Реакторная стадия ядерного-топливного цикла

Реакторный цикл сводится к сжиганию исходного уранового топлива (и накапливающихся в нём делящихся актинидов) в условиях устойчивого функционирования реактора.

В данной главе мы коротко остановимся на проблемах эксплуатации энергетического ядерного реактора.

Управление атомным реактором

Напомним, что необходимым условием для осуществления цепной реакции деления, является наличие критической массы делящейся среды. Однако это не единственное условие. Имея критическую массу делящегося вещества, мы можем получить атомную бомбу, вместо АЭС, если не сможем управлять цепной реакцией деления.

Как уже упоминалось, возможность создания управляемого реактора связана с наличием запаздывающих нейтронов. Процесс управления цепной реакцией сводится к изменению коэффициента размножения нейтронов К_эф. При увеличении коэффициента размножения /Сэф говорят о внесённой положительной реактивности, г, при уменьшении — говорят о внесённой отрицательной реактивности. Эта величина определяет темп разгона реактора при г>о. Для обеспечения безопасной работы реактора увеличение реактивности в реакторе не должно превышать долю запаздывающих нейтронов: г<�ц, где г — доля запаздывающих нейтронов.

Выполнение условия К*фф>1, необходимого для пуска реактора, и дальнейшее управление работой реактора обеспечивается изменением доли нейтронов, поглощаемой ураном, путём вывода или ввода в систему управляющих стержней, содержащих поглотители тепловых нейтронов.

Пусть в некотором реакторе время жизни нейтронов t_n (время от образования в результате деления до поглощения) составляет от ю^-3 с до ю-s с. Пусть в какой-то момент времени Кэф увеличили на 0,1 % до нового значения К₃ф=1,001. Тогда количество нейтронов будет увеличиваться на 0,01% в каждом новом поколении. За 1 сек сменится юоо поколений нейтронов, и их количество увеличится в (i, ooi)¹⁰⁰⁰=2.47 раз, а мощность реактора увеличится в 2,5 раза. Очевидно, что ещё через несколько секунд реактор расплавится. Управлять таким реактором практически невозможно.

Рассмотрим в этом примере отдельно роль мгновенных и запаздывающих нейтронов. Доля мгновенных нейтронов составляет 0,993. Коэффициент размножения только на мгновенных нейтронах равен 1,001−0,993=0,994 — разгон реактора при наличии только мгновенных нейтронов невозможен.

Если в некоторый момент времени реактивность скачком изменилась от нуля до г<<1, тогда мощность реактора возрастёт по закону:

где х — среднее время жизни поколения нейтронов в реакторе, Ро — мощность реактора при времени t=о. Период реактора Г=т/г.

Период реактора — время, в течение которого мощность изменяется в е раз (e=2,7i8).

По правилам безопасности, при нормальной работе реактора, его период не должен быть менее 15 с.

Время жизни мгновенных нейтронов в тепловом реакторе складывается из времени замедления быстрых нейтронов и времени диффузии тепловых нейтронов. Оценка даёт т=5*ки с. Если /'=0,0025, ^то для мгновенных нейтронов 71/2=0,2 с и регулировать мощность реактора невозможно. При наличии запаздывающих нейтронов основное количество которых возникает с запаздыванием в 12,5 с, 7,/₂=32 с, так что мощность реактора возрастает за 1 сек только на 3,1%. При таких скоростях нарастания мощности реактор легко поддается автоматическому регулированию.

Во время работы реактора состав активной зоны изменяется, появляются продукты деления, и образуется плутоний. Выгорание влияет на продолжительность кампании, т. е. на время непрерывной работы ТВЭЛа в активной зоне. Экономически выгодно высокое выгорание ядерного топлива. Это снижает годовой расход ТВЭЛов и их химическую переработку. Так, повышение выгорания с 0,25 до % увеличивает кампанию реактора в четыре раза. В такое же число раз уменьшается годовой расход ТВЭЛов. Выгорание топлива ограничивается изменением свойств ядерного топлива. В действующих энергетических реакторах оно не превышает 1^-3%.

Продукты деления по-разному влияют на работу реактора: 1) вызывают физическое повреждение топлива, скорость которого и способ зависят от состава топлива; 2) все продукты деления в большей или меньшей степени поглощают нейтроны, так что при увеличении времени работы реактора увеличивается и число нейтронов, захваченных нейтронными ядами. Это увеличение поглощения нейтронов, связанное с выгоранием делящегося материала, влияет на нейтронный баланс в реакторе и может привести его в подкритическое состояние, при котором цепная реакция прекратится.

Во время работы реактора часть ²з⁸и перерабатывается в плутоний, что влияет на реактивность реактора. Чем меньше обогащение ²35U, тем больше ²з⁸и в активной зоне и тем больше его ядер превращается в плутоний. Для увеличения коэффициента воспроизводства в тепловых реакторах ядерное топливо приготавливают из природного урана, а ТВЭЛы размещают в активной зоне с небольшим шагом. Появление плутония повышает реактивность реактора и тем сильнее, чем больше коэффициент воспроизводства, Кв. Начиная с Кв>о, 8, плутоний не только компенсирует выгорание ²35U, но и пополняет запас реактивности. Последним эффектом можно значительно удлинить кампанию реактора. (В некоторых типах реакторов Кв=1,8, т. е. в конце кампании на каждый килограмм выгоревшего топлива накапливается 1,8 кг плутония). Отметим, что в реакторе нарабатывается не чистый ²з9Ри, а изотопная смесь ²39Pu и ²4°Ри. Второй изотоп относится к резонансным поглотителям, как и Если плутоний длительное время находится в реакторе, то его свойства как делящегося материала изменяются в связи с тем, что часть ²39Pu перерабатывается в ^Ри.