisk verkningsgrad på 33% och använder i genomsnitt bränsle med en initial anrikning på 4.2% 235U, samt har en medelutbränning på 55 MWd/kg initialt uran i bränslet. Uranet antages anrikat i befintliga gasdiffusionsanläggningar som har en specifik energiförbrukning på 900 kWh per kgSWU vid anrikning av natururan och en halt på 0.2% 235U i det utarmade uranet. I sämsta fall kan vi antaga att elförsörjningen till anrikningsanläggningen kommer från koleldade kraftverk vilka har en termisk verkningsgrad på 40% och drivs med stenkol som har ett förbränningsvärme på 27.2 MJ/kg. Antag att det använda stenkolet bara innehåller rent kol. Hur stort specifikt utsläpp av koldioxid har då dessa kärnkraftverk (g/kWh el) om vi antar att koldioxid bara uppkommer vid anrikning av bränslet? (10p)
2. Tryckvattenreaktorn Ringhals 3 har en cylindrisk härd med en ekvivalent härddiameter på 3039 mm och en ekvivalent härdhöjd på 3655 mm samt innehåller 72220 kg uran vid normal laddning. Reaktorn kyls och modereras med vanligt vatten. Vid drift är vattentemperaturen (=moderatorns temperatur) i genomsnitt 300 C. Vid ett tillfälle tänker man ladda härden så att dess effektiva medelanrikning blir 3.5% av 235U. Genom inblandning av vanlig borsyra (H3BO3) i vattnet vill man begränsa den effektiva multiplikationsfaktorn vid helt utdragna styrstavar till 1.001 omedelbart efter bränslebytet. Försumma inverkan av andra material och gamla klyvningsprodukter samt antag att uranet är homogent finfördelat i vattnet. Vilken halt av borsyra krävs då (g/l vatten)? (10p)
3. För att åldersbestämma en del av en borrkärna från Troll-fältet tog man ut en liten kalcitkristall ur borrkärnan. Ur denna kristall skars sedan två mycket tunna skivor med en diamantsåg. Skiva nr 1 etsades så att spår från spontant fissionerat uran kunde räknas i mikroskop (ett spår bildas per fission). Man fann i medeltal 65 st/mm3. Skiva nr 2 bestrålades under 19 minuter i ett rent termiskt neutronflöde på 2.9x1016 n/m2s (fission av 238U under bestrålningen kan försummas). Efter etsning av denna skiva fann man i medeltal 97 fissionsspår per mm3. Detta visar att kalcitkristallen innehåller en liten mängd naturligt uran. Fissionstvärsnittet för 235U antages vara 582 barn och 238U sönderfaller via spontan fission i 5.45x10-5% av alla sönderfall. 235U sönderfaller också via spontan fission i 7.0x10-9% av alla sönderfall. Hur gammal var kalcitkristallen (år)? (10p)
4. ASEA-ATOM gav i sin specifikation för BWR-75 följande data: Bränslepinnarnas ytterdiameter = 12.25 mm, väggtjocklek på kapslingsrören av zircaloy-4 = 0.8 mm, kutsdiameter = 10.44 mm, kutsarnas värmeledningsförmåga = 3 Wm-1K-1, kutsdensitet = 10500 kg UO2/m3, högsta värmeflödestäthet på kapslingens yta = 1.08 MW/m2, ångtemperatur vid mättnadstryck = 286 C. Filmkoefficienten mellan kapsling och kylmedel anges vara 5 W/cm2K, samt mellan kuts och höljesrör 1.5 W/cm2K. En bränslebox innehåller 64 stavar, varav en måste vara tom och utgöra fäste för spridarna. Med detta bränsle kan reaktorn producera 3000 MW termisk energi. Man diskuterar vid ett tillfälle om det går att öka reaktoreffekten med 20% genom att byta till bränsle med smalare pinnar och behålla samma maximala bränsletemperatur som tidigare. Därvid tänker man även minska kapslingens väggtjocklek till 0.6 mm, men bibehålla samma avstånd mellan kutsar och kapsling. Ytterligare villkor är att bränslet skall rymmas i samma bränsleboxar som tidigare, att genomströmningsarean för kylvattnet inte får minska, samt att mängden uran i härden skall vara högst möjliga. Vilken diameter på de nya kutsarna skulle detta leda till? (10p)
5. En tungvattenmodererad avancerad termisk reaktor (ATR) har 239Pu som klyvbart material i en matris av rent 238UO2. Vid återstart efter ett kort stopp fördubblas effekten på 11.5 sekunder. Reaktorn har en cylindrisk form med höjd = diameter = 5 m. Bränslet kan antagas vara homogent fördelat över volymen, termiska utnyttjandefaktorn är 0.85, och snabbfissionsfaktorn är 1.006. Beräkna k¥. (10p)
Maxpoäng är 50 och gränsen för godkänt är 25 poäng.