Реактор на тепловых нейтронах

В отличие от ядерной бомбы в реакторе осуществляет­ся управляемая цепная реакция деления, при этом коэффициент размножения нейтронов автоматически поддерживается равным еди­нице (с небольшими отклонениями, не превышающими обычно 0,5% при изменении режимов работы).

Принципиальная схема гетерогенного реактора на тепловых нейтронах при­ведена на рисунке. «Сердцем» реакто­ра является так называемая активная зона 1, состоящая из тепловыделяю­щих элементов (ТВЭЛов) 2. Обычно это полые стержни из циркония или легированной стали, внутри которых помещено ядерное топливо — компо­зиции из карбида урана, содержащего как природный, так и обогащенный уран. В обогащенном уране содержа­ние изотопа ²³⁵U уже не 0,7%, а, напри­мер, 15% или выше. Обогащение при­родного урана осуществляется путем разделения изотопов. Изотоп ²³⁵U, который добав­ляют к природному урану, может быть заменен ²³³U или ²³⁹Pb, так как их свой­ства в отношении деления очень схо­жи.

Пространство между ТВЭЛами, расположенными в узлах правильной решетки (обычно шестигранной), заполнено замедлителем 3. Это может быть химически чистый графит, бериллий, тяже­лая вода, обычная вода.

Принципиальная схема гетерогенного реактора на тепловых нейтронах: 1 — активная зона; 2 — ТВЭЛы; 3 — замедлитель; 4 — теплоноситель; 5 — отражатель; 6 — биологическая защита; 7 — регулирующие стержни; 8 — стержни аварийной защиты

Поверхность ТВЭЛов омывается по­током теплоносителя 4 — диоксидом углерода, водой или жидкими металлами. В названии реакторов часто указывает­ся, на основе какого замедлителя организована цепная реак­ция. Например, уран-графитовый реактор (топливо — уран, замедлитель — графит), водо-водяной реактор (замедли­тель — вода, теплоноситель — вода).

Наличие замедлителя — «родовой признак» реактора на тепловых нейтронах. Основ­ная задача материала, из которого изготовлен замедлитель, тормозить быстрые нейтроны, возникающие в процесс деле­ния ²³⁵U. После того как в результате многократных соударе­ний с ядрами замедлителя нейтрон станет тепловым, вероят­ность его поглощения ядром урана ²³⁵U, с последующим делением последнего, возрастает в 60 раз! В качестве замед­лителя естественно использовать легкие ядра (¹H, ²H, ¹²C), так как чем меньше масса ядра-мишени, тем больший импульс может передать ему нейтрон, а следовательно, тем интенсив­нее он будет тормозиться.

Все материалы, применяемые в ре­акторах, отличаются высокой химической чистотой. Наличие даже микроскопических примесей элементов, легко захватывающих нейтроны, приводит к суще­ственному уменьшению коэффициента размноже­ния и может вообще сделать цепную реакцию не­возможной. Так как ядерное топливо в замедлителе расположено дискретно (неоднородная компози­ция), то такой реактор называется гетерогенным, в отличие от гомогенных реакторов, в которых топ­ливо и замедлитель представляют собой однород­ную смесь. Оптимальный подбор размеров блоков замедлителя и ТВЭЛов в гетерогенном реакторе по­зволяет провести цепную реакцию даже на природ­ном уране, что невозможно для гомогенного реак­тора, нуждающегося в дорогом обогащенном уране.

ТВЭЛы — тепловыделяющие элементы ядерного реактора

Активная зона реактора со всех сторон окружена толстым слоем отражателя 5 (графит, бериллий и т. п.), который частично возвращает назад в активную зону нейтроны, уменьшая тем самым критическую массу реакто­ра.

К отражателю примыкает биологическая защита 6, вклю­чающая в себя многослойные композиции легких и тяжелых элементов, защищающих окружающую среду от потоков нейтронов и γ-излучения, генерируемых реактором. Обыч­но активная зона вместе с отражателем помещается в сталь­ной герметический корпус, предотвращающий выход радио­активных элементов во внешнюю среду. Материал с сайта http://worldof.school

Важнейшей составной частью реактора являются системы управления и защиты (СУЗы). Они представляют собой набор стержней, изготовленных из материалов, сильно поглощающих ней­троны (кадмий, карбид бора и др.), и электроприводов к ним. При изъятии такого регулирующего стержня 7 из активной зоны нейтронный поток в его окрестности растет, а коэффи­циент размножения увеличивается. Изменяя положение ре­гулирующих стержней, можно управлять распределением тепловых нейтронов по активной зоне, запускать и останав­ливать реактор. На случай аварийной ситуации предусмот­рены дополнительные аварийные стержни 8, введение кото­рых в активную зону немедленно прекращает реакцию. Теплоноситель, нагретый теплом, выделяющимся при деле­нии урана, прокачивается насосами через активную зону и, отдав тепло через теплообменник второму контуру, возвра­щается назад в активную зону. Во втором (часто в третьем, четвертом) контуре устанавливается паровая турбина, кото­рая крутит вал электрогенератора.

В процессе эксплуатации реактора химический состав ак­тивной зоны меняется за счет отравления осколками деле­ния, среди которых присутствуют почти все элементы таблицы Менделеева. Наиболее вредные из них — изотопы ксенона ¹³⁵Xe и самария ¹⁴⁹Sm — с большой вероятностью за­хватывают нейтроны. Для компенсации отравления и зашлакованности реактора регулирующие стержни с тече­нием времени выводят из активной зоны. Таким образом, следует иметь «некоторый запас по коэффициенту размно­жения» в начале эксплуатации реактора (k > 1,15 ÷ 1,3).

На этой странице материал по темам:

• Доклад.реактор на тепловых нейтронах