Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 164
Текст из файла (страница 164)
Допустим, что !е = 1 + Д = 1.,0064. Тогда 1е„= 1. Это значит, что процесс размножения на мгновенных нейтронах стационарсн. Размножение нейтронов будет происходить только из-за появления гапагдывающих нейтронов, т.е. периодически повторяться через промежуток времени Т, причем каждый раз число нейтронов будет возрастать в й 1,0064 раза. Число нейтронов через время 10Т увеличится в аш — 1.,066 раза. Средний период полураспада осколков деления., порождающих запаздывающие нейтроны, как легко вычислить, используя табл. 15, равен примерно 9 с.
Поэтому среднее время жизни одного поколения нейтронов будет Т = 9~!и 2 = 13 с. Таким образом, количество нейтронов через 13 с увеличится только в 1,0064 раза, а через 130 с — в 1,066 раз. Еще медленнее увеличение количества нейтронов будет происходить, когда 1 < й < 1,0064. Столь медленное размножение нейтронов существенно упрощает процесс управления работой реактора. Катастрофическое увеличение числа нейтронов наступит лишь тогда, когда й заметно начнет превьппать 1,0064, так как в этом случае размножение будет идти уже на мгновенных нейтронах. (Конечно, в случае реальных реакторов на значение !е = 1,0064 надо смотреть как на грубо ориентировочное, так как оно получено для сильно упрощенной модели, предполагавшей, что имеется только один вид запаздывающих нейтронов, вызывающих деление ядер через строго постоянный промежуток времени Т.
з 95) Цепная реакция и ядерные реакторы 645 Регулирование цепной реакции в ядерном реакторе на тепловых нейтронах обычно осуществляется дистанционно с пульта управления путем передвижения в активной зоне вертикальных регулирующих стержней. Такие стержни изготовляются из кадмия, карбида бора и других веществ, сильно поглощающих нейтроны. Поглощение нейтронов происходит в основном на изотопах кадмия мзС41 и бора шВ.
Сечения поглощения тепловых нейтронов на них равны соответственно 2.104 и 4 104 бари. При увеличении глубины погружения регулирующих стержней в активную зону число поглощаемых нейтронов увеличивается, вследствие чего цепная реакция ослабевает и даже может совсем затухнуть. Наоборот, при выдвижении регулирующих стержней из активной зоны поглощение нейтронов уменьшается, а цепная реакция усиливается.
Таким путем можно менять мощность реактора и поддерживать ее на требуемом уровне. Быстрые нейтроны сравнительно слабо поглощаются в регулирующих стержнях. Поэтому для регулирования реакторов малых размеров на быстрых нейтронах применяют приближение и удаление отражателя от активной зоны реактора. 6. В результате деления ядер в активной зоне выделяется энергия в виде тепла. Количество тепловой энергии, выделяющейся в единицу времени, называется аиощностью реактора.
"1ак как при каждом акте деления выделяется энергия около 200 МэВ = 3,2 . 10 м Дж, то мощности 1 МВт соответствует 10в: (3,2 10 ~~ ) = 3 10'е актов деления в секунду. Отвод тепла из активной зоны осуществляется теплоносителем, который в энергетическом реакторе должен с наименьшими потерями передать его в установку, вырабатывающую электроэнергию.
При не чрезмерно больших тепловых потоках в реакторах на тепловых нейтронах в качестве теплоносителя используются вода, водяной пар, воздух, азот, углекислый газ и т. д. В мощных реакторах, где активная зона прогревается до температуры 300 'С, использование воды затрудняется ее закипанием.
Для избежания закипания приходится сильно повышать давление в системе теплоотвода. В реакторах на быстрых нейтронах, где энерговыделение громадно (около 0,5 кВт на 1 смз), как правило, теплоносителем служит жидкий натрий, обладающий хорошими теплоотводящими свойствами. 7. При работе реактора мощностью 1 МВт из активной зоны исходит мощный поток нейтронов (свыше 10ш нейтронов на 1 см в секунду, а в импульсных реакторах с длительностью импульса 0,1 с, когда мгновенная мощность реактора составляет 10 МВт, плотность нейтронного потока достигает 10~а нейтронов на 1 см в секунду). Излучается также поток у-квантов примерно такой же мощности, возникающий при делении и 11-распадах радиоактивных ядер. Это примерно в 100 миллиардов раз превышает допустимую плотность по гока.
Защита должна сильно ослабить оба потока, чтобы они нс превышали приемлемую плотность потока. Наилучшими материалами для защиты от у-квантов являются материалы с большими атомными номерами Е. Для защиты от нейтронов, помимо хороших поглотителсй, нужны также эффективные замедлители, так как проникающая способность особенно велика для ) Гл. Х!Н Нейтроны и деление атомных ядер быстрых нейтронов. В качестве замедлителей используются легкие элементы, а в качестве поглотителей — бор и тяжелые элементы (кадмий, железо, свинец и др.) .
Должна быть предусмотрена защита и от довольно жестких вторичных 7-квантов, возникающих при радиационных захватах (и, 7) ядрами защиты. Хорошей и дешевой защитой как от нейтронов, так и от вторичных 7-квантов является бетон с железным заполнителем н соединениями бора. 8.
На рис.167 схематически представлен разрез части активной зоны гетерогенного ядерного реактора (! — замедлителеь 8 — отражатель, 3 — ТВЭЛ, 4 — канал охлаждения, 6 — регулирующие стержни, 6— защита) . Рис. 167 В качестве примера приведем некоторые данные об активной зоне гетерогенного ядерного реактора первой в мире атомной электростанции (АЭС), вступившей в строй в Обнинске в 1954 г. Активная зона реактора имеет форму цилиндра размерами 1,5 х 1,7 м. В графитовый замедлитель введено 128 ТВЭЛов, содержащих около 550 кг обогащенного до 5% урана.
Теплоносителем служит вода. Мощность электростанции составляет 5 МВт. Это — небольшая мощностей в мощных электростанциях количество ядерного топлива больше в сотни раз. 9. При работе ядерного реактора происходит накопление продуктов деления и образование трансурановых элементов, главным образом плутония. Накопление радиоактивных продуктов называется отравлением реактора, а накопление стабильных продуктов — ваиелаковыванием.
Отравление вызывается преимущественно изотовом ксенона шеХе, обладающим наибольшим сечением поглощения нейтронов (2,6 10ь бари). Основная часть изотопа 'зеХс образуется в результате 6-распада изотопа иода 'зе! (ТН з = 6,8 ч) . Изотоп еее Хе в свою очередь претерпевает 6-распад с периодом ТНз = 9,2 ч и превращается в практически стабильный изотоп цезия 'зеСв. Отравление и зашлаковывание з 95) Ценная реакция и ядерные реакторы приводят к уменьшению коэффициента размножения Й и, следовательно, к уменьшению тепловой мощности реактора.
Для увеличения срока действия ТВЭЛов, загружаемых в активную зону, регулирующие стержни сначала погружают глубоко. Затем по мере выгорания ядерного топлива их постепенно выдвигают. Замена ТВЭЛов, являющихся сильными излучателями, производится дистанционно. 10. По назначению и мощности различают следующие виды ядерных реакторов. 1) Экс~ер1 ментальные реакторы. Их мощность не превышает нескольких киловатт. Эти реакторы предназначены для изучения и измерения различных физических величин (и, и, е и т.
д.), знание которых необходимо для проектирования и эксплуатации других ядерных реакторов. 2) Исследовательские реакторы. Их мощность не превышает 100 МВт, а выделяющаяся энергия, как правило, не используется. Потоки нейтронов и ч-квантов, исходящие из активной зоны, используются для исследований в ядерной физике, физике твердого тела, радиационной химии, биологии, .для испытания магериалов в нейтронных потоках и т.д, Импульсные реакторы также относятся к исследовательским реак"горам.
3) Реакторы, предназначенные для получения навык деллщихся тра не уранов и радиоактивных изотопов. 4) Энергетические реакторы. Они используются для выработки электроэнергии, теплофикации, в силовых установках на кораблях, для опреснения морской воды и т.д. Тепловая мощность современных энергетических реакторов достигает 3 — 5 ГВт. Ядерные реакторы различаются также по виду ядерного топлива (естественный и обогащенный уран), по его химическому составу (металлический 11, ВОг, ВС и т.д.), по виду замедлителя (С, НзО, ОгО, Ве, ВеО, гидриды металлов., отсутствие замедлителя), по виду теплоносителя (НгО, газ, РаО, органические жидкости, расплавленные металлы).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
