Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс) / 177_Атомные электростанции с реакторами типа ВВЭР_PWR
.pdf
Глава 1. Атомная энергетика
20
Ядерная реакция — это процесс взаимодействия атомного ядра с другим
ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением соста-
ва и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов.
Различают ядерные реакции, идущие под действием заряженных частиц
(альфа-частиц, протонов, дейтронов и т.д.), реакции, идущие под действием
гамма квантов (фотоядерные реакции), реакции, вызываемые нейтронами.
К последним относится особый тип реакций, называемый делением атом-
ных ядер.
Реакция деления — процесс деления тяжелых ядер, например, урана или
плутония на более легкие с испусканием нейтронов. Реакция деления явля-
ется ядерно-физической основой для ядерных реакторов.
В ядерных реакциях действует закон сохранения энергии, закон сохра-
нения электрического заряда и закон сохранения импульса. В общем виде
ядерные реакции записываются следующим образом:
a + A = b + B +Q, (1.1)
где a, b – субатомные частицы; A, B – ядра; Q – энергия.
Число слагаемых по обеим сторонам формулы может отличаться. У всех
ядерных реакций есть каналы протекания — возможные варианты правой
части формулы (конечного состояния), характеризующиеся временем и ве-
роятностью их протекания
Если масса правых слагаемых формулы 1.1 будет меньше массы слагае-
мых слева, значит, реакция сопровождается выходом энергии. Это свойство
и используется в ядерной энергетике, основанной на реакции деления, так-
же данный эффект имеет место в реакции синтеза.
В ходе ядерных реакций испускаются частицы:
• γ-кванты;
• α-частицы (ядро атома He);
• β
+
- и β
–
-частицы;
• n
0
– нейтроны;
• ν и
ν
– нейтрино и антинейтрино.
Также отметим, что ядерные реакции характеризуются эффективным
сечением реакции — это величина, характеризующая вероятность взаимо-
действия элементарной частицы с атомным ядром или другой частицей.
В общем случае, величина эффективного сечения реакции обратно пропор-
ционально скорости частицы, следовательно, чем медленнее частица проле-
тает мимо ядра, тем больше времени будет у нее для взаимодействия.
Спектр нейтронов — функция, описывающая распределение нейтронов
по энергиям (рис. 1.2б). В зависимости от обладающей энергии, нейтроны
условно делятся на:
• ультрахолодные (E <10
–7
эВ);
• холодные (E <0,005 эВ);
• тепловые (0,005–0,1 эВ);
1.2. Основы физики реакторов
21
• надтепловые (0,1–10 эВ);
• медленные (1–100 эВ);
• резонансные (1–300 эВ);
• промежуточные (0,3–200 кэВ);
• быстрые (200 кэВ–20 МэВ);
• сверхбыстрые (E >20 МэВ).
Не для всех тяжелых ядер возможна реакция деления. Дело в том, что для
четных ядер (массовое число четно, четное число протонов и четное число
нейтронов в ядре) энергия связи нейтрона в ядре гораздо больше, чем для
нечетных ядер.
Выделяют две группы тяжелых ядер по отношению к способности деле-
ния на нейтронах:
• нечетные ядра, такие как
233
U,
235
U,
239
Pu,
241
Pu легко делятся любыми,
даже тепловыми нейтронами, поэтому их часто называют делящимися
ядрами;
• четно-четные ядра
232
Th,
236
U,
238
U,
240
Pu,
242
Pu могут образовывать но-
вые делящиеся ядра при поглощении нейтрона, поэтому их часто на-
зывают сырьевыми.
Деление четных ядер происходит быстрыми нейтронами и носит порого-
вый характер. При энергии нейтрона больше 1 МэВ возможна реакция деле-
ния на
238
U. По этой причине очень привлекательными становятся быстрые
реакторы, в таких реакторах удается замкнуть цикл воспроизводства и перера-
ботки отработавшего топлива, что является экономически очень выгодным.
В настоящее время идет процесс интенсификации развития ядерной энерге-
тики за счет модернизации и совершенствования реакторов на тепловых ней-
тронах, прежде всего легководных реакторов под давлением типа ВВЭР/PWR.
1.2.
Ядерный реактор — устройство, в котором осуществляется управляемая
цепная реакция деления, сопровождающаяся выделением энергии.
Рассмотрим управляемую цепную реакцию деления на тепловых ней-
тронах (рис. 1.3).
Нейтроны, вызывающие деление ядер, называются первичными, а ней-
троны, возникающие при делении ядер — вторичными. Вторичные нейтро-
ны деления испускаются осколками в самом начале их движения. Осколки
непосредственно после деления оказываются сильно перегруженными ней-
тронами, при этом энергия возбуждения осколков превышает энергию свя-
зи нейтронов в них, что и предопределяет возможность вылета нейтронов.
Покидая ядро-осколок, нейтрон уносит с собой часть энергии, в результате
энергия возбуждения ядра-осколка снижается. После того как энергия воз-
Глава 1. Атомная энергетика
22
буждения ядра-осколка станет меньше энергии связи нейтрона в нем, вылет
нейтронов прекращается.
При делении разных ядер образуется различное число вторичных ней-
тронов, обычно от 0 до 5 (чаще всего 2–3). Средняя энергия вторичных ней-
тронов равняется около 2 МэВ, наиболее вероятная 0,8 МэВ.
Основная часть вторичных нейтронов вылетает из ядер-осколков в сред-
нем за время 10
–14
сек. после деления ядра, то есть практически мгновенно.
Поэтому эту часть вторичных нейтронов называют мгновенными. Но суще-
ствуют еще и так называемые запаздывающие нейтроны.
Происхождение запаздывающих нейтронов связано с бета-распадом не-
которых осколков деления, доля запаздывающих нейтронов от общего ко-
личества вторичных нейтронов менее 1%.
Доля запаздывающих нейтронов определяется как отношение чис-
ла запаздывающих нейтронов к числу всех вторичных нейтронов деления
и обозначается величиной β. К примеру, β для
235
U составляет 0,65%, для
233
U — 0,24%, для
239
Pu — 0,21%.
Поскольку запаздывающие нейтроны могут возникать при распаде раз-
личных ядер-осколков (называемых ядрами-предшественниками запазды-
вающих нейтронов), каждый из которых распадается со своим периодом
полураспада, то и запаздывающие нейтроны образуют несколько групп, ка-
ждая из которых имеет свой период полураспада.
Первичный
нейтрон
Исходное
ядро
Осколок
1-е поколение
нейтронов
2-е поколение
нейтронов
1-й цикл
деления
2-й цикл
деления
. 1.3. Цепная реакция деления
1.2. Основы физики реакторов
23
Запаздывающие нейтроны играют определяющую роль в управлении
цепной реакцией деления и работе всего ядерного реактора.
Среднее время жизни запаздывающих нейтронов (время запаздывания)
практически совпадает со средним временем жизни ядра-предшественника.
Например, для ядра
235
U среднее время запаздывания — 12,4 с.
Одно из основных условий протекания цепной ядерной реакции заклю-
чается в образовании такого количества нейтронов, при котором хотя бы
один нейтрон в текущем акте деления тратился на деление ядра топлива в
следующем. К примеру, в одном акте деления ядра
235
U образуется в среднем
2,5 вторичных нейтрона.
Учитывая время жизни запаздывающих нейтронов (12,4 с.), имеется
оперативная возможность воздействовать на общее количество нейтронов в
активной зоне реактора и тем самым поддерживать или останавливать цеп-
ную ядерную реакцию.
Для определения состояния цепной ядерной реакции вводится понятие
«эффективный коэффициент размножения нейтронов» — К
эф
.
Величина К
эф
определяет отношение количества нейтронов текущего
поколения к количеству нейтронов в предыдущем поколении, то есть во
сколько раз их становится больше или меньше с каждым актом деления.
Если К
эф
больше 1, мощность реактора растет (реактор надкритичен, идет
нарастание цепной реакции деления), если меньше 1 — падает (реактор
подкритичен, цепная реакция деления затухает). При К
эф
=1 мощность
реактора становится постоянной (реактор находится в критическом со-
стоянии, идет стационарная самоподдерживающаяся цепная реакция де-
ления).
От чего зависит К
эф
?
К
эф
=К
∞
∙ ω, (1.2)
где
ω — вероятность нейтрону избежать утечки из активной зоны в процессе
замедления и диффузии;
К
∞
— коэффициент размножения нейтронов в бесконечной среде, то есть,
при отсутствии утечки нейтронов из реактора.
К
∞
определяется формулой четырех сомножителей:
К
∞
=μφθη, (1.3)
где
μ — коэффициент размножения на быстрых нейтронах, равен отношению
числа нейтронов, образующихся с делениями ядер под действием быстрых
нейтронов, к количеству нейтронов, порожденных без таких делений.
Коэффициент размножения на быстрых нейтронах зависит от состава то-
плива и формы реактора;
Глава 1. Атомная энергетика
24
φ — вероятность избежать резонансного поглощения нейтронов ядрами
238
U
в процессе замедления. Это доля нейтронов, избежавших захвата при замед-
лении, от числа нейтронов поколения, замедляющихся в пределах деляще-
гося материала;
θ — коэффициент использования тепловых нейтронов. Представляет собой
отношение числа тепловых нейтронов, поглощенных в топливе, к полному
числу поглощенных нейтронов;
η — выход нейтронов на одно деление. Отношение числа вторичных ней-
тронов деления к числу поглощенных в топливе первичных тепловых ней-
тронов.
Возвращаясь к К
эф
, скажем, что влиять на него можно путем использова-
ния поглощающих материалов (стрежни регулирования СУЗ, борная кисло-
та в качестве жидкого поглотителя и т.д.).
Сечение поглощения нейтронов у ядер таких материалов велико, тем са-
мым, вводя или выводя специальными техническими средствами поглоти-
тель в активную зону, можно менять свойства всей активной зоны в целом,
уменьшая или увеличивая скорость генерации новых нейтронов. Наиболее
сильными поглотителями являются бор, кадмий, самарий, европий.
Реактивность ядерного реактора — безразмерная величина, характери-
зующая поведение цепной реакции деления в активной зоне ядерного реак-
тора и определяемая соотношением:
ρ
=
K
эф
– 1
,
K
эф
(1.4)
Реактивность это характеристика ядерного реактора, представляющая собой
меру отклонения коэффициента размножения нейтронов от 1. Положительные
значения реактивности соответствуют разгону реактора, отрицательные — спа-
ду его мощности. Значения вводимой положительной реактивности лежат в
диапазоне 0<ρ<β
эф
. При введении в реактор положительной реактивности рав-
ной или более β
эф
, реактор будет неуправляемым и произойдет резкий скачок
мощности — разгон на мгновенных нейтронах с последующим разрушением
активной зоны. β
эф
— эффективная доля запаздывающих нейтронов. Величина
β
эф
зависит от типа реактора и может изменяться не только в процессе работы
реактора, но и даже при перемещениях поглощающих стержней. Значение β
эф
для топлива, например ВВЭР, изменяется примерно от 0,71% для свежего то-
плива до 0,51% для топлива перед перегрузкой.
1.3.
Топливом для ядерных реакторов служат радионуклиды, способные под-
держивать самопроизвольную цепную ядерную реакцию деления, а именно:
изотопы урана
235
U,
238
U,
233
U; изотопы плутония
239–242
Pu, смешанные с
238
U
1.3. Ядерное топливо
25
[так называемое МОКС-топливо (MOX — Mixed-Oxide fuel)];
232
Th, который
в процессе работы реактора преобразуется в
233
U.
Изотопы радиоактивных элементов можно разделить на делящиеся и
делимые. Делимые изотопы обладают естественной радиоактивностью, од-
нако их период полураспада велик и они неспособны самостоятельно вы-
звать цепную реакцию деления. Эти ядра хорошо делятся при поглощении
нейтронов с энергией выше порога деления, преобразовываясь в процессе
поглощения и цепочки бетта-распадов в делящиеся элементы. Например,
делимый
238
U при поглощении нейтрона превращается в
239
Pu, который яв-
ляется делящимся.
В природе существуют следующие изотопы урана:
238
U (массовая доля
99,2745%),
235
U (массовая доля 0,7200%) и
234
U (массовая доля 0,0055%).
Изотопы
238
U — делимый,
235
U — делящийся.
235
U — первичный делящий-
ся материал в цепочке технологии ядерных реакторов. Содержание изотопа
235
U в природном уране мала (около 0,72%), а для обеспечения возможности
цепной реакции деления требуется топливо с содержанием изотопа
235
U до
20% (чаще всего 3–5%). По этому процесс обогащения добытого урана изо-
топом
235
U является неотъемлемой частью развития ядерных энергетических
технологий.
Для ядерного топлива (материалов) существует понятие критической
массы ядерного реактора. Критическая масса ядерного реактора — это ми-
нимальное количество делящегося материала, определенной геометриче-
ской конфигурации и изотопного состава, необходимое для протекания
самоподдерживающейся цепной ядерной реакции деления. Чем выше обо-
гащение топлива делящимся изотопом, тем меньше критическая масса.
Для обеспечения работы реактора требуемое количество времени, в нача-
ле топливной кампании производится загрузка топливом в объеме порядка
8–10 критических масс (создается запас реактивности). К концу топливной
компании запас реактивности снижается.
Запас реактивности реактора — это величина положительной реактив-
ности, которая высвобождается при полном выводе из активной зоны реак-
тора всех регулирующих поглотителей (органы СУЗ, борная кислота).
В самом начале топливной кампании (времени эксплуатации реактора
на одной топливной загрузке) запас реактивности достаточно велик, его
необходимо скомпенсировать отрицательной реактивностью. В различных
типах реакторов для этого применяются разные технические решения, на-
пример, в одной из самых распространенных ветвей реакторостроения —
ВВЭР/PWR, — применяются выгорающие поглотители, в том числе гадоли-
ний в составе уран-гадолиниевых топливных элементов.
В ВВЭР/PWR в качестве жидкого поглотителя используется раствор
борной кислоты, добавляемый в теплоноситель первого контура.
Выгорание ядерного топлива — снижение количества и концентрации
делящихся ядер в процессе работы реактора. Глубина выгорания топлива
Глава 1. Атомная энергетика
26
в активной зоне реактора В определяется как отношение энерговыработки
Q
к
= W∙t (МВт∙сут), полученной за время t (сут) работы реактора на мощно-
сти W (МВт), к полной начальной загрузке m
топ
(т) урана. Имеет размерность
МВт∙сут/кг. Это определение не единственное, существуют также определе-
ния глубины выгорания В
1
как отношения массы выгоревшего делящегося
нуклида m
выг
(кг) к массе изначально загруженного делящегося нуклида m
U
(кг), и В
2
как отношение массы выгоревшего делящегося нуклида m
выг
(кг)
к полной начальной загрузке m
топ
(т) урана. Чем выше глубина выгорания
топлива, тем эффективнее использование ядерного топлива.
Эксплуатация ядерного реактора (в процессе деления топлива) так же
сопровождается следующими физическими процессами в активной зоне:
• Отравление ядерного реактора — это процесс накопления в нем ко-
роткоживущих продуктов деления, участвующих в непроизводитель-
ном захвате нейтронов и тем самым снижающих запас реактивности
реактора. Их концентрация находится в состоянии равновесия при
неизменном уровне мощности, однако любое изменение мощности
реактора приводит к изменению их концентрации (при повышении
мощности реактора в начальный момент времени происходит сниже-
ние их концентрации с последующим увеличением, а при снижении
мощности возникает обратная картина — в начальный момент време-
ни происходит увеличение концентрации а затем снижение).
Ключевым элементом является изотоп ксенона (
135
Xe) с периодом по-
лураспада 9,14 часа.
135
Xe является продуктом деления урана и явля-
ется самым мощным поглотителем нейтронов. Предшественником
135
Xe является
135
I с периодом полураспада 6,58 часов (
135
I через 6,58
часов превращается в
135
Xe). Отравлению подвержены реакторы,
работающие на нейтронах тепловых энергий (ВВЭР/РБМК/PWR/
BWR и др.), в реакторах работающих на быстрых нейтронах отрав-
ление отсутствует.
• Шлакование — это процесс накопления в работающем реакторе ста-
бильных и долгоживущих продуктов деления, участвующих в непро-
извольном захвате тепловых нейтронов и тем самым понижающих
запас реактивности реактора. Ключевой элемент
149
Sm (самарий), об-
ладает большим сечением поглощения тепловых нейтронов.
149
Sm об-
разуется в результате распада
149
Pm (прометий). Поскольку ядро
149
Sm
является стабильным, то убыль его концентрации происходит только
вследствие его выгорания (захват тепловых нейтронов) с образовани-
ем
150
Sm.
• Коэффициент воспроизводства. Преобразование делимых ядер в деля-
щиеся нейтронным потоком. Это отношение количества образовав-
шегося (вторичного) ядерного топлива к количеству израсходованного
(выгоревшего) за то же время.
1.4. Ядерные реакторы
27
В реакторах на быстрых нейтронах КВ может быть больше 1 (это означа-
ет что количество образовавшегося топлива больше, чем израсходованного).
Для реакторов ВВЭР/PWR (на тепловых нейтронах) КВ может достигать не
более 0,8.
1.4.
Ядерный реактор — устройство, предназначенное для организации
управляемой, самоподдерживающейся цепной реакции деления, сопрово-
ждающейся выделением энергии.
Ядерный реактор, как правило, включает в себя следующие основные
конструктивные элементы:
• активная зона с ядерным топливом;
• отражатель нейтронов вокруг активной зоны, предназначенный для
снижения утечки нейтронов;
• теплоноситель — среда, снимающая тепло с топлива, охлаждающая его;
• система/системы воздействия на реактивность для прекращения или
управления цепной реакцией деления дистанционно;
• биологическая/радиационная защита.
Ядерные реакторы классифицируются:
• по назначению;
• по спектру нейтронов;
• по структуре активной зоны;
• по изотопному составу топлива;
• по степени обогащения изотопами делящегося материала;
• по виду теплоносителя;
• по виду замедлителя;
• по типу конструкции.
По назначению выделяют:
•энергетические реакторы, вырабатывающие электрическую энергию,
используемую в энергетике или для опреснения морской воды (ре-
акторы для опреснения также относят к промышленным). Отдельно
выделяют транспортные реакторы, применяемые в кораблестрое-
нии, космической отрасли, подводных лодках, военном ракетостро-
ении;
• экспериментальные реакторы, используемые для изучения различных
физических величин, необходимых для проектирования и эксплуа-
тации других реакторов, мощность экспериментальных реакторов не
более нескольких кВт;
• исследовательские реакторы. В них потоки нейтронов, гамма-квантов
и других частиц, используются для исследований в различных обла-
Глава 1. Атомная энергетика
28
стях науки, для испытания материалов, для производства изотопов
(в том числе медицинских). Мощность исследовательских реакторов
составляет не более 100 МВт;
• промышленные (оружейные, изотопные) реакторы. Применяются для
наработки конкретных изотопов.
По спектру нейтронов различают:
• реакторы на тепловых нейтронах;
• реакторы на быстрых нейтронах;
• реакторы на промежуточных нейтронах;
• реакторы со смешанным спектром.
По структуре активной зоны:
• гетерогенные реакторы. Топливо размещено в активной зоне равно-
мерно в виде блоков, между которыми находится замедлитель;
• гомогенные реакторы. Топливо и замедлитель – однородная среда.
По изотопному составу топлива:
•
235
U,
238
U,
233
U;
•
239
Pu, также
239–242
Pu в смеси с
238
U (MOКС-топливо);
•
232
Th (преобразование в
233
U).
По степени обогащения топлива:
• природный уран;
• слабообогащенный уран;
• высокообогащенный уран.
По химическому составу топлива:
• металлический U;
• UO
2
(двуокись урана);
• UC (карбид урана – керамическое топливо).
По виду теплоносителя:
• H
2
O (вода);
• газ;
• D
2
O (тяжелая вода);
• органический теплоноситель;
• жидкометаллический теплоноситель;
• расплавы солей.
Стоит отметить, что в качестве теплоносителя наиболее широко исполь-
зуется вода («легкая» вода) в силу ее дешевизны, нетоксичности, широкого
распространения и совместимости с большим спектром конструкционных
материалов.
1.5. Эволюция ядерных реакторов
29
Меньшее распространение получили реакторы с теплоносителем в виде
тяжелой воды, которые могут работать на природном уране без обогаще-
ния. Тяжелая вода (оксид дейтерия) — обычно этот термин применяется для
обозначения тяжеловодородной воды. Тяжеловодородная вода имеет ту же
химическую формулу, что и обычная вода, но вместо атомов водорода со-
держит два тяжелых изотопа водорода — атомы дейтерия.
По используемому замедлителю:
• С (графит);
• H
2
O (вода);
• D
2
O (тяжелая вода);
• Be, BeO (бериллий, оксид бериллия в качестве замедлителя-отража-
теля);
• гидриды металлов;
• без замедлителя (реакторы на быстрых нейтронах).
По типу конструкции:
• корпусные;
• канальные (каждая ТВС охлаждается в отдельном канале теплоноси-
теля);
• бассейнового типа (открытый бассейн с топливом);
• малые (модульные) реакторы.
Наиболее распространенными реакторами в России являются водо-
водяные (вода является и замедлителем, и теплоносителем) реакторы (около
65%), кипящие (РБМК, вода теплоноситель, графит замедлитель) реакторы
на теп ловых нейтронах (около 30%), реакторы на быстрых нейтронах (около
5%). Распространенность ВВЭР/PWR обусловлена надежностью, безопасно-
стью, управляемостью, сравнительной простотой исполнения, дешевизной и
хорошими физическими и химическими характеристиками воды и как замед-
лителя, и как теплоносителя. На текущий момент успешно эксплуатируются
некоторое количество энергетических и исследовательских реакторов на бы-
стрых нейтронах с различными видами теплоносителя (включая натриевый).
1.5.
Первым ядерным реактором был всемирно известный Chicago Pile-1
(рис. 1.4), выстроенный из графитовых и урановых блоков под трибуной
стадиона в Чикаго в рамках проекта «Манхеттен». Процесс создания вызы-
вал ряд опасений, не было уверенности в том, что запаздывающие нейтроны
позволят контролировать цепную реакцию, не было уверенности в техниче-
ских средствах. Тем не менее, 2 декабря 1942 года была осуществлена цеп-
ная реакция деления. Наготове стоял человек с ведром концентрированного
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)