Воспроизводство ядерного топлива

Воспроизводство ядерного топлива — образование в ядерном реакторе при его работе вторичных делящихся нуклидов (Pu²³⁹, Pu²⁴¹, U²³³).

Наряду с реакциями деления U²³⁵ нейтронами происходят и следующие реакции:

U²³⁸ (n, γ) Np²³⁹ (β^-) Pu²³⁹

Pu²⁴⁰ (n, γ) Pu²⁴¹

Th²³² (n, γ) U²³³,

в результате которых вырабатывается вторичное ядерное топливо. Количество накапливающегося вторичного топлива зависит от конструкции активной зоны. В реакторах на быстрых нейтронах вторичное топливо может образовываться в количествах до 100 % от исходного количества ядер U²³⁵, в реакторах типа ВВЭР — 7 ÷ 10 %.

Вторичное топливо участвует в ядерных реакциях наряду с первичным, увеличивая его энергозапас. Таким образом, образование вторичного топлива частично компенсирует шлакование топлива.

Вторичное топливо можно также отделять и использовать в других целях.

Накопление Pu²³⁹ из Np²³⁹ идёт примерно одинаково с накоплением Sm¹⁴⁹ из Pm¹⁴⁹. Таким образом, процесс воспроизводства вторичного топлива частично компенсирует прометиевый провал.

Шлакование ядерного топлива

Шлакование — накопление осколков деления и продуктов их распада, поглощающих нейтроны и уменьшающих ρ_зап.

В ядерном реакторе в процессе кампании образуется около 200 нуклидов. Большинство их имеют разные небольшие или средние по величине сечения захвата нейтронов σ_а = 100÷1000 барн, что приводит к уменьшению ρ_зап при накоплении нуклидов за счёт уменьшения коэффициента использования тепловых нейтронов Θ (см. формулу четырёх сомножителей). Накопление нуклидов идёт с той же скоростью, что и распад U²³⁵, то есть пропорционально энерговыработке.

Уменьшение ρ_зап вследствие увеличения количества шлаков происходит только при работе реактора на мощности, а при стоянке реактора изменения ρ_зап от влияния шлаков практически не происходит, потому что не происходит изменения количества шлаков.

При стоянке реактора шлаки испытывают взаимопревращения, однако их суммарное сечение захвата при этом практически не меняется, потому что разные нуклиды имеют примерно равные сечения захвата.

Шлакование топлива компенсируется сверхкритической загрузкой топлива.

Создание запаса реактивности на шлакование также компенсируется выгорающим поглотителем.

Процессы шлакования, образования вторичного топлива и выгорания — медленные, связанные с кампанией реактора. При эксплуатации разделить эти два процесса невозможно.

Среди шлаков выделяются два нуклида: Xe¹³⁵ и Sm¹⁴⁹. По сравнению с остальными шлаками эти нуклиды имеют огромное сечение захвата нейтронов, поэтому их влияние на работу реактора значительнее и называется отравлением реактора. Расчёт и компенсация отравления реактора Xe¹³⁵ и Sm¹⁴⁹ делается особым образом.

Количество шлаков по массе в точности равно количеству выгоревшего U²³⁵, что приводит к увеличению объёма ТВэл, росту давления в ТВС вследствие меньшей, чем у U²³⁵, плотности шлаков, и снижению надёжности активной зоны. Этот процесс называют разбуханием ТВэл.

Стационарное отравление 54Xe135

Шлак Xe¹³⁵ имеет сечение захвата σ_а = 2.8 * 10⁶ барн, что в тысячи раз больше средних значений сечений захвата шлаков, находящихся в диапазоне 100÷1000 барн. Поэтому Xe¹³⁵ называют отравителем реактора, потому что он снижает ρ_зап реактора значительно сильнее остальных шлаков.

В работающем реакторе протекают три процесса с участием Xe¹³⁵:

• накопление ₅₄Xe¹³⁵ из ₅₃I¹³⁵ (с Т_1/2 = 6.7 час) и из U²³⁵ — прямо пропорционально уровню мощности реактора;

• распад ₅₄Xe¹³⁵ и превращение его в шлак ₅₅Cs¹³⁵ (Т_1/2 = 9.2 час) — прямо пропорционально количеству накопленного ₅₄Xe¹³⁵;

• расстрел ₅₄Xe¹³⁵ нейтронами с превращением в шлак ₅₄Xe¹³⁶.

Эти процессы можно проиллюстрировать следующими уравнениями:

U²³⁵ (n, γ) ₅₂Te¹³⁵ (β^- c T_1/2 = 1.4 мин) I¹³⁵

U²³⁵ (n, γ) ₅₄Xe¹³⁵

₅₄Xe¹³⁵ (β^- c T_1/2 = 9.2 час) ₅₅Cs¹³⁵