23 просмотров

Потребности ядерных исследований графита в 21 веке

Замедлитель нейтронов является одним из основных элементов ядерного энергетического реактора, отвечающим за замедление нейтронов, выбрасываемых из ядерных топливных стержней во время деления. Когда ядерное топливо, такое как уран-235, подвергается делению, оно выбрасывает быстро движущиеся нейтроны. Однако ядро ​​должно быть поражено медленным свободным нейтроном или тепловым нейтроном, чтобы оно подстрекалось к делению. Таким образом, чтобы создать цепную ядерную реакцию, при которой нейтроны, вылетающие из одного ядра, вызывают синтез в других ядрах, быстро движущиеся нейтроны, выбрасываемые во время синтеза, должны быть замедлены замедлителем.

Как показано на рис.1, ядерные энергетические реакторы с графитовыми замедлителями, например, на основе конструкции РБМК, заключают ядерные топливные стержни в камеры с графитовыми стенками, так что быстро движущиеся нейтроны, испускаемые одним стержнем, замедляются графитовым замедлителем до достижения других стержней. , позволяя цепной реакции распространиться по всем стержням. Затем тепло, выделяющееся при делении, используется для нагрева воды либо напрямую (например, в конструкции РБМК), либо косвенно, путем нагревания газа, который перемещается в другое место для нагрева воды.

Текущие ограничения графитовых модераторов

Сегодня в качестве замедлителей в ядерных реакторах обычно используются три различных типа материалов: легкая (обычная) вода, тяжелая вода (оксид дейтерия) и твердый графит. Только около 20% современных ядерных реакторов используют графит в качестве замедлителя. [1] Популярность графита в качестве замедлителя значительно снизилась в конце 20-го и 21-м веках, поэтому прогнозируется, что процент ядерных реакторов с графитовым замедлителем будет снижаться в следующие пятьдесят лет. [2] Есть несколько причин такого снижения популярности. Одним из них является остаточный общественный страх перед ядерными реакторами с графитовым замедлителем из-за того, что Чернобыльский ядерный взрыв произошел на РБМК. [3] Этот страх основан на ключевом различии между реакторами с графитовым замедлителем и реакторами с легководным замедлителем. Если в реакторе с водяным замедлителем происходит потеря теплоносителя, реактор перестает функционировать, потому что водяной замедлитель испаряется, тем самым прекращая цепную ядерную реакцию. Однако в реакторах с графитовым замедлителем замедлитель имеет чрезвычайно высокую теплоту сублимации и, таким образом, остается на месте в случае потери теплоносителя, позволяя ядерной реакции продолжаться в потенциально катастрофических обстоятельствах. Например, ядерные катастрофы на Три-Майл-Айленде и Фукусиме произошли в ядерных реакторах с легким водяным замедлителем, поэтому их замедлители быстро испарялись после выхода из строя систем охлаждения.И наоборот, Чернобыльская ядерная катастрофа произошла на ядерном реакторе РБМК с графитовым замедлителем, и, таким образом, она смогла развиться до полного ядерного взрыва. [3]

Статья в тему:  Когда произошла авария на Чернобыльской АЭС?

Другим важным фактором, способствующим упадку реакторов с графитовым замедлителем, является тот факт, что в ядерных реакторах с графитовым замедлителем графитовый замедлитель почти всегда является ограничивающим срок службы компонентом реактора. [4] Вызванное облучением распространение трещины (радиационная ползучесть) и напряжения от экстремальных колебаний температуры приводят к значительной потере структурной целостности графитового замедлителя в течение срока службы ядерного реактора. [5] Для сравнения, водный замедлитель кажется более перспективным, поскольку жидкая вода не подвержена тем же структурным разрушениям, что и твердый графит.

Еще одна уникальная проблема, связанная с графитовыми замедлителями, заключается в том, что отработавшее топливо содержит большое количество графита, из-за чего у этих реакторов другие потребности в утилизации, чем у реакторов с водяным замедлителем. [6] Это требует от стран разнообразить и без того сложный и противоречивый процесс удаления отходов. Чтобы избежать этого осложнения, многие поставщики энергии предпочитают использовать модератор одного типа. [6]

Хотя графитовые замедлители в настоящее время создают больше проблем для операторов установок, чем водяные замедлители, это не делает графитовые замедлители устаревшими. Поскольку предполагается, что ядерный замедлитель только замедляет нейтроны, но не поглощает их, эффективность материала ядерного замедлителя увеличивается с его способностью рассеивать нейтроны и снижается с его способностью поглощать нейтроны. Математически это можно выразить как эффективность замедления, которая определяется отношением сечения рассеяния нейтронов материалом к ​​сечению поглощения нейтронов.[7] Замедляющая эффективность графита (1343) меньше, чем у тяжелой воды (8154), но на два порядка выше, чем у легкой воды (74,24), поэтому теоретически графит имеет высокий потенциал, чтобы быть гораздо лучшим замедлителем, чем легкая вода. [7] (В большинстве современных ядерных реакторов в качестве замедлителя используется легкая вода. [1]) Таким образом, решение проблемы деградации графитового замедлителя снова сделает графит привлекательным материалом замедлителя, который может сделать реакторы намного более эффективными, чем легководные реакторы.

Статья в тему:  Сколько атомных реакторов планируется построить

Потребности в исследованиях ядерного графита в 21 веке

Существует несколько возможностей улучшить использование графита в качестве замедлителя в современных ядерных реакторах. Одним из них является повышение стойкости к окислению либо путем диффузии междоузлий по всей структуре графита, либо путем обработки внешней поверхности каждой секции графита в замедлителе стойкими к окислению покрытиями. [4,5] Другой способ сделать графитовые секции более структурно устойчивыми к остановке дислокаций, вызванных термическим напряжением и радиационной ползучестью. [5] Наконец, дополнительные области для плодотворных исследований могут быть найдены в создании более простой системы обращения с отходами реакторов с графитовым замедлителем и испытании более надежных способов предотвращения расплавления ядерных расплавов в ядерных реакторах с графитовым замедлителем. [6] Таким образом, ядерный графит выиграет как от узконаправленных исследований в области материаловедения, так и от широких исследований в области охраны окружающей среды и безопасности.

Вывод

В последнее время графит потерял популярность в качестве замедлителя для ядерных энергетических реакторов. Хотя теоретически графит является намного лучшим замедлителем, чем легкая вода, легкая вода в настоящее время более привлекательна, потому что графитовые замедлители подвержены разложению, способны вызывать неуправляемые ядерные взрывы в случае потери теплоносителя и требуют более сложного обращения с отходами, чем легкая вода. водяные реакторы.Эти проблемы открывают множество исследовательских возможностей, которые могли бы позволить современным ядерным реакторам использовать превосходную эффективность замедления графита, не сталкиваясь с теми же проблемами, что и ядерные реакторы с графитовым замедлителем в прошлом.

Статья в тему:  Что они используют в ядерном соусе Zaxbys

© Дилан Саркисян. Автор разрешает копировать, распространять и демонстрировать эту работу в неизменном виде с указанием автора только в некоммерческих целях. Все остальные права, включая коммерческие права, принадлежат автору.

использованная литература

[1] Г. Т. Миллер и С. Спунман, Жизнь в окружающей среде: концепции, связи и решения, 16-е изд. (Брукс Коул, 2009).

[2] Б. Радж, и другие, «Проблемы исследования материалов для устойчивой ядерной энергетики», MRS Bull. 33, 327 (2008).

[3] А. Струпчевски, "Опасность аварий на атомных электростанциях", Appl. Энергия 75, 79 (2003).

[4] C. Tang и J. Guan, «Улучшение стойкости к окислению ядерного графита с помощью покрытия SiC с реакционным покрытием», J. Nucl. Матер. 224, 103 (1995).

[5] Д. Р. Де Халас, «Радиационные эффекты в графите», в Ядерный графит, изд. Р. Э. Найтингейл 7: Теория радиационных эффектов в графите» (Academic Press, 1962).

[7] Дж. К. Брайан, Введение в ядерную науку (CRC Press, 2008), стр. 150-170.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x