Технология производства неорганических веществ. Раздел "Технология урана"

Замедлители нейтронов

Замедлитель нейтронов - вещество с малой атомной массой, служащее для замедления, образующихся при делении ядер нуклидов, нейтронов с высокой энергией (0,5–10 МэВ) до тепловых энергий (менее 1 эВ), т. е вещество в активной зоне ядерного реактора, служащее для уменьшения кинетической энергии быстрых нейтронов до величин энергии тепловых нейтронов, которые вызывают деление ядер ²³⁵U, ²³³U и ²³⁹Pu.)

Наиболее распространенные замедлители нейтронов - графит, обычная вода, тяжелая вода и бериллий, которые слабо поглощают тепловые нейтроны.

В реакторах на быстрых нейтронах, в которых для деления используются нейтроны деления большой энергии, замедлитель отсутствует.

По механизму замедления нейтронов среды разделяются на три группы:

1) «лёгкие»;

2) «тяжёлые»;

3) «резонансные».

Эффективность вещества, как замедлителя нейтронов, характеризуется его замедляющей способностью.

Чем выше замедляющая способность, тем меньший объем вещества нужен для замедления нейтронов до данной энергии.

В тепловом ядерном реакторе в качестве материала - замедлителя должен использоваться такой, который:

1) обладает высокими замедляющими свойствами;

2) имеет малое макросечение поглощения тепловых и резонансных нейтронов.

По условиям работы в активной зоне замедлитель должен обладать:

1) химической, термической и радиационной стойкостью;

2) не иметь при радиационном захвате таких дочерних продуктов, которые являлись бы более сильными поглотителями нейтронов.

К числу лучших замедлителей, широко используемых в ядерной физике и ядерной технике для превращения быстрых нейтронов в тепловые, относятся вода, тяжёлая вода, бериллий, графит.

Вода.

Достоинства обычной воды, Н₂О, как замедлителя - доступность и дешевизна.

Она является первым замедлителем по величине замедляющей способности, но по величине коэффициента замедления - на пятом месте, уступая тяжёлой воде, бериллию, оксиду бериллия и графиту потому, что вода обладает более высоким значением макросечения поглощения замедляющихся нейтронов.

Недостатки воды - низкая температура кипения и поглощение тепловых нейтронов. Первый недостаток устраняется повышением давления в первом контуре. Поглощение тепловых нейтронов водой компенсируют применением ядерного топлива из обогащённого урана.

К недостаткам воды относится то, что в первичных процессах передачи тепла от источника к потребителю вода переносит твёрдые вещества и газы от реактора к другим частям системы. Замедление нейтронов сопровождается захватом нейтронов и протонов, в результате чего образуются нежелательные радиоактивные примеси.

Вода реагирует с реакторными материалами, т. е. вода обладает химической агрессивностью, особенно при наличии примесей в ней.

Большая часть затрат при использовании воды в реакторах обусловлена технологией её приготовления (двойная дистилляция) и необходимостью поддержания в реакторе особого водного режима, направленного на сохранение чистоты воды и создание в ней условий, способствующих минимизации коррозионных процессов в конструкционных материалах.

Низкая температура кипения воды при атмосферном давлении (100^оС) заставляет использовать её в энергетических реакторах при относительно высоких (16–18 МПа) давлениях.

Вода, как замедлитель, используется в легководных, в основном, водо-водяных реакторах, например, в отечественных ВВЭР.

Тяжёлая вода.

Тяжёлая вода по своим химическим и теплофизическим свойствам мало отличается от обычной воды. Она практически не поглощает нейтронов, что даёт возможность использовать в качестве ядерного топлива природный уран в реакторах с тяжеловодным замедлителем.

Недостатки: редкая распространённость в природе, энергоёмкая и дорогостоящая технология получения чистой тяжёлой воды (0,5% примесей в тяжёлой воде снижают коэффициент замедления её почти на порядок).

Тяжёлая вода - замедлитель нейтронов в канадском канальном граффито-водном реакторе КАНДУ.

Графит.

Графит относится к тяжёлым замедлителям.

Применение графита в качестве замедлителя и конструкционного материала в строительстве ядерных реакторов обусловлено его лёгкостью механической обработки, радиационной стойкостью, малым сечением захвата нейтронов
(~4 мбарн), и довольно хорошей замедляющей способностью, исключительно высокими тепловыми свойствами, теплостойкостью и достаточной прочностью.

По величине замедляющей способности графит уступает воде, но коэффициент замедления у него существенно выше.

Замедляющая способность графита объясняется его малым (А=12,01) атомным весом.

Природный графит содержит до 20 % различных примесей, в том числе бор, хороший поглотитель. Поэтому природный графит непригоден как замедлитель нейтронов. Реакторный графит получают искусственно из смеси нефтяного кокса и каменноугольной смолы. Технология получения высокоочищенного реакторного графита сложна и энергоёмка, что обуславливает его высокую стоимость
(10 долл/кг).

Нагретый в воздухе до 400°C графит загорается.

Поэтому в энергетических реакторах он содержится в инертной атмосфере: использование для охлаждения графита азотно-гелиевой смеси позволяет поддерживать температуру графитовой кладки не выше 650^оС.

Ещё один недостаток графита связан с тем, что при облучении в ядерном реакторе свойства графита значительно изменяются вследствие смещения быстрыми нейтронами атомов углерода из узлов кристаллической решетки и создания в ней структурных изменений.

Графит применяется в промышленных реакторах, предназначенных для наработки оружейного плутония и энергетических графитоводяных реакторах, например, в РБМК.

Бериллий.

Бериллий один из лучших замедлителей.

Он имеет высокую температуру плавления (1282°C) и теплопроводность, совместим с углекислым газом, водой, воздухом и некоторыми жидкими металлами.

Однако, в пороговой реакции возникает гелий, поэтому при интенсивном облучении быстрыми нейтронами в бериллии накапливается газ, под давлением которого он распухает.

Применение бериллия ограничено его высокой стоимостью.

Из бериллия изготавливают отражатели и вытеснители воды в активной зоне исследовательских реакторов, он также используется в некоторых видах атомного оружия.

Бериллий и оксид бериллия не получили широкого распространения в качестве замедлителя для энергетических реакторов из-за его высокой стоимости и малой радиационной стойкости.

Итак, наилучшей замедляющей способностью обладает обычная (легкая) вода вследствие большого сечения рассеяния тепловых нейтронов. Поэтому в лёгководных реакторах размеры активной зоны наименьшие.

Однако при этом концентрация делящихся нуклидов в ядерном топливе должна быть достаточно высокой, т. е. оно должно быть обогащенным. Это обусловлено большим сечением поглощения нейтронов в обычной воде.

Коэффициент замедления графита в 3 раза больше, чем легкой воды, но значительно ниже по сравнению с тяжелой водой.

Поэтому в реакторах с графитовым замедлителем критическая масса меньше, чем в лёгководных реакторах, но больше, чем в тяжеловодных.

Замедляющая же способность графита наименьшая из этих трех замедлителей. Таким образом, активные зоны реакторов с графитовым замедлителем имеют наибольшие размеры. В них используют топливо с низким обогащением по делящемуся нуклиду.

3