3.3. Материалы замедлителей и отражателей

Для замедлителей и отражателей используются, по существу, одни и те же материалы, причем, к их ядерным и теплофизическим свойствам предъявляют одинаковые требования.

При большом сечении рассеяния нейтронов материалами замедлителя и отражателя (D₂O; H₂O; водородсодержащие материалы; углерод (графит); Be; BeO) столкновения нейтронов с ядрами происходят часто и под большими углами, а средняя длина свободного пробега нейтронов в процессе замедления мала, что сводит к минимуму потери нейтронов. Помимо специфических ядерных свойств замедлители и отражатели должны дополнительно отвечать следующим требованиям [1]:

• необходимая механическая прочность;

• термическая и радиационная стабильность;

• коррозионная стойкость;

• технологичность при изготовлении и утилизации;

• хорошая теплопроводность для рассеяния выделяющейся в них тепловой энергии.

В водо-водяных реакторах с водой под давлением (ВВЭР, PWR) или кипящих (BWR, ВК) замедлителем является водный теплоноситель H₂O, а реакторы CANDU используют тяжелую воду D₂O.

Использование графита в качестве замедлителя нейтронов в водо-графитовых или газо-графитовых реакторах позволяет применить топливо более низкого обогащения, чем в водо-водяных реакторах. Если в качестве замедлителя используется тяжелая вода (реакторы CANDU), то в качестве топлива используется необогащенный природный уран. Это представляет интерес для стран, не имеющих технологии обогащения урана, но желающих развивать свою ядерную энергетику. Газографитовые реакторы Magnox также работали на природном уране.

Ядерный графит отличается от обычного конструкционного графита чистотой по реакторно-вредным примесям, прежде всего по бору и редкоземельным элементам. При температурах ~ 300 С в графите накапливается энергия Вигнера, которая по достижении порогового значения высвобождается взрывным путём. Именно взрывное высвобождение энергии Вигнера привела к первой в истории мировой ядерной энергетики большой аварии, случившийся в 1957 году на АЭС «Виндскейл»в Великобритании.

Многие гидриды металлов по атомной плотности превосходят жидкий водород и воду. Они являются эффективными материалами замедлителя, отражателя и защиты высокотемпературных ядерных реакторов с малым объемом активной зоны.

Металлический бериллий применяют в качестве замедлителя и отражателя во многих реакторах. Оксид бериллия стабилен в водороде и сухом воздухе до 2000 С. Как бериллий, так и его оксид характеризуются распуханием при повышенных температурах вследствие скопления дефектов и пузырьков гелия, образующегося при взаимодействии бериллия с быстрыми нейтронами.

3.4. Материалы и конструктивные решения биологической защиты

К материалам биологической защиты предъявляются следующие требования:

• высокая эффективность защитных свойств от нейтронного и гамма-излучения (на единицу массы);

• высокая радиационная и термическая стойкость;

• стабильность свойств за весь срок службы;

• приемлемая наведенная активность в потоке нейтронов;

• минимальное газовыделение под действием излучения и радиационного нагрева;

• совместимость с другими материалами;

• технологичность при изготовлении и утилизации;

• высокая коррозионная стойкость в воде или влажном воздухе;

• приемлемые теплофизические, механические и другие свойства;

• достаточные запасы сырья;

• приемлемая стоимость.

Для АЭС основным фактором может оказаться низкая стоимость, для судовой и космической установки – минимальная масса (т.е. высокая эффективность) или термическая стойкость и т.п.

По ядерному составу материалы защиты подразделяют на легкие, тяжелые и материалы со средним значением атомного номера, либо смеси легких материалов с тяжелыми и средними [1].

Легкие материалы являются эффективной защитой от нейтронов. Чаще других используются чистая вода, пластмассы (полиэтилен с бором и без бора, полистирол с бором и без бора и др.), графит, карбид бора. Максимальной эффективностью обладают водородсодержащие материалы (упругое рассеяние нейтронов на протонах – ядрах H). Конструктивно защита из воды выполняется в виде блоков, чаще секционированных. Полиэтилен обычно используют в виде листов, стянутых в сплошной массив. К недостаткам водородсодержащих защитных материалов следует отнести слабые защитные свойства от гамма-излучения, радиолиз (образование гремучей смеси), потеря воды при разгерметизации бака, горючесть пластмасс.

Тяжелые материалы (металлы: стали, чугун, свинец, вольфрам и обедненный уран) хорошо защищают от быстрых нейтронов и гамма-излучения. Конструктивно они используются в виде листов, литых изделий (свинец) или засыпки из дроби. Промежуточные нейтроны почти беспрепятственно проходят через защиту из тяжелых материалов вследствие малой потери энергии при упругом рассеянии нейтронов. Недостатками тяжелых материалов являются жесткое захватное гамма-излучение, высокая долгоживущая наведенная активность и относительно высокая стоимость.

К материалам со средним атомным номером относят бетоны, породы, руды, минералы с превалированием окислов Ca, Si, Al, Fe, Mg, S и воды. Их обычно применяют на АЭС в виде затвердевших бетонных смесей или засыпки. Основное преимущество защиты из природных материалов – низкая стоимость, а недостатки – большая масса и, соответственно, габаритные размеры, а также необходимость ее охлаждения [1].

Реальная конструкция защиты должна ослаблять потоки как нейтронного, так и гамма-излучения, поэтому она состоит из чередующихся слоев тяжелого и легкого композитов. Применяются железо-водная, свинцово-водная, свинцово-водно-полиэтиленовая, железо-графитовая и другие защиты. Различают три основных типа конструктивного оформления защиты реактора:

• сплошную защиту (реакторы небольшой мощности или интегрального типа);

• сочетание первичной защиты (от излучения реактора) и вторичной защиты (от излучения из контуров охлаждения). Такая защита применяется на АЭС с реакторами типа ВВЭР, PWR, РБМК, BWR;

• «теневую» защиту (полномасштабная защита только отдельных выбранных зон: кабина космического корабля с ядерной энергодвигательной установкой, обитаемые помещения атомной подводной лодки).

Кроме того, конструкции защиты разделяют на «сухую» (бетонная защита с вмурованными охлаждающими трубами) и «мокрую» (защита состоит из бака с водой, в котором могут быть размещены экраны из стали или свинца, и периферийная защита из твердых материалов).