3.5.Замедлители

Основное назначение замедлителей - замедлять нейтроны до требу­емых энергий. Поэтому основными являются следующие два качества:

1. высокая замедляющая способность, которая количественно изме­ряется как ξ∑_s, где ξ - средняя логарифмическая потеря энергии нейт­рона при одном столкновении с ядром замедлителя, ∑_s - макроскопичес­кое сечение рассеяния тепловых нейтронов;

2. относительно малое поглощение нейтронов, количественно измеряемое коэффициентом замедления ξ∑_s/∑_a, где ∑_a сечение поглощения замедлителя.

Вполне очевидно, что замедлитель тем лучше, чем выше обе эти количественные характеристики. Однако природой так устроено, что увеличение одной из них, как правило, приводит к уменьшению другой.

В табл. 3.3 приведены нейтронно-физические данные для наиболее употребительных замедлителей.

Таблица 3.3

Материал Характе- ристика	D2O	H2O	C	Be
ξ∑s (см^-1)	0.1280	1.160	0.0494	0.1561
∑a (см^-1)	3.9*10^-5	1.9*10^-2	2.6*10^-^4	8.2*10^-^4
ξ∑s/ ∑a	3300	61	190	~190
1/ ξ∑s (см)	7.8	0.86	20	6

Из табл. 3.3 видно, например, что легкая вода имеет самую высокую замедляющую способность, т.к. водород как самый легкий изо­топ обладает самыми лучшими рассеивающими свойствами.

Замедляющая способность легкой воды примерно в 10 раз выие, чем тяжелой. Однако тяжелая вода имеет самый высокий коэффициент замедления, превосхо­дящий ту же характеристику обычной воды в ~50 раз, за счет чрезвычайно малого сечения поглощения нейтронов.

Из данных табл. 3.3 следуют также некоторые выводы относи­тельно конструктивных особенностей реакторов, использующих тот или иной замедлитель.

1. Поскольку коэффициент замедления у D₂O выше всех, то ядерное топливо в тяжеловодных реакторах используется наиболее экономич­но, т.к. непроизводительные потери нейтронов в них существенно мень­ше, чем в реакторах других типов. Это позволяет использовать в них природный уран при достаточно высоких удельных нагрузках. Далее по экономичности идут C и Be.

2. Замедляющая способность выше всех у обычной воды. Это зна­чит, что с таким замедлителем можно решетку твэлов сделать наиболее тесной. Далее по степени тесноты решетки идут Be, D₂O, а затем C. Таким образом, наиболее компактным при одной и той же мощности можно сделать реактор на тепловых нейтронах с H₂O в качестве замедлителя.

Поскольку Be слишком дорогой материал, его в стационарной ядерной энергетике не используют. Он нашел применение в космической ядерной энергетике как материал отражателя.

Разумеется, материалы замедлителей должны также обладать такими качествами как I) хорошие механические и технологические свойства; 2) совместимость с другими материалами реактора; 3) устойчивость к тепловым и радиационным воздействиям и т.п.

3.6.Поглотители

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 органам регулирования. В случае каких-либо аварийных ситуаций, требующих экстренной остановки реактора, используются специальные устройства - органы аварийной завиты, 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. Обычно твердые поглотители используются в устройствах, типовые конструкции которых схематически изображены на рис. 3.3.

Вполне понятно, что в I-м варианте эффект достигается только за счет ввода поглотителя. Место в активной зоне, приготовленное под погло­титель, ничем не занято. Во 2-м варианте эффект достигается за счет занесения замедлителя (рассеивателя) поглотителем. По сравнению с I-м вариантом здесь уменьшена утечка нейтронов при не полностью введённом поглотителе, т.к. пустота теперь занята замедлителем. В атом

варианте экономия нейтронов - основная цель. В 3-м варианте эффекти­вность воздействия на коэффициент размножения реактора заметно уве­личивается по сравнению с первыми двумя вариантами за счет одновре­менного действия двух эффектов: замещение топлива поглотителем уменьшает размножение и увеличивает поглощение в активной зоне.

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 материалов-поглотителей;

в) может изменяться коррозионная стойкость материала- поглотителя .

Требования на теплофизические характеристики (теплопроводность) существенны, т.к. при поглощении нейтронов выделяется кинетическая энергия частиц а, р, у, 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 поглотают нейтроны изотопы бора (B), гафния (Hf), кадмия (Cd), гадолиния (Gd), европия (Eu), самария (Sm).Сравнить поглощающие и другие свойства различных поглотителей

1|) Есть способы прямого преобразования тепла в электричество. В этом случае нет необходимости уносить его для этой цели из реакторе в другое место.

22Можно организовать теплогидравлику системы так, что будет поддерживаться естественная циркуляция теплоносителя. Тогда циркуляционный насос не нужен.