2Исполнительные (регулирующие) органы суз Общие положения

Для непрерывной работы реактора активная зона должна находиться в критическом состоянии. Следовательно, для работы реактора необходимо, чтобы активная зона имела избыточную реактивность для компенсации постепенного уменьшения количества делящегося материала в процессе выгорания, а также для компенсации изменения реактивности в связи с накоплением продуктов деления. Эту избыточную реактивность необходимо компенсировать все время, чтобы реактор находился в критическом состоянии при работе в стационарном режиме. Такая задача решается с помощью органов регулирования, в которых применяются материалы, являющиеся сильными поглотителями нейтронов. Органы регулирования при этом выполняют следующие задачи:

• регулируют энерговыделение в соответствии с требованиями;

• осуществляют быструю остановку реактора;

• компенсируют быстрое и медленное изменение реактивности, обусловленное температурными колебаниями, накоплением продуктов деления и истощением делящегося материала.

В реакторостроении для изменения нейтронного потока наиболее широкое распространение получил способ, при котором регулируется количество веществ, поглощающих нейтроны. Используются твердые, жидкие или газообразные материалы, содержащие ядра с большим сечением поглощения нейтронов (более 100 б). Для сравнения, эффективное сечение захвата нейтронов для стали 0Х18Н9Т - одного из конструкционных материалов, широко применяемых в реакторостроении - составляет 2,8 б. Следует отметить, что очень большое сечение поглощения приведет к быстрому истощению поглощающего материала из-за превращения его ядер в другие ядра, которые не являются сильными поглотителями нейтронов. По этой причине сильные поглотители нейтронов используются большей частью в качестве выгорающих поглотителей, количество которых в активной зоне должно постепенно уменьшаться для компенсации уменьшения количества делящегося материала в процессе выгорания.

Для успешной работы в реакторных условиях материалы органов регулирования должны обладать такими свойствами, как механическая прочность, высокая коррозионная стойкость, химическая стабильность при рабочей температуре и облучении, относительно низкая плотность, чтобы орган регулирования мог быстро перемещаться, доступность и относительно низкая цена, хорошая обрабатываемость.

Характеристики поглощающих материалов представлены в Табл. 2 -2. Сечения поглощения приведены для нейтронов с энергией 0,0253 эВ. В области энергии нейтронов, равной нескольким электрон-вольтам и выше, у многих из приведенных в таблице элементов имеются резонансы в сечениях поглощения. Такие элементы поглощают как тепловые, так и надтепловые нейтроны, попадающие в процессе замедления в область резонансов.

Вне зависимости от материала-поглотителя различают следующие основные методы реализации управления цепной реакцией посредством изменения количества поглотителя в активной зоне:

• управление, основанное на введении в активную зону стержней-поглотителей;

• управление, осуществляемое изменением уровня жидкого поглотителя в активной зоне, концентрации поглощающих ядер в растворе или какого-либо другого параметра, приводящего к изменению количества ядер-поглотителей в активной зоне (в частности, поглотитель может вводиться в жидкий замедлитель или теплоноситель);

• управление, основанное на изменении в активной зоне давления газообразного поглотителя.

• введение в активную зону поглотителя, выгорающего за счет захвата нейтронов; выгорание поглотителя должно быть согласовано с выгоранием ядерного топлива; выгорающий поглотитель может быть использован как некоторая составляющая композиции твэла или в виде самостоятельного элемента.

Табл. 2‑2 Поглощающие материалы и их характеристики

Материал	Температура плавления, 0С	Плотность, г/см3	Микроскопическое сечение поглощения тепловых нейтронов, б	Приближенное значение резонансного интеграла, б	Материал	Температура плавления, 0С	Плотность, г/см3	Микроскопическое сечение поглощения тепловых нейтронов, б	Приближенное значение резонансного интеграла, б
Бор (10B)	2300	2,4	3840	--	Иридий	2442	22,4	440	2000
Бор (естест­венный)	2300	2,4	755	280	Литий	186	0,5	71	28
					Осмий	3000	22,5	15,3	180
Кадмий	321	8,6	2450	--	Рений	3180	21,0	86	650
Кобальт	1495	8,7	37	48	Родий	1960	12,4	156	575
Диспрозий	1409	8,6	950	1000	Самарий	1052	7,8	5600	1800
Эрбий	1550	9,1	173	--	Серебро	961	10,5	63	700
Европий	900	5,2	4300	1000	Тантал	2996	16,6	21	500
Гадолиний	1350	8,0	46000	67	Тулий	1650	9,4	127	--
Гафний	2220	13,1	105	1800	Вольфрам	3410	19,3	19	170
Гольмий	1500	8,8	65	--	Циркаллой-2*	1852	6,6	0,180	3,5
Индий	156	7,3	196	2700	Железо*	1535	7,9	2,53	2,3
* Приведено для сравнения с поглощающими материалами (сплав циркаллой-2 содержит около 98% Zr, 1,5% Sn, 0,15% Fe, 0,10% Cr и 0,05% Ni) Сечения поглощения приведены для нейтронов с энергией 0,0253 эВ. В области энергии нейтронов, равной нескольким электрон-вольтам и выше, у многих из приведенных в таблице элементов имеются резонансы в сечениях поглощения. Такие элементы поглощают как тепловые, так и надтепловые нейтроны, попадающие в процессе замедления в область резонансов.

В СУЗ РБМК-1000 управление нейтронным потоком осуществляется введением в активную зону стержней-поглотителей, содержащих бор, диспрозий. Естественный бор состоит из двух изотопов (19% ¹⁰В и 81% ¹¹В) и имеет более низкую поглощающую способность, чем ¹⁰В. Бор редко используется в чистом виде, для изготовления стержней в основном применяется карбид бора (В₄С). Карбид бора представляет собой тугоплавкий материал, имеющий точку плавления между 2340 и 2480 ⁰С. Для изготовления изделий из карбида бора в основном применяют методы порошковой металлургии. Основная проблема при использовании карбида бора заключается в его распухании в результате образования газообразного гелия по следующей реакции:

Природный диспрозий в виде окисла состоит из семи стабильных изотопов с массовыми числами 156, 158, 160, 161, 162, 163 и 164. Самый тяжелый изотоп распространенное других (его доля в природной смеси 28,18%), а легчайший – самый редкий (0,0524%). Радиоактивные изотопы диспрозия короткоживущи, за исключением диспрозия-159 (его период полураспада 134 дня). Получается он из диспрозия-158 под действием нейтронов. Изотоп диспрозия с массовым числом 165 имеет самое большое сечение захвата тепловых нейтронов среди всех изотопов элемента №66 – 2600 барн. Для получения элементарного диспрозия применяется двухстадийный способ получения. Сначала окись диспрозия превращают во фторид, на который затем воздействуют металлическим кальцием при быстром нагревании до 1500°C. Таким способом получают серебристо-белый пластичный металл с плотностью 8,5 г/см³, который плавится при 1409°C. Сейчас получают кальциетермический диспрозий чистотой 99,76%. Стержни СУЗ на основе порошкообразного титаната диспрозия обладают тем же недостатком, что и стержни на основе карбида бора из-за процессов газового расширения в результате выделения гелия, но имеют более длительный срок службы.

Перемещение стержня-поглотителя осуществляется с помощью исполнительного механизма.

Исполнительные механизмы работают в комплекте с указателями положения стержней в активной зоне, снабженными сельсинами-датчиками, и ограничителями хода стержней в крайних положениях. Точность указателей - ±50мм. Информация о положении стержней выдается на сельсины-указатели, работающие в индикаторном режиме в паре с сельсин-датчиками и размещенные на мнемотабло СУЗ на БЩУ.

Стержень-поглотитель и исполнительный механизм образуют исполнительный орган.