Ядерные реакторы. Принципы работы

Реактором называется устройство, в котором поддерживается управляемая цепная реакция деления. В соответствии с типом цепной реакции различают реакторы на медленных, промежуточных и быстрых нейтронах.

Составными частями любого реактора являются: а) активная зона, обычно окруженная отражателем б) теплоноситель; в) система регулирования; г) радиационная защита; д) другие конструктивные элементы; е) пульт дистанционного управления.

При работе реактора происходят следующие процессы:

а) выделение тепла за счет экзотермичности реакции деления; б) выгорание и воспроизводство горючего; в) отравление активной зоны осколками деления, которые сильно радиоактивны и могут интенсивно поглощать нейтроны;г) отравление защиты и конструктивных материалов нейтронами, что ведет как к вторичной радиоактивности, так и к изменению физико-химических свойств.

Основной характеристикой реактора является его мощность - количество тепловой энергии, выделяющейся в единицу времени. Мощность реактора измеряется в мегаваттах. Мощность в 1 МВт соответствует цепной реакции, в которой происходит 3 10¹⁶ актов деления в секунду.

Имеется большое количество разных видов реакторов. Одна из типичных схем теплового реактора изображена на рис. 11.3.

Главной частью реактора является активная зона, в которой протекает реакция и тем самым выделяется энергия. В тепловых реакторах и в реакторах на промежуточных нейтронах активная зона состоит из горючего, как правило, смешанного с неделящимся изотопом (обычно ₉₂U²³⁸), и из замедлителя. В активной зоне реакторов на быстрых нейтронах замедлителя нет.

Объем активной зоны варьируется от десятых долей литра в некоторых реакторах на быстрых нейтронах до десятков кубометров в больших тепловых реакторах. Для уменьшения утечки нейтронов активной зоне придают сферическую или близкую к сферической форму (например, цилиндр с высотой, примерно равной диаметру, или куб).

В зависимости от относительного расположения горючего и замедлителя различают гомогенные и гетерогенные реакторы. Примером гомогенной активной зоны может служить раствор уранил-сульфатной соли U₂S0₄ в обычной или тяжелой воде. Более распространены гетерогенные реакторы. В гетерогенных реакторах активная зона состоит из замедлителя, в который помещаются кассеты, содержащие горючее. Поскольку энергия выделяется именно в этих кассетах, их называют тепловыделяющими элементами или сокращенно твэлами. Расстояния между твэлами не должны превышать сумму длин замедления и диффузии.

Активная зона с отражателем часто заключается в стальной кожух. 

Активную зону в реакторах на тепловых нейтронах окружают хорошим отражателем

Отвод тепла реакции из активной зоны осуществляется теплоносителем. В энергетических реакторах теплоноситель должен не только достаточно интенсивно отводить тепловую энергию из активной зоны, но и с минимальными потерями передавать ее в установку, вырабатывающую электроэнергию.

К теплоносителю предъявляются требования: большой теплоемкости, слабого поглощения нейтронов, слабой химической активности. Не существует веществ, вполне удовлетворяющих всем этим требованиям. При не чрезмерно больших потоках тепла в реакторах на тепловых нейтронах в качестве теплоносителя стараются использовать вещества, удобные в обращении: воду, водяной пар, воздух, азот, углекислый газ и т. д.

Вода обладает хорошей конвекционной теплопроводностью и слабо поглощает нейтроны. В мощных реакторах, имеющих температуру активной зоны около 300 °С, использование воды затрудняется ее закипанием. Чтобы избежать кипения, приходится сильно повышать давление в системе теплоотвода. А это требует использования больших количеств нержавеющей стали, которая сильно поглощает нейтроны. Кроме того, при высоких температурах вода становится химически активной. Интересной разновидностью водяного теплоносителя является система с кипящей водой, не требующая больших давлений. При этом получающийся пар можно направлять прямо в энергетическую турбину, что в перспективе дает возможность получать высокий к.п.д. в соответствующих энергетических установках. Недостатком реактора на кипящей воде является довольно сильная зависимость коэффициента размножения k от давления пара в активной зоне, что может привести к опасной нестабильности реактора.

Основным недостатком газовых теплоносителей является необходимость прокачки газа с большой скоростью и под высоким давлением, так как иначе теплоотвод будет слишком слабым. Поэтому газовый отвод тепла используется только в реакторах с относительно низким удельным энерговыделением.

Особенно сложна проблема теплоотвода в реакторах на быстрых нейтронах, где энерговыделение громадно (около 0,5 кВт на см³), а к теплоносителю предъявляется дополнительное требование возможно меньшего замедления нейтронов. Поэтому в реакторах на быстрых нейтронах, как правило, используют наилучший по тепло- отдающим свойствам материал - жидкий натрий, несмотря на то, что он обладает целым рядом очень «неприятных» свойств: исключительно высокой химической активностью по отношению к воде, вторичной активностью под действием нейтронов.

Управление протеканием цепной реакции осуществляется обычно регулирующими стержнями из материалов, сильно поглощающих нейтроны. Эти стержни можно полностью или частично вводить в активную зону, параметры которой рассчитаны так, чтобы при полностью вставленных стержнях реакция заведомо не шла. При постепенном вынимании стержня коэффициент размножения k в активной зоне растет и при некотором положении стержней доходит до единицы. В этот момент реактор начинает работать. В процессе работы коэффициент k изменяется в основном в сторону уменьшения за счет загрязнения активной зоны осколками деления. Эти изменения коэффициента размножения компенсируются выдвиганием и, если надо, вдвиганием стержней. На случай внезапного увеличения интенсивности реакции в реакторе имеются дополнительные аварийные стержни, введение которых в активную зону немедленно прекращает реакцию.

Регулирующие стержни делаются из кадмия, карбида бора и др. Быстрые нейтроны сравнительно слабо поглощаются в стержнях. Поэтому для регулирования быстрых реакторов малых размеров используют удаление отражателя от активной зоны и приближение к ней.

Состояние работающего реактора характеризуется коэффициентом размножения k в активной зоне. Вместо k для описания поведения реактора часто используется другая величина - реактивность р:р = 1 - 1/k.

Очевидно, что при р< 0 реакция гаснет, при р = 0 идет стационарный процесс, а при р>0 интенсивность реакции нарастает. При стационарной работе реактора реактивность постепенно падает за счет отравления активной зоны осколками деления. Поэтому для обеспечения длительной непрерывной работы реактора без смены горючего необходимо, чтобы он имел начальный запас реактивности. Запасом реактивности называется реактивность реактора при полностью выведенных регулирующих стержнях.

По своему назначению реакторы можно разделить на энергетические, экспериментальные, исследовательские, а также производящие новые делящиеся элементы и радиоактивные изотопы. Каждый конкретный реактор характеризуется: а) типом горючего; б) замедлителем; в) структурой активной зоны (гомо- или гетерогенный); г) теплоносителем; д) назначением, е) типом режима (непрерывный или импульсный); ж) конструктивными особенностями. Поэтому в настоящее время существует большое число различных видов реакторов.

Среди всех типов реакторов особое место занимают энергетические реакторы-размножители (или, что то же, бридеры). В этих реакторах одновременно с выработкой электроэнергии идет процесс расширенного воспроизводства горючего.

Поиск по сайту: