книги из ГПНТБ / Перцов Л.А. Ионизирующие излучения биосферы

Ч А С Т Ь В Т О Р А Я

ИСКУССТВЕННЫЕ

ИСТОЧНИКИ

ИЗЛУЧЕНИЯ

ГЛАВА 7

ЯДЕРНЫЕ

РЕАКТОРЫ

В настоящее время достигнуты значительные успехи в ре­ шении проблемы использования атомной энергии в народно­ хозяйственных целях.

Основным энергопроизводящим узлом атомных устройств, использующих внутриядерную энергию, является реактор. Принципиальная схема реактора сравнительно проста (рис.31).

сивно поглощающих нейтроны. При необходимости эти стержни быстро погружаются в активную зону, чем и достигается прекращение цепной реакции.

§ 1. ТИПЫ РЕАКТОРОВ

Конструкция реактора и структура его активной зоны опре­ деляются многими факторами: энергетическим спектром ней­ тронов, вызывающих деление ядер горючего материала, типом замедлителя, характером теплоносителя, служебным назначе­ нием реактора, видом ядерного горючего, способом размещения его в активной зоне и т. п.

деления характеризует вероятность того, что при столкновении

Реакторы, в которых процесс деления осуществляется в основном медленными нейтронами (тепловые реакторы), имеют две отличительные черты.

1. Вследствие относительно высокого значения величины сечения деления ядер горючего для медленных нейтронов цеп­ ная реакция в тепловых реакторах достигается при сравнитель­ но небольшом содержании горючего в активной зоне.

Реакторы, работающие на быстрых нейтронах, не имеют замедлителя и благодаря низкому значению сечения деления

без кипения), тяжеловодные, газовые и реакторы с жидкометаллическими и органическими теплоносителями.

Применение некоторых жидкометаллических теплоносителей (натрия или сплава натрия с калием), обладающих хорошими теплофизическими свойствами, позволяет значительно умень­ шить их объем по сравнению с объемом теплоносителей других типов. Кроме того, вследствие сравнительно высокой темпера­ туры кипения жидких металлов при их использовании можно достигать высоких температурных уровней, не прибегая к боль­ шим давлениям, как это имеет место, например, при водяном охлаждении [7, 8].

Использование в качестве теплоносителей природной и тя­ желой воды или некоторых органических жидкостей, обладаю­ щих одновременно хорошими замедляющими свойствами, позволяет в отдельных случаях не вводить в активную зону тепловых реакторов дополнительное количество замедлителя. Теплоноситель в таких реакторах одновременно служит и замедлителем [9, 10].

бенностей реакторов, эксплуатационных свойств тепловыделяю­ щих элементов (твэлов) и материалов, применяемых при полу­ чении мощных нейтронных и у-пучков и т. д.

В зависимости от назначения реактора структура его актив­ ной зоны существенно изменяется. Так, реакторы, предназна­

В транспортных реакторах большое значение имеют мини­ мальные объем и масса, тогда как для стационарных реакто­ ров эти требования не являются решающими.

Корпус транспортного реактора американской подводной лодки «Наутилус», внутри которого вертикально размещена активная зона, имеет диаметр 4,5 м и высоту около 6 м; он изготовлен из теплостойкой углеродистой стали, изнутри плаки­ рованной нержавеющей сталью. Активная зона этого реактора имеет диаметр 2,7 м и высоту 3 м и представляет собой цилинд­ рическую пространственную решетку, в которой предусмотрены вертикальные каналы с вставленными в них алюминиевыми тильзами для сборки тепловыделяющих элементов, а также

гнезда для регулирующих стержней и стержней аварийной защиты.

Общая масса загрузки реактора ядерным горючим состав­ ляет 100 кг, что обеспечивает его непрерывную работу без пере­ зарядки в течение двух лет [12].

«Наутилус». Возможно, что масса такой установки не будет пре­

тростанции, достигает 550 кг [13]. Активная же зона транспор­

метру 58 см и высоте 76 см.

Гомогенные и гетерогенные реакторы. Наиболее.существенно конструкции реакторов различаются по способу распределения ядерного горючего в активной зоне. В соответствии с этим признаком обычно рассматривают два класса реакторов: гомо­ генные и гетерогенные.

В гомогенных реакторах ядерное горючее находится в ак­ тивной зоне в виде однородной смеси, раствора, суспензии или химического соединения с замедлителем или теплоносителем. Обычно это реакторы с жидким ядерным горючим.

Гомогенные реакторы работают как на тепловых, так и на быстрых нейтронах. В реакторах на тепловых нейтронах чаще всего применяют водные растворы, выполняющие одновременно роль ядерного горючего, замедлителя и теплоносителя. В гомо­ генных реакторах на быстрых нейтронах преимущественно используют растворы ядерного горючего в жидких металлах (жидкометаллическое топливо). В них всегда существует опас­ ность утечки горючего из активного объема [2].

§ 2. ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Тепловыделяющие элементы представляют собой устрой­ ства, содержащие твердое ядерное горючее и обеспечивающие при помещении их в активную зону реактора цепную реакцию деления, производство тепловой энергии, а при наличии в их составе материалов воспроизводства — накопление 2 3 9 Р и или

233JJ

В наиболее общем случае твэл включает в себя активный объем (сердечник), оболочку, концевые и дистанционные дета­ ли.. Активный объем твэла составляет его основу, так ка;к в нем помещаются ядерное горючее и материалы воспроизвод­ ства. В зависимости от относительного количества ядерного горючего и материалов воспроизводства, содержащихся в ак­ тивном объеме, различают следующие группы твэлов.

1. Твэлы, в активном объеме которых содержится ядерное горючее и отсутствуют материалы воспроизводства.

2.Твэлы, в активном объеме которых нет ядерного горю­ чего или содержатся такие его количества, которые недостаточ­ ны для поддержания цепной реакции деления. Основной состав­ ляющей активного объема таких элементов является материал воспроизводства.

3.Твэлы, в активном объеме которых содержится как ядер­

Такие элементы имеют двухцелевое назначение и при помешении их в активную зону обеспечивают поддержание цепной реакции деления и генерацию тепловой энергии, а также накоп­ ление вторичного ядерного горючего. Активный объем изоли­ руется от теплоносителя специальными оболочками.

В зависимости от конструкции реактора тепловыделяющие элементы могут располагаться в активной зоне в вертикальном или горизонтальном положении. Иногда твэлы загружаются в активную зону предварительно собранными в группы (десятки и сотни штук). Такие группы твэлов называют тепловыделяю­ щими сборками, которые часто помещаются в особую трубу и образуют с последней так называемый технологический канал активной зоны реактора.

В советском реакторе БН-350, в его активной зоне, насчиты­ вается 210 тепловыделяющих сборок, имеющих вид шестигран­ ных труб, заполненных твэлами. Твэлы выполнены из труб нержавеющей стали диаметром 5 мм с толщиной стенки 0,4 мм [13].

Ядерные процессы, протекающие в твэлах. При работе реактора в тепловыделяющих элементах происходит два основ­ ных ядерных процесса: деление содержащегося в твэлах ядер­ ного горючего и радиационный захват нейтронов в топливных

Для количественного рассмотрения образования осколков деления введен термин «выход деления» [14], который выра­ жается числом делений (%) , приводящих к образованию опре­ деленного продукта. Так как каждое деление приводит к обра­ зованию двух асимметричных по массе осколков, то обычно счи­ тают полный выход деления равным 200%.

На рис. 32 показана зависимость выхода деления при рас­ щеплении 2 3 5 U , 2 3 3 U и 2 3 9 Р и тепловыми нейтронами от массо­ вого числа образовавшихся осколков.

Ввиду того что выход деления колеблется в широком диа­

небольшой сдвиг положений максимумов. Анализ этих кривых показывает, что образующиеся продукты деления можно разде­

В результате деления урана в твэлах може,т образоваться до 200 различных нуклидоз, испытывающих дальнейшее радиоак­ тивное превращение до образования стабильных ядер [16, 17]. В табл. 59 приведены показатели, характеризующие выход наи­ более важных продуктов деления в типичных реакторных си­ стемах.

В результате расщепления горючего материала в активном объеме твэлов происходит постепенное накопление стабильных и долгоживущих радиоизотопов (1 4 9 Sm, 1 4 3 Nd, , 0 3 Ra, "Те) с вы­ соким поперечным сечением захвата нейтронов. Этот процесс получил название «зашлаковывание». Зашлаковывание вызывает

Рис. 32. Выход продуктов деления 2 3 5 U (a), 2 3 3 U (б), 2 3 9 Р и (в) при облучении тепловыми нейтронами [16].

Выход продуктов деления для реакторного топлива

падение реактивности системы и сокращение кампании реак­ тора.

Помимо зашлаковывающих осколков конкурентное погло­ щение нейтронов внутри реактора обусловливают и накапли­ вающиеся в активном объеме твэлов короткоживущие продукты деления. Процесс накопления в активном объеме твэлов короткоживущих и интенсивно поглощающих нейтроны оскол­ ков деления получил название «отравление активной зоны».

Отравление в основном зависит от накопления лишь одного изотопа 1 3 5 Хе, обладающего наибольшим сечением поглощения

сравнительно невелика. Но после остановки реактора происхо­