Типы топлива

Топливо реактора должно соответствовать интегральной конструкции реактора, а также механизмам, управляющим его работой. Ниже приведены краткие описания топливных материалов и конфигураций, используемых в наиболее важных типах ядерных реакторов, которые более подробно описаны в разделе «Типы реакторов».

В легководном реакторе (LWR), наиболее широко используемом в мире для коммерческого производства электроэнергии, используется топливо, состоящее из таблеток спеченного диоксида урана, загруженных в оболочки из циркониевого сплава или какого-либо другого усовершенствованного материала оболочки. Трубки, называемые штифтами или стержнями, имеют диаметр примерно 1 см (менее половины дюйма) и длину примерно от 3 до 4 метров (от 10 до 13 футов). Трубы связаны вместе в топливную сборку, штыри расположены в виде квадратной решетки. Уран, используемый в топливе, имеет обогащение от 3 до 5 процентов.Поскольку легкая (обычная) вода, используемая в LWR как в качестве теплоносителя, так и в качестве замедлителя, имеет тенденцию поглощать больше нейтронов, чем другие замедлители, такое обогащение имеет решающее значение.

В реакторе CANDU (Canada Deuterium Uranium), который является основным типом тяжеловодного реактора, используется природный уран, спрессованный в таблетки. Эти гранулы вставлены в длинные трубки и расположены в виде решетки. Длина топливной сборки реактора CANDU составляет примерно 1 метр (почти 40 дюймов). Несколько сборок расположены встык внутри канала внутри активной зоны реактора. Использование в качестве замедлителя тяжелой воды, а не легкой воды, увеличивает рассеяние нейтронов, а не их захват, тем самым увеличивая вероятность деления с горючим материалом.

В одном варианте высокотемпературного графитового реактора топливо состоит из мелких сферических частиц или микросфер, содержащих в центре диоксид урана с концентрическими оболочками из углерода, карбида кремния и углерода вокруг них. Эти оболочки служат локализованной оболочкой для каждой топливной сферы. Затем частицы смешивают с графитом и заключают в макроскопическую графитовую оболочку.

Подробнее по этой теме
преобразование энергии: реакторы деления

Ученые впервые узнали об огромной энергии, содержащейся в ядре атома, в первые годы нашего века. В 1942 году им это удалось.

В реакторе на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением, обычно называемом жидкометаллическим реактором (ЖМР), топливо состоит из таблеток диоксида урана или диоксида урана-плутония (французская разработка) или штифтов из металлического сплава урана-плутония-циркония (американская конструкция) в стальная облицовка.

Наиболее распространенным видом топлива, используемым в исследовательских реакторах, являются пластины из уран-алюминиевого сплава с алюминиевой оболочкой. Уран обогащен до чуть менее 20%, а кремний и алюминий включены в «мясо» пластины и служат разбавителем и топливной матрицей.Хотя алюминий имеет более низкую температуру плавления, чем другие материалы для облицовки, конструкция с плоскими пластинами поддерживает низкую температуру топлива, поскольку толщина пластин часто едва превышает 1,25 мм. Обычная разновидность исследовательского реактора, известная как TRIGA (от учебных, исследовательских и реакторов по производству изотопов — General Atomic), использует топливо из смешанного гидрида урана и циркония, часто легированного небольшими концентрациями эрбия, и полностью покрытого нержавеющей сталью.

Хладагенты и замедлители

В качестве хладагентов использовались различные вещества, включая легкую воду, тяжелую воду, воздух, углекислый газ, гелий, жидкий натрий, жидкий натриево-калиевый сплав и углеводороды (масла). Такие вещества, как правило, являются хорошими проводниками тепла, и они служат для переноса тепловой энергии, полученной в результате деления, из топлива и через интегральную систему, в конечном итоге либо отводя тепло непосредственно в атмосферу (в случае исследовательских реакторов), либо транспортировка его к парогенерирующему оборудованию атомной электростанции (в случае энергетических реакторов).

Во многих случаях одно и то же вещество действует и как хладагент, и как замедлитель, как в случае легкой, так и тяжелой воды. Замедлитель замедляет быстрые (высокоэнергетические) нейтроны, испускаемые при делении, до энергий, при которых они с большей вероятностью вызывают деление. При этом замедлитель помогает инициировать и поддерживать цепную реакцию деления.

Отражатели

Отражатель представляет собой область незаправленного материала, окружающую активную зону. Его функция состоит в том, чтобы рассеивать нейтроны, просачивающиеся из активной зоны, тем самым возвращая часть из них обратно в активную зону. Эта конструктивная особенность позволяет использовать сердечник меньшего размера. Кроме того, отражатели «сглаживают» плотность мощности за счет использования нейтронов, которые в противном случае просачивались бы в результате деления внутри топливного материала, расположенного вблизи внешней области активной зоны.

Отражатель особенно важен в исследовательских реакторах, так как это область, в которой расположена большая часть экспериментальной аппаратуры.В некоторых конструкциях исследовательских реакторов отражатели расположены внутри активной зоны в виде центральных островков, в которых можно достичь высокой интенсивности нейтронов для экспериментальных целей.

В большинстве типов энергетических реакторов отражатель менее важен; это связано с большими размерами реактора, что снижает долю нейтронов, которые могут вытекать из активной зоны. Жидкометаллический реактор представляет собой частный случай. Большинство реакторов с натриевым охлаждением намеренно сконструированы таким образом, чтобы большая часть нейтронов — тех, которые не нужны для поддержания цепной реакции, — вытекала из активной зоны. Эти нейтроны ценны тем, что они могут производить новый делящийся материал, если они поглощаются воспроизводящим материалом. Таким образом, воспроизводящий материал — обычно обедненный уран или его диоксид — помещается вокруг активной зоны, чтобы поймать просачивающиеся нейтроны. Такой поглощающий отражатель называют покрывалом или воспроизводящим покрывалом.

Элементы управления реактором

Всем реакторам нужны уникальные элементы для управления. Хотя регулирование может быть достигнуто изменением параметров в контуре теплоносителя или изменением количества поглотителя, растворенного в теплоносителе или замедлителе, на сегодняшний день наиболее распространенным методом является использование поглощающих узлов, а именно регулирующих стержней или, в некоторых случаях, лопаток. Обычно реактор оборудован тремя типами стержней различного назначения: (1) предохранительными стержнями для пуска и останова реактора, (2) регулирующими стержнями для регулирования мощности реактора и (3) регулировочными стержнями для компенсации изменений. в реактивности, поскольку топливо истощается делением и захватом нейтронов.

Важнейшей функцией предохранительных стержней является останов реактора либо при запланированном останове, либо в случае реальной или предполагаемой аварийной ситуации. Эти стержни содержат достаточно поглотителя, чтобы остановить цепную реакцию при любых мыслимых условиях. Они извлекаются перед загрузкой топлива и остаются доступными на случай, если ошибка загрузки потребует их действий.После загрузки топлива вставляются стержни, которые снова извлекаются, когда реактор готов к работе. Механизм, с помощью которого они перемещаются, спроектирован так, чтобы быть безотказным в том смысле, что в случае механического отказа предохранительные стержни упадут под действием силы тяжести или каким-либо другим безопасным способом в активную зону. Кроме того, в некоторых случаях предохранительные стержни имеют автоматическую функцию, такую ​​как предохранитель, который освобождает их благодаря физическим эффектам, независимым от электронных сигналов.

Регулирующие стержни намеренно спроектированы так, чтобы влиять на реактивность лишь в небольшой степени. Предполагается, что в какой-то момент стержни могут быть полностью извлечены по ошибке, и идея состоит в том, чтобы в таких случаях удерживать добавочную реактивность в разумных пределах. Хорошо сконструированный регулирующий стержень после его удаления добавит настолько мало реактивности, что запаздывающие нейтроны (см. выше Управление реактором) будет продолжать контролировать скорость увеличения мощности.

Регулировочные стержни предназначены для компенсации эффектов выгорания (т. Е. Выработки энергии). Изменения реактивности в результате выгорания могут быть значительными, но они происходят медленно в течение периодов от нескольких дней до нескольких лет по сравнению с диапазоном от секунд до минут, в течение которого выполняются действия по обеспечению безопасности и обычное регулирование. Следовательно, регулировочные стержни могут контролировать значительную часть реактивности, но они будут работать оптимально только тогда, когда на их скорость движения накладываются ограничения. Обычный способ использования прокладок — их вставка или удаление, когда регулирующие стержни достигают конца своего наиболее полезного диапазона положений. Когда это происходит, регулировочные стержни перемещаются, чтобы можно было установить регулирующие стержни.

Функции прокладок и предохранительных стержней иногда объединяются в стержнях, которые имеют низкую скорость извлечения, но могут быть быстро введены. Обычно это делается, когда эффект выгорания снижает реактивность. Стержни лишь частично вставляются в начале операции.Однако в случае, если система должна быть остановлена ​​как можно быстрее, оператор реактора может «аварийно заблокировать» реактор, полностью сбросив стержни управления в активную зону и немедленно отправив реактор в подкритическое состояние. (Говорят, что выражение «аварийный сброс» означает «человек с топором предохранительного стержня», имея в виду специальные аварийные приготовления, сделанные для самого раннего ядерного реактора.)

Требуемый уровень контроля прокладок может быть уменьшен за счет использования выгорающего «яда». Это поглощающий нейтроны материал, такой как бор или гадолиний, который сгорает быстрее, чем делящийся материал, в течение срока службы активной зоны. В начале работы включение выгорающего поглотителя регулирует дополнительную реактивность, заложенную в топливе, чтобы компенсировать количество израсходованного топлива. В конце периода эксплуатации поглощающий материал часто полностью трансформируется за счет захвата нейтронов.

В некоторых реакторах с кипящей водой в качестве механизма управления, поглощающего нейтроны, используются крестообразные (Т-образные) регулирующие лопатки. Поскольку некоторые из этих корпусов реакторов спроектированы так, что внутренние компоненты находятся над зоной активной зоны, регулирующие лопатки вставляются снизу активной зоны. Регулирующие лопасти работают по тому же принципу, что и регулирующие стержни. Однако, поскольку они вставлены вверх в активную зону, они не могут использовать гравитацию, чтобы упасть на место и перевести реактор в подкритическое состояние в случае потери мощности или какого-либо другого нештатного состояния. По этой причине управляющие лопасти соединены с гидравлическими приводами, которые при срабатывании нагнетают сжатый воздух в механизм, впрыскивая управляющие лопасти в активную зону.

Структурные компоненты

Структурные компоненты реактора удерживают систему вместе и позволяют ей функционировать в качестве полезного источника энергии. Наиболее важным конструктивным элементом атомной электростанции обычно является корпус реактора.Как в легководном реакторе, так и в высокотемпературном газоуправляемом реакторе (HTGR) используется корпус реактора под давлением (RPV), так что теплоноситель содержится и работает в условиях, подходящих для выработки электроэнергии, а именно при повышенных температуре и давлении. . Внутри корпуса реактора находится ряд конструктивных элементов: решетки для удержания активной зоны реактора и твердых отражателей, направляющие трубы регулирующих стержней, внутренние теплогидравлические компоненты (например, насосы или пароциркуляторы), в некоторых случаях приборные трубы и элементы безопасности. системы.