Nuclear reactor materials: Part 2 Dr. Anna Louise Smith - PowerPoint PPT Presentation

1 ¡ Nuclear ¡reactor ¡materials: ¡Part ¡2 ¡ Dr. ¡Anna ¡Louise ¡Smith ¡ Image ¡credits ¡go ¡here

2 ¡ Light-­‑Water ¡Reactor ¡materials: ¡classifica4on Nuclear ¡ fuel ¡ Cladding ¡ materials ¡ materials ¡ Out-­‑of-­‑core ¡ Moderator ¡ materials ¡ materials ¡ Coolant ¡ Control ¡ materials ¡ systems ¡

3 ¡ Moderator ¡materials 100 ¡ Hydrogen ¡ Neutron ¡ Uranium-­‑235 ¡ v’ 2 ¡ Thorium-­‑233 ¡ sca9ering ¡cross ¡ Uranium-­‑238 ¡ Plutonium-­‑239 ¡ v 1 ¡ sec;on ¡(barn) ¡ Lead ¡ 10 ¡ Europium ¡ Beryllium ¡ Silver ¡ Zirconium ¡ Deuterium ¡ v’ 1 ¡ Cadmium ¡Samarium ¡ Carbon ¡ Oxygen ¡ Boron-­‑11 ¡ Manganese ¡ Boron-­‑10 ¡ Indium ¡ Lithium ¡ 1 ¡ Neutron ¡modera9on ¡ ¡ (2 ¡MeV ¡to ¡0.025 ¡eV) ¡by ¡ elas9c ¡collision ¡ 0.01 ¡ 1 ¡ 0.0001 ¡ 100 ¡ 10000 ¡ Neutron ¡absorp;on ¡cross ¡sec;on ¡(barn) ¡

4 ¡ Moderator ¡materials 100 ¡ Hydrogen ¡ Neutron ¡ Uranium-­‑235 ¡ Thorium-­‑233 ¡ sca9ering ¡cross ¡ Uranium-­‑238 ¡ Plutonium-­‑239 ¡ sec;on ¡(barn) ¡ Lead ¡ Light ¡water ¡H 2 O ¡ ¡ 10 ¡ Europium ¡ Beryllium ¡ Silver ¡ Zirconium ¡ Deuterium ¡ Cadmium ¡Samarium ¡ Carbon ¡ Oxygen ¡ Boron-­‑11 ¡ Manganese ¡ Boron-­‑10 ¡ Indium ¡ Lithium ¡ Moderator ¡ 1 ¡ Coolant ¡ 0.01 ¡ 1 ¡ 0.0001 ¡ 100 ¡ 10000 ¡ Neutron ¡absorp;on ¡cross ¡sec;on ¡(barn) ¡

5 ¡ Coolant ¡materials: ¡Criteria • Good ¡thermal ¡proper;es ¡ • Low ¡mel;ng ¡and ¡high ¡boiling ¡points ¡ • Low ¡viscosity ¡ Light ¡water ¡H 2 O ¡ ¡ • Radia;on ¡stability ¡ • Low ¡neutron ¡absorp;on ¡ Moderator ¡ • Non ¡toxic ¡ Coolant ¡ • Compa;ble ¡with ¡fuel ¡and ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡structural ¡materials ¡ ¡

6 ¡ Control ¡rods ¡ Control ¡systems B 4 C ¡ Ag-­‑In-­‑Cd ¡alloy ¡ 100 ¡ Hydrogen ¡ Neutron ¡ Uranium-­‑235 ¡ Thorium-­‑233 ¡ sca9ering ¡cross ¡ Uranium-­‑238 ¡ Plutonium-­‑239 ¡ sec;on ¡(barn) ¡ Lead ¡ 10 ¡ Europium ¡ Beryllium ¡ Silver ¡ Zirconium ¡ Deuterium ¡ Cadmium ¡Samarium ¡ Carbon ¡ Oxygen ¡ Boron-­‑11 ¡ Manganese ¡ Boron-­‑10 ¡ Indium ¡ Lithium ¡ 1 ¡ 0.01 ¡ 1 ¡ 0.0001 ¡ 100 ¡ 10000 ¡ Neutron ¡absorp;on ¡cross ¡sec;on ¡(barn) ¡ 17 ¡x ¡17 ¡square ¡mesh ¡

7 ¡ Control ¡rods ¡ Control ¡systems B 4 C ¡ Ag-­‑In-­‑Cd ¡alloy ¡ 100 ¡ Hydrogen ¡ Neutron ¡ Uranium-­‑235 ¡ Thorium-­‑233 ¡ sca9ering ¡cross ¡ Boric ¡acid ¡H 3 BO 3 ¡ ¡ Uranium-­‑238 ¡ Plutonium-­‑239 ¡ dissolved ¡in ¡the ¡water ¡coolant ¡ sec;on ¡(barn) ¡ Lead ¡ 10 ¡ Europium ¡ Beryllium ¡ Silver ¡ Zirconium ¡ Deuterium ¡ Cadmium ¡Samarium ¡ Carbon ¡ Oxygen ¡ Boron-­‑11 ¡ Manganese ¡ Burnable ¡absorbers ¡ Boron-­‑10 ¡ Indium ¡ = ¡Neutron ¡poisons ¡ Lithium ¡ 1 ¡ dissolved ¡in ¡the ¡fuel ¡ 0.01 ¡ 1 ¡ 0.0001 ¡ 100 ¡ 10000 ¡ Neutron ¡absorp;on ¡cross ¡sec;on ¡(barn) ¡

8 ¡ Nuclear ¡(neutrons) ¡poisons • Added ¡to ¡the ¡fresh ¡fuel ¡to ¡lower ¡its ¡high ¡reac;vity ¡ • “Burnable”: ¡their ¡effect ¡wears ¡off ¡over ¡the ¡fuel ¡life;me ¡ Zirconium ¡diboride ¡ Gadolinium ¡oxide ¡ ZrB 2 ¡ Gd 2 O 3 ¡ Gadolina/urania ¡Gd 2 O 3 / Thin ¡coa9ng ¡of ¡on ¡surface ¡ UO 2 ¡pellets ¡ ¡ of ¡UO 2 ¡pellets ¡ ¡

9 ¡ Structural ¡and ¡shielding ¡materials ¡in ¡a ¡PWR Reactor ¡pressure ¡vessel ¡ Pressurizer ¡ Steam ¡generator ¡ Steam ¡lines ¡ Turbine ¡ Condenser ¡ Low ¡carbon ¡or ¡low ¡alloy ¡steel ¡ Core ¡structural ¡materials ¡ Inner ¡cladding ¡reactor ¡vessel ¡ and ¡pressurizer ¡ By ¡U.S.NRC. ¡-­‑ ¡h,p://www.nrc.gov/reading-­‑rm/basic-­‑ref/students/animated-­‑pwr.html, ¡ Austeni;c ¡stainless ¡steel ¡ ¡ Public ¡Domain, ¡h,ps://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2320214 ¡ (304, ¡316, ¡308, ¡309 ¡SS) ¡ Containment ¡ ¡ Shield ¡building ¡ Steam ¡generator ¡tubes ¡ Carbon ¡steel ¡ Concrete ¡ Nickel-­‑base ¡alloy ¡690 ¡