ФИЗИКА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Ядерные реакторы представляют собой устройства, обеспечивающие возможность протекания цепной реакции деления атомных ядер в контролируемых условиях. В данной главе рассмотрены основные процессы, протекающие в атомном реакторе при его стабильной эксплуатации.

Нейтроны в атомном реакторе

В ядерной энергетике реализованы два топливных цикла: уран- плутониевый и уран-ториевый. Первый основывается на реакциях деления 235U и синтеза делящегося ^Рц из 2з8и, а второй - на делении 2ззи, образовавшегося из 2з2ТЬ в реакциях с нейтронами.

Замедление нейтронов

Важное свойство ядерных реакций с участием нейтронов - возрастание по параболическому закону сечения ядерной реакции при уменьшении энергии нейтронов. Поэтому, большинство современных энергетических ядерных реакторов работает на нейтронах, находящихся в тепловом равновесии с окружающей средой. Между тем при делении тяжёлых ядер возникают быстрые нейтроны (энергия несколько МэВ), поэтому их необходимо замедлить.

Замедление нейтронов - уменьшение кинетической энергии нейтронов в результате многократных столкновений с атомными ядрами вещества.

Вещество

N

t, мксек

Ln, см

Свинец

1600

1300

200

Графит

но

70

43

Вода

23

3

13

Табл. 1. Среднее число столкновений N, среднее время замедления t и среднее квадратичное удаление L„ нейтрона от источника при замедлении нейтрона в неограниченной среде от энергии 1 МэВ до энергии о,1 эВ.

Быстрые нейтроны при соударениях с атомными ядрами теряют энергию крупными порциями, расходуя её на возбуждение ядер или их расщепление. В результате одного или нескольких столкновений энергия нейтрона становится меньше минимальной энергии возбуждения ядра. После этого рассеяние нейтрона ядром становится упругим, т. е. нейтрон расходует энергию на сообщение ядру скорости без изменения его внутреннего состояния. Замедление нейтронов происходит при упругих столкновениях с ядрами. Однако оно не может привести к их полной остановке из-за теплового движения ядер. Энергия теплового движения порядка кТ. Если нейтрон замедлился до этой энергии, то при столкновении с ядром он может с равной вероятностью как отдать, так и получить энергию. Нейтроны с энергиями кТ находятся в тепловом равновесии со средой.

В замедлителях нейтронов большая часть быстрых нейтронов, испущенных источником, превращается в тепловые нейтроны (для этого размеры замедлителя должны быть велики по сравнению с размером L,, области, в которой нейтроны диффундируют за время замедления (табл, l)). Средняя энергия теплового нейтрона при комнатной температуре равна 0,04 эВ. В процессе замедления часть нейтронов теряется, поглощаясь при столкновении ядрами или вылетая из среды наружу.

Замедляющие свойства вещества определяются величиной скорости уменьшения кинетической энергии нейтронов в единичном объёме вещества в единицу времени. Это уменьшение кинетической энергии нейтронов происходит в реакциях рассеяния на ядрах среды. Чем выше величина его макросечения рассеяния, тем лучшим замедлителем будет рассматриваемое вещество.

Уменьшение нейтроном энергии в последовательных рассеяниях на ядрах однородной среды имеет экспоненциальный характер, т. е. начиная замедление с начального уровня энергии Е после п последовательных рассеяний, нейтрон снижает свою кинетическую энергию до уровня:

Среднюю потерю энергии нейтроном при одном соударении удобно характеризовать среднелогарифмическим декрементом

где Еу - энергия нейтрона до столкновения с ядром, Е2 - энергия после столкновения.

Для водорода ?=1.

Для ядер с атомным весом Л >10 при изотропном рассеянии

С ростом А величина среднелогарифмической потери энергии ядер быстро уменьшается и для вычисления её можно пользоваться упрощённой формулой:

1аол. 2. значения х Для применяемых замедлителей и некоторых

других веществ.________

Вещество

Н20

D.0

Be

С

Na

Fe

Zr

JL_

19

35

86

114

213

510

816

Вещество Н20 DaO Be С Na Fe Zr

_ 19 35 86 114 213 510 816

Качество замедлителя можно характеризовать средним количеством столкновений & которое требуется, чтобы нейтрон деления сделался тепловым:

Замедление идёт тем эффективнее, чем легче ядра замедлителя. Количественной мерой способности вещества хорошо замедлять и одновременно хорошо сохранять замедляющиеся нейтроны служит коэффициент замедления.

Коэффициент замедления вещества - отношение замедляющей способности вещества к его поглощающей способности в интервале энергий замедления (измеряемой величиной среднего значения макросечения поглощения вещества в этом интеовале).

где Is и la- макросечения замедления и поглощения нейтронов.

Потеря энергии на столкновение пропорциональна самой энергии. Так, при столкновении с атомом водорода нейтрон с энергией 1 МэВ теряет 0,5 МэВ, а нейтрон с энергией в ю эВ - всего 5 эВ. Длительность замедления и проходимый при замедлении путь слабо зависят от начальной энергии нейтрона. Исключением являются водородосодержащие вещества. Сечение нейтрон - протон резко падает при повышении энергии выше юо кэВ. Поэтому длина замедления в водородосодержащих веществах сильно зависит от энергии нейтрона. Время замедления нейтрона невелико. Даже в свинце нейтрон замедляется от энергии 1 МэВ до 1 эВ за 410*4 сек.

Материал обладает высокими замедляющими свойствами и имеет малое сечение поглощения тепловых и резонансных нейтронов. Последнее требование вытекает из соображений экономии нейтронов. Чем меньшую величину имеют макросечения поглощения замедлителя в тепловой области энергий нейтронов, тем выше коэффициент использования нейтронов в реакторе и вероятность избежать нейтронного захвата <р. Кроме того, замедлитель должен обладать: 1) химической, термической и радиационной стойкостью; 2) не иметь при радиационном захвате таких дочерних продуктов, которые являлись бы более сильными поглотителями нейтронов.

Рассмотрим свойства наиболее известных замедлителей.

Вода. Достоинства обычной воды - доступность и дешевизна. Вода является первым замедлителем по величине замедляющей способности, но по величине коэффициента замедления - на пятом месте, уступая тяжёлой воде, бериллию, оксиду бериллия и графиту, т.к. обладает более высоким значением макросечения поглощения замедляющихся нейтронов. Недостатки воды - низкая температура кипения и поглощение тепловых нейтронов. Первый недостаток устраняется повышением давления в первом контуре. Поглощение тепловых нейтронов водой компенсируют применением ядерного топлива из обогащённого урана. К сожалению, вода реагирует с реакторными материалами. Большая часть затрат при использовании воды в реакторах обусловлена технологией её приготовления (двойная дистилляция) и необходимостью поддержания в реакторе особого водного режима, направленного на сохранение чистоты воды и создание в ней условий, способствующих минимизации коррозионных процессов в конструкционных материалах.

Лёгкая вода, как замедлитель, используется в легководных, в основном, водо-водяных реакторах, например, в отечественных ВВЭР.

Тяжёлая вода. Тяжёлая вода (HDO) по своим химическим и теплофизическим свойствам мало отличается от обычной воды. Она практически не поглощает нейтронов, что даёт возможность использовать в качестве ядерного топлива природный уран в реакторах с тяжёловодным замедлителем. Недостатки: энергоёмкая и дорогостоящая технология получения чистой тяжёлой воды (0.5% примесей в тяжёлой воде снижают коэффициент замедления её почти на порядок). Тяжёлая вода - замедлитель нейтронов в канадском канальном графито-водном реакторе КАНДУ.

Графит. Применение графита в качестве замедлителя в ядерных реакторах обусловлено лёгкостью его механической обработки, радиационной стойкостью, малым сечением захвата нейтронов (~4 мбарн), и довольно хорошей замедляющей способностью, исключительно высокими тепловыми свойствами, теплостойкостью и достаточной прочностью. По величине замедляющей способности графит уступает воде, но коэффициент замедления у него существенно выше. По величине коэффициента замедления К3, т. е. отношению замедляющей способности к макроскопическом}' сечению поглощения, реакторный графит (/С3=190) хотя и далёк от D20 №=3300), но близок к Be №=150), ВеО №=200) и значительно выше Н20 №=61). Природный графит непригоден как замедлитель нейтронов. Реакторный графит получают искусственно из смеси нефтяного кокса и каменноугольной смолы. Нагретый в воздухе до 400° графит загорается, поэтому в энергетических реакторах он содержится в инертной атмосфере. Ещё один недостаток графита связан с тем, что при облучении в ядерном реакторе свойства графита значительно изменяются вследствие смещения быстрыми нейтронами атомов углерода из узлов кристаллической решётки и создания в ней структурных изменений. Графит применяется в промышленных реакторах, предназначенных для наработки оружейного плутония и энергетических графито-водяных реакторах, например, в РБМК.

Бериллий. Бериллий один из лучших замедлителей. Он имеет высокую температуру плавления (1282°) и теплопроводность, совместим с углекислым газом, водой, воздухом и некоторыми жидкими металлами. Однако, в реакции 9Ве(п, 2п)2а возникает гелий, поэтому при интенсивном облучении быстрыми нейтронами в бериллии накапливается газ, под давлением которого он распухает. Применение бериллия ограничено его высокой стоимостью. Из бериллия изготавливают отражатели и вытеснители воды в активной зоне исследовательских реакторов, он также используется в некоторых видах атомного оружия. Бериллий и оксид бериллия не применяются в качестве замедлителя для энергетических реакторов из-за их высокой стоимости и малой радиационной стойкости.

Итак, наилучшей замедляющей способностью обладает обычная (лёгкая) вода вследствие большого сечения рассеяния тепловых нейтронов. Поэтому в легководных реакторах размеры активной зоны наименьшие. Однако при этом концентрация делящихся нуклидов в ядерном топливе должна быть достаточно высокой, т. е. оно должно быть обогащённым по изотопу a35U. Это обусловлено большим сечением поглощения нейтронов в обычной воде. Коэффициент замедления графита в 3 раза больше, чем лёгкой воды, но значительно ниже по сравнению с тяжёлой водой. В реакторах с графитовым замедлителем критическая масса меньше, чем в легко- водных реакторах, но больше, чем в тяжёловодных. Замедляющая же способность графита наименьшая из этих трёх замедлителей. Активные зоны реакторов с графитовым замедлителем имеют наибольшие размеры. В них используют топливо с низким обогащением по делящемуся нуклиду.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >