63 Сравнительный анализ поглотителей(бор, гадолиний, эрбий, европий)

В первой главе уже говорилось, что для управления цепной реакцией в реакторе используется эффект изменения коэффициента размножения за счет ввода и вывода поглощающих/ размножающих нейтроны материалов. Устройства, осуществляющие оперативное, целенаправленное изменение размножающих свойств активной зоны реактора называются органами регулирования. В случае каких-либо аварийных ситуаций, требующих экстренной остановки реактора, используются специальные устройства – органы аварийной защиты, которые тоже используют эффект изменения размножающих свойств реактора за счет ввода (вывода) поглотителей (размножителей).

Чтобы реактор работал достаточно долго между перегрузками, в него загружается топлива больше, чем требуется для поддержания критичности. Чтобы скомпенсировать избыточный коэффициент размножения используются специальные устройства – органы компенсации, основанные на тех же принципах, что и описанные выше. Все названные устройства имеют общее название – органы воздействия на коэффициент размножения.

At! Таким образом, устройства, содержащие материалы, поглощающие нейтроны, являются неотъемлемой частью реактора.

Принципиально конструкции органов регулирования, защиты и компенсации мало отличаются друг от друга. Более того, один и тот же орган, в зависимости от ситуации, часто может быть использован для выполнения любой из трех функций. Поглотители могут использоваться в реакторе во всех трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном.

Требования к конструкции органов воздействия на коэффициент размножения и материалам – поглотителям.

1. Обеспечить практически постоянную эффективность органа воздействия на коэффициент размножения при длительной его работе в активной зоне реактора. Поглотитель выгорает, поэтому этого добиваются тем, что делают органы достаточно толстыми, чтобы получилось абсолютно черное тело для нейтронов. Изменение эффективности в этом случае может быть связано только с изменением геометрических размеров органа.

2. Обеспечить постоянство размеров, теплофизических и механических свойств. Под действием нейтронов в поглощающем материале происходят ядерные реакции, в результате которых возникают новые элементы, вследствие чего

а) могут изменяться плотность и геометрические размеры деталей, особенно, если в результате получается газообразный элемент; следовательно, распухание деталей надо учитывать в конструкции, предусматривая необходимые зазоры;

б) могут изменяться теплофизические и прочностные свойства металлов – поглотителей;

в) может изменяться коррозионная стойкость материала – поглотителя.

Требования на теплофизические характеристики (теплопроводность) существенны, т.к. при поглощении нейтронов выделяется кинетическая энергия частиц , , , которая в итоге превращается в тепло, которое необходимо эффективно отводить. Требования на механические свойства зависят от того, являются ли конструкции из материалов – поглотителей несущими или нет. Требования на коррозионную стойкость должны удовлетворяться для того, чтобы не разрушалась активная часть органов, чтобы не загрязнялся теплоноситель продуктами коррозии, которые имеют высокую активность.

Наиболее сильно поглощают нейтроны изотопы бора (В), гафния (Hf), кадмия (Cd), гадолиния (Gd), европия (Eu), самария (Sm). Сравнить поглощающие и другие свойства различных поглотителей можно, пользуясь данными таблицы 4.3.

Таблица 3.4

Материал	а (барн) тепл. нейтр.	Резонансный инт. (барн)	Реакция	Т плавления С	Примечание
В10	3840	–	(n, )	2300
Бор (ест)	755	280	(n, )	2300
Cd	2450	–	(n, )	321
H f	105	1800	“–“	2220	Редкозем.
Gd	46000	67	“–“	1350	элементы
Eu	4300	1000	“–“	900
Sm	5600	1800	“–“	1052

БОР

Бор наиболее часто применяют в ядерной энергетике в качестве материала – поглотителя. Естественный бор содержит ~20% В¹⁰ и ~80% В¹¹ с сечениями поглощения соответственно 3840 б и ~0.05 б, т.е. поглотителем является В¹⁰.

Естественный бор обогащают по В¹⁰ до 90% для увеличения эффективности поглотителя. Реакция

+ ~3 МэВ кин. энергии

Таким образом, реакция (n, ) на боре идет по двум каналам. Причем, второй канал производит также ядро трития, который является радиоактивным с периодом полураспада ~12 лет.

At! Так как в результате поглощения нейтронов бором получаются крупные  – частицы, имеющие большую кинетическую энергию и малую длину пробега, то

1. поглотители, изготовленные из бора или его соединений, нагреваются и требуют организации их охлаждения;

2.  – частицы при длительном облучении бора нейтронами нарушают структуру материала, что приводит к формоизменению конструкций, изготовленных из него.

Бор используют в аморфном или кристаллическом виде, как правило, в составе следующих соединений: бура (Na₂B₄O₇), карбид бора (В₄С), нитрид бора (ВN), борная кислота (Н₃ВО₃). Очень распространена борная нержавеющая сталь, содержащая ~0.5 – 2.4.% В. Она имеет достаточную коррозионную стойкость при работе в реакторе, удовлетворительные технологические свойства. Однако заметные формоизменения деталей из нее не позволяют использовать эту сталь для несущих конструкций. Кроме того, из-за этого при монтаже деталей необходимо предусматривать возможность увеличения их размеров.

Карбид бора В₄С – химически устойчивое соединение с температурой плавления 2450С. Важным свойством является то, что он не возгорается и не горит при температурах до 2450С. основной способ получения деталей – прессование из порошка с последующим спеканием. Обычно из В₄С прессуют таблетки.

В реакторах с водой под давлением, о которых речь будет идти далее, используются жидкие поглотители (как правило, в виде борной кислоты Н₃ВО₃), которые подмешиваются в теплоноситель. При использовании борной кислоты, как мы уже видели, образуется радиоактивный тритий. Он замещает в воде атом обыкновенного водорода. В итоге получаются Т₂О, НТО и свободный водород. Удаление связанного трития из воды – серьезная проблема.

КАДМИЙ

Кадмий – очень хороший поглотитель тепловых нейтронов с реакцией

.

Однако очень низкая температура плавления и плохие механические свойства не дали ему широкого применения. Кадмий используется, в основном, при экспериментальных работах на исследовательских реакторах.

ЕВРОПИЙ

Этот элемент интересен тем, что является очень эффективным поглотителем нейтронов как в тепловой , так и надтепловой областях энергий. При захвате нейтронов два его естественных изотопа ¹⁵¹Eu и ¹⁵³Eu образуют цепочку превращений в другие изотопы, которые в свою очередь хорошо поглощают нейтроны. Реакция

¹⁵¹Eu+n¹⁵²Eu+n¹⁵³Eu,

¹⁵³Eu+n¹⁵⁴Eu+n¹⁵⁵Eu+n¹⁵⁶Eu (_а0).

Европий применяется в виде окисла Eu₂O₃ с температурой плавления 2000С. Европий используется для изготовления выгорающих поглотителей, т.к. его эффективность очень высока и из него можно делать очень тонкие стержни или оболочки.

64 Устройство поглощающих стержней: ВВЭР-1000, РБМК – 1000,

БН-600

Поглощающий стержень — элемент конструкции ядерного реактора, предназначенный для управления цепной ядерной реакцией за счёт степени погружения в активную зону.

Поглощающие стержни содержат в своём составе элементы с высоким сечением поглощения нейтронов (бор, кадмий, гафний и др.). Наибольшее распространение нашли борсодержащие стержни, что объясняется превосходными свойствами бора как поглотителя нейтронов. Чистый бор непригоден для изготовления регулирующих стержней. Он радиационно нестоек, непрочен и несовместим с теплоносителями. Обычно бор вводят в состав нержавеющей стали (борная сталь). Содержание бора в борной стали может достигать 5 %. Материалом поглощающих стержней служат также карбид бора B₄C, смесь B₄C—Al₂O₃ и др.

ВВЭР-1000: Для обеспечения быстрого прекращения ядерной реакции, автоматического поддержания мощности на заданном уровне и перевода реактора с одного уровня мощности на другой, предупреждения и подавления ксеноновых колебаний реактивности используются поглощающие стержни системы управления и защиты - ПС СУЗ (иначе ОР СУЗ).

ПС СУЗ состоит из ПЭЛов, захватной головки (траверсы), пружин индивидуальной подвески ПЭЛов(слайд ).

ПЭЛ представляет собой стержень, состоящий из оболочки, заполненной поглощающим материалом и заглушенной наконечниками.

Головка ПС СУЗ представляет собой втулку с ребрами, на которых выполнены отверстия для подвески ПЭЛ.

Стержни выгорающего поглотителя (СВП) служат для выравнивания поля энерговыделения по радиусу активной зоны и для компенсации запаса реактивности.

Пучок СВП состоит из стержней СВП и захватной головки (траверсы). В отличии от крепления ПЭЛов, в захватной головке СВП крепятся без пружин. Конструктивно СВП представляет собой, также как и ПЭЛ, стержень, состоящий из оболочки и поглощающего материала выгорающего поглотителя.

Характеристика	Значение
1. Тип ПС СУЗ	0401.01.04.000	0401.12.04.000	496.00.070
2. Количество ПЭЛ, шт.	18	18	18
3. Поглощающий материал	В4С – карбид бора	В4С и Dy2O3·TiO2 – карбид бора и титанат диспрозия	В4С и Dy2O3·TiO2 – карбид бора и титанат диспрозия
4. Плотность поглощающего материала, г/см3, не менее	В4С – 1,7	В4С – 1,7 Dy2O3·TiO2 – 4,9
5. Высота столба поглощающего материала, мм, номинальная	3710	3500 (из них 300 мм - Dy2O3·TiO2, остальные 3200 мм - В4С)
6. Материал оболочек ПЭЛов	Сталь 06Х18Н10Т	Сталь 06Х18Н10Т
7. Масса номинальная, кг	16	18,5
8. Обозначение кассет, в состав которых входит данный тип ПС СУЗ	0401.03.00.000-01, -04	04.01.12.00.000	496.00.000-12, -18, -32

65 Система продувки – подпитки ВВЭР-1000

Назначение:

1)заполнение и (или) дозаполнение первого контура раствором борной кислоты;2)поддержание материального баланса теплоносителя;3)компенсация медленных изменений реактивности из-за выгорания и отравления топлива, а также компенсация изменений реактивности при пусках, остановах и при изменении нагрузки реактора;4)дегазация и возврат организованных протечек теплоносителя первого контура;5)корректировка показаний водно-химического режима в соответствии с нормами;6)гидроиспытания первого контура; 7)подача запирающей воды на уплотнение ГЦН;8)расхолаживание КД при неработающих ГЦН; 9)первоначальное заполнение гидроемкостей САОЗ;

Состав:

1)системы дегазации и деаэрации теплоносителя;2)подпиточные агрегатов;3)магистралей подпитки и подачи запирающей воды на уплотнения ГЦН;4)вывода теплоносителя первого контура; 5)подачи дистиллята.

Система подпитки-продувки относится к системам, важным для безопасности. Система функционирует в режимах нормальной эксплуатации, включая переходные режимы энергоблока. В аварийных ситуациях, связанных с разуплотнением первого или второго контуров, работоспособность системы по проекту не требуется. Учитывая, что система подпитки-продувки должна функционировать непрерывно в период нормальной эксплуатации блока на мощности, насосные агрегаты продублированы: рабочий, резервный и ремонтный.

РАБОТА:ПРОДУВКА-Основная задача: очистка т-ля и дегазация. Очистка на мех-х фильтрах за счет напора ГЦН. СВО №1 – механич фильтры заполненные титановой крошкой. Работает при номинальных параметрах