Лекция № 5,6 РБ. Цепная реакция деления тяжелых ядер

1. Цепная реакция, деления тяжелых ядер

Как известно, природный уран представляет смесь урана-238 - 99,2%,
урана-235 - 0,71% и уран-234 - 0,006%.
При облучении ядра атома урана нейтронами может быть три вида
взаимодействия:
нейтрон поглощается ядром атома, и оно испускает гамма-квант (если
кинетическая энергия нейтрона незначительна);
нейтрон проскакивает ядро без последствий (если кинетическая энергия
нейтрона очень большая);
нейтрон вызывает деление ядра на два осколка с выбросом нескольких
нейтронов (обычно 2-3).
Последний случай имеет место, если кинетическая энергия нейтрона,
облучающего ядро, занимает промежуточное значение между очень
высокой и незначительной энергией нейтрона.
Особый интерес представляет только третий случай, когда энергию
деления ядра можно использовать в ядерном реакторе. Ядра 238U могут
делиться только быстрыми нейтронами с энергией более 1,1 МэВ, а ядра
235U могут делиться только тепловыми нейтронами.
Очевидно, что в ядерном реакторе целесообразно в качестве ядерного
горючего использовать 235U, так как технически получить тепловые
нейтроны задача несложная.
Однако для обеспечения цепной реакции необходимо, чтобы масса
235U была достаточной. Для этого концентрацию 235U в природном
уране повышают обычно до 2—6%, то есть обогащают 238U.

2.

Чтобы исключить ядерный взрыв необходимо, чтобы после каждого цикла
деления оставался только один нейтрон из 2—3. Остальные нейтроны
должны быть поглощены или уйти из активной зоны. Часть нейтронов
поглощается 238U, превращаясь в 239 Рu, а часть нейтронов может быть
поглощена графитом, бором или другим веществом.
Следует заметить, что при делении ядер 235U образуются нейтроны,
энергия которых выше требуемой для поддержания цепной реакции деления.
Поэтому принимаются меры по замедлению нейтронов.
В процессе работы ядерного реактора распадающиеся радиоактивные
вещества остаются в активной зоне. Из осколков ядерного деления больше
всего образуется изотопов с номерами от 80 до 105 (первый пик) и от 130 до
150 (второй пик). Среди них большинство с коротким периодом полураспада,
но есть и относительно долгоживущие (стронций-90, цезий-137 и некоторые
другие).

3.

235
92
238
92
U n
1
0
236
92
U X Y K n q
U(n, ) 239
92 U
A1
Z1
23 мин
Где K – количество вторичных
нейтронов (2-3);
q – тепловая энергия
Цепная ядерная реакция заключается в
том, что под воздействием нейтронов
ядра атома урана распадаются на более
лёгкие ядра, называемые осколки
деления.
При
этом
образуются
вторичные нейтроны и выделяется
тепловая энергия. Вторичные нейтроны
вновь воздействуя на ядра урана
приводят к их делению с образованием
новых нейтронов и выделению энергии.
Процесс
повторяется,
развивается
лавинообразно и может привести к
ядерному взрыву.
A2
Z2
Z239
93 N p
1
0
2 дня
239
94 Pu

4.

Однако, такое представление ядерной реакции является идеализированным, т.к.
в результате захвата нейтронов примесями и вылета нейтронов из активной
области ядерная реакция может затухать.
Для характеристики процессов, протекающих
в ядерной реакции, вводится понятие
коэффициент размножения K, который
равен отношению количества нейтронов в
данном поколении к количеству нейтронов в
предыдущем поколении.
K>1 Ядерная реакция нарастает
и может привезти к взрыву
K<1 Ядерная реакция затухает
K=1 Ядерная реакция протекает
стабильно
Классификация нейтронов в зависимости от величины их энергии:
1
2
3
• Тепловые нейтроны
• Резонансные нейтроны
• Быстрые нейтроны

5.

Условие протекания ядерной реакции
• Уран должен быть очищен от примесей и продуктов распада.
• • При цепной реакции на быстрых нейтронах необходимо
обогащение естественного урана - ураном 235 от 0,72 % до 26 %.
Реакция протекает без замедлителя.
• • При цепной реакции на тепловых нейтронах необходимо
обогащение ураном 235 до 2.8 %- 4,5 %. Для исключения захвата
нейтронов ураном 238 используют замедлитель из графита, воды или
тяжелой воды D2O.
• Система ядерного топлива и замедлитель должна быть
чередующаяся, т.е. гетерогенная.
• Форма реактора должна приближаться к сферической.
• Для осуществления ядерной реакции должно быть достаточным
количество ядерного топлива. Минимальное значение топлива, при
котором еще протекает ядерная реакция называется критическая
масса.

6.

Устройство и работа атомных реакторов
История создания атомных реакторов
Первый ядерный реактор, названный
СР-1, был создан в 1942 г группой физиков
Чикагского университета, возглавляемая
Энри Ферми. Он состоял из графитовых
блоков, между которыми были
расположены шары из природного урана и
его двуокиси.
В СССР исследования реакторов были
проведены группой физиков и инженеров
под руководством академика
И. В. Курчатова. Первый советский
реактор Ф-1 был изготовлен и испытан
25 декабря 1946 года. Реактор Ф-1 был
набран из графитовых блоков и имел
форму шара диаметром примерно 7,5 м.
В центральной части шара по отверстиям в графитовых блоках размещены урановые стержни.
Реакторы Ф-1 и CP-1 не имел системы охлаждения, поэтому работал на очень малых уровнях
мощности (доли ватта, редко — единицы ватт). Результаты исследований на реакторе Ф-1 стали
основой проектов более сложных по конструкции промышленных реакторов. В 1954 году
вступила в строй первая в мире атомная электростанция электрической мощностью 5 МВт в г.
Обнинске.

7.

Классификация ядерных реакторов
Ядерный реактор – устройство, в котором осуществляется управляемая
ядерная реакция, сопровождающаяся выделением тепла, которое затем
преобразуется в электрическую энергию.
В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ В МИРЕ В ОСНОВНОМ РАБОТАЮТ ЧЕТЫРЕ ТИПА
ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ:
1) ВВЭР (Водо-Водяной Энергетический реактор)
2) РБМК (Реактор Большой Мощности Канальный)
3) Реактор на тяжелой воде
4) Реактор на быстрых нейтронах
У каждого типа реактора есть особенности конструкции, отличающие его
от других, однако, отдельные элементы конструкции могут быть
одинаковыми. ВВЭР строились в основном на территории бывшего СССР
и в Восточной Европе, реакторов типа РБМК много в России, странах
Западной Европы и Юго-Восточной Азии, реакторы на тяжелой воде в
основном строились в Америке.

8.

Параметры сравнения
ВВЭР
РБМК
Реактор на тяжелой воде
Тепловыделитель
4.5%-й обогащенный уран
2.8%-й обогащенный уран
0,72%-й природный уран
Замедлитель и его свойства
Легкая вода. Хорошо замедляет
нейтроны, сильно поглощает
нейтроны. Очень дешевая.
Графит. Хорошо замедляет
нейтроны, почти не поглощает
нейтроны. Достаточно дешевый.
Тяжелая вода. Очень хорошо
замедляет нейтроны, почти не
поглощает нейтроны. Очень
дорога в производстве.
Особенности активной зоны,
определяемые параметрами
замедлителя
Тесное расположение
тепловыделяющих элементов,
необходимость повышенного
обогащения урана.
Достаточно редкое
расположение
тепловыделяющих элементов,
возможность использования
низкообогащенного урана или
отработанного топлива ВВЭР .
Достаточно редкое
расположение
тепловыделяющих элементов,
возможность использования
низкообогащенного урана или
отработанного топлива ВВЭР.
Количество контуров
Два
Один
Два
Теплоноситель
Легкая вода в обоих контурах.
Одновременно является
замедлителем.
Легкая вода. Замедляющий
эффект незначителен.
Тяжелая вода в первом контуре,
легкая вода во втором. Тяжелая
вода одновременно является
замедлителем.
Регулирование
Раствор борной кислоты
в теплоносителе.Регулирующие
стержни из бороциркониевого
сплава и оксида европия.
Регулирующие стержни из
бороциркониевого сплава и
оксида европия.
Регулирующие стержни из
бороциркониевого сплава и
оксида европия.
Перегрузки топлива
1 раз в 4-6 месяцев, с полной
остановкой реактора и
вскрытием его корпуса. Каждый
тепловыделяющий элемент
переставляется внутри реактора
трижды до его окончательного
извлечения.
В процессе работы, с помощью
специальной перегрузочной
машины, позволяющей
перезагружать отдельные
тепловыделяющие элементы.
Каждый тепловыделяющий
элемент переставляется внутри
реактора несколько раз до его
окончательного извлечения.
Раз в несколько месяцев, с
полной остановкой реактора.
Наружный отражатель
Наружный металлический
корпус.
Графитовая кладка толщиной
65 см. Наружный корпус не
обязателен, но желателен по
соображениям безопасности
Наружный металлический
корпус.

9.

Конструкция реактора большой мощности канального ( РБМК-1000)
По состоянию на 2010 год эксплуатируется 11 энергоблоков с РБМК на трёх АЭС:
Ленинградской, Курской, Смоленской. По политическим причинам (в соответствии с
обязательствами Литвы перед Евросоюзом) остановлено два энергоблока на Игналинской
АЭС. Также по политическим причинам остановлено три энергоблока на Чернобыльской
АЭС; ещё один блок (№4) ЧАЭС был разрушен в результате аварии 26 апреля 1986 г.

10.

Конструктивные недостатки реактора РБМК-1000
1. Один радиоактивный контур, связанный с турбиной. В случае аварии радиоактивная
вода и продукты распада могут устремится наружу.
2. Отсутствует прочный, стальной корпус активной зоны.
3. Отсутствует наружная, железобетонная защитная оболочка.

11.

Основные элементы РБМК-1000

12.

Принцип работы РБМК-1000
Вода(5) под давлением в 40 атмосфер главными циркуляционными насосами
ГЦН-ми (11) подаётся в нижнюю часть цилиндра, где она продавливается по
каналам, омывая поверхности ТВЭЛов, нагревается до 248 градусов и
собирается в верхней части цилиндра. Далее пароводянная смесь по
трубопроводу (4) подаётся в паросепаратор (6), где происходит отделение пара
от воды. Вода вновь через ГЦН возвращается в нижнюю часть реактора, а пар по
трубопроводу (7) поступает на турбины (8,9), связанные с генератором (10).
Отработанный пар от турбины (9) через охладитель (12) частично превращается
в воду и пройдя деаэратор, образовавшаяся пароводянная смесь ГЦН-ми (11)
возвращается в паросепаратор (6). Здесь остатки пара дополнительно
конденсируется в воду, которая снова поступает в нижнюю часть активной зоны
реактора. Цикл замыкается.

13.

Основные элементы активной зоны РБМК-1000
1
2
1.
2.
3.
3
4
5
Ядерное топливо
Замедлитель
Управляющие стержни
6
4.
5.
6.
Отражатель
Биологическая защита
Теплоноситель

14.

Структура активной области реактора
Активная область имеет форму цилиндра диаметром 10,8 м и высотой 7
м. Цилиндр собран из шестигранных графитовых колон, которые
собраны из графитовых блоков 25Х25 см с отверстиями. 1661 отверстие
предназначены для кассет с ядерным топливом, а 211 отверстий для
регулирующих стержней.

15. Ядерное топливо

представляет
собой таблетки, диаметром 1 см и
высотой 1,5 см.Они загружаются в
трубки длиной 3,5 м и диаметром
1,4
см,
изготовленные
из
циркония. Трубки называются
тепловыделяющие
элементы
(ТВЭЛ) и собираются по 18 штук
в
тепловыделяющие
сборки
(ТВС), которые загружаются в
каналы активной зоны. Две ТВС
образуют кассеты.
Состав для реактора
3%
97%
Уран-238 и
239
Уран-235
Состав для взрыва
Уран-238 и
239
Уран-235

16.

Оценка работы ядерного реактора
Состояние реактора с точки зрения критичности, т.е. способности
поддержания
цепной
реакции
оценивается
коэффициентом
реактивности:
K - коэффициент размножения - отношение количества нейтронов в данном поколении (в
данный момент времени) к количеству нейтронов в предыдущем
поколении (момент времени).
Т.к. режим работы реактора в сильной степени
зависит от температуры, то вводится понятие
температурный коэффициент реактивности:
Реакторы с положительным
температурным коэффициентом
при внешних возмущениях
требуют включения системы
регулирования.
Реакторы с отрицательным
температурным коэффициентом
реактивности в стационарном режиме
устойчивы.

17.

Отравление и шлакообразование реактора
Во время работы реактора в его
активной
зоне
возникают
продукты распада, которые
захватывают
нейтроны
и
снижают
реактивность
реактора.
Если
радионуклиды
сильно
поглощают нейтроны, то такой
процесс называется – отравление.
Если
радионуклиды
слабо
поглощают нейтроны, то такой
процесс называется – шлакование.
При кратковременном падении
мощности,
как
говорят
специалисты, реактор попадает в
йодную яму, что затрудняет его
управление.
Отравление
и
шлакование
Образование
ксенона-135
Очистка
Выгорание
ксенона
Образование
самария-149
Йодная яма
Выгорание
самария

18.

Регулирование режима работы реактора
Оперативное изменение режима работы реактора, а именно, изменение
коэффициента размножения, удержание реактора в подкритическом состоянии
осуществляется системой управления и защиты (СУЗ), в которую входят рабочие
органы, механические устройства, детекторы, приборы контроля и усилительные
устройства.
Основные функции системы управления и защиты реактора (СУЗ) реактора:
1.компенсация избыточной реактивности;
2.изменение мощности реактора, включая пуск и его остановку;
3.аварийная защита реактора, т.е. быстрое и надёжное гашение цепной реакции.
Основные элементы СУЗ – рабочие органы, представляющие регулирующие и
поглощающие стержни, которые погружаются в активную зону и поглощают
нейтроны. В качестве материалов могут быть использованы кадмий или бор.
Группы поглощающих стержней:
1.Стержни автоматического регулирования (АР) служат для изменения режима
работы реактора.
2.Стержни аварийной защиты (АЗ) служат для экстренной остановки реактора.
3.Компенсационные стержни (КС) служат для компенсации избыточной
реактивности.

19. Общий вид АЭС с ВВЭР -1000

20.

АЭС с водо-водянным энергетическим реактором (ВВЭР-1000)

21. АЭС с водо-водянным энергетическим реактором (ВВЭР-1000)

Основные элементы системы безопасности реактора ВВЭР-1000
1. Пассивная система аварийного охлаждения зоны ( ПСАОЗ) представляет собой 4 независимых друг от друга сосуда
высокого давления, расположенные вертикально и заполненные борной кислотой и азотом. Система срабатывает в
первый момент аварийной ситуации при разрыве трубопроводы 1-го контура и заливает корпус реактора в нижней и
верхней его части.
2. Активная система аварийного охлаждения зоны ( АСАОЗ) срабатывает, если охлаждение активной зоны системой
(ПСАОЗ) было недостаточно. АСАОЗ включает циркуляционные насосы, которые закачивают воду из бассейна в корпус
реактора.
3. В реакторе ВВЭР-1000 предусмотрена двойная защитная оболочка ( контайнмент). Наружная герметичная оболочка
выполнена из напряженного бетона толщиной более одного метра, способная выдержать прямое падение самолета массой
5т, давление 5 кг/см, землетрясение, ураганы, смерчи. В случае аварии – разрыва 1-го контура и разрушении
парогенератора радиоактивные вещества концентрируются внутри защитной оболочки. Внутри оболочки установлены
спринклерная система разбрызгивания борной кислотой и система рекомбинации водорода.
4. При аварии за счет расплава активной области и элементов конструкции образуется смесь называемая «кориум». Она
локализуется в нижней части реактора в специальном устройстве УЛК ( типа тигеля), который препятствует растеканию
радиоактивных веществ за пределы реактора.

22.

ВВЭР-1000
1—верхний блок;
2—привод СУЗ(системы управления и
защиты);
3—шпилька;
4—уплотнение;
5—корпус реактора;
6—блок защитных труб;
7—шахта;
8—выгородка активной зоны;
9—топливные сборки;
10—теплоизоляция реактора;
11—крышка реактора;
12—регулирующие стержни;
13—топливные стержни;
14—фиксирующие шпонки;
Реактор имеет прочный наружный стальной корпус - 5, который
может в случае непредвиденных обстоятельств локализовать возможную
аварию. Корпус полностью заполнен водой под высоким давлением. В
середине активной зоны расположены ТВС - 9. Поглощающие
стержни - 12 находятся в активной зоне и перемещаясь осуществляют
регулирование цепной реакции. Вода подается в реактор снизу под
давлением. Сверху реактор закрыт стальной крышкой - 11,
герметизирующей его корпус и являющейся биозащитой.
В качестве ядерного топлива используется спеченный
диоксид урана с обогащением ураном-235 до 4.4 %. Реактор
ВВЭР обладает важным свойством саморегулирования: при
повышении температуры теплоносителя или мощности
реактора происходит самопроизвольное снижение
интенсивности цепной реакции в активной зоне, и в конечной
итоге снижение мощности реактора.

23.

Структура активной зоны ВВЭР-1000
Активная зона реактора собрана из
шестигранных тепловыделяющих
сборок (ТВС), содержащих
тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ)
стержневого типа с сердечником из
диоксида урана в виде таблеток,
находящихся в оболочке из
циркониевого сплава. В
тепловыделяющих сборках ТВЭЛы
размещены по треугольной решетке и
заключены в чехол из циркониевого
сплава. В свою очередь, ТВС также
собраны в треугольную решетку с
шагом 147 мм (ВВЭР-440) и 241 мм
(ВВЭР-1000).
Некоторые ТВС дополнены сверху
поглотителем из бороциркониевого
сплава и нитрида бора.
Поглотители находятся в активной
зоне и перемещаясь
осуществляют регулирование
цепной реакции.

24.

ВВЭР (ВОДО-ВОДЯНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР)
Первый контур
Вода нагревается в активной зоне, но в пар не превращается, т.к.
находится под высоким давлением. Нагретая вода первого контура
поступает в теплообменник, где отдаёт тепло воде второго контура.
Второй контур
Нагретый пар со второго контура подаётся на турбину, связанную с
генератором, который вырабатывает электрическую энергию.

25.

Принцип работы ВВЭР-1000
ВВЭР имеет два контура. Первый контур, реакторный, радиоактивный. Он полностью изолирован от
второго контура защитной оболочкой, что уменьшает радиоактивные выбросы в атмосферу. Теплоносителем
является вода. Циркуляционные насосы первого контура прокачивают воду через активную зону реактора и
парогенератор, который через теплообменные трубки отдает тепло второму контуру. Вода первого контура
находится под повышенным давлением, поэтому, несмотря на ее высокую температуру (293 градуса - на
выходе, 267 - на входе в реактор) она не закипает. Второй контур нерадиоактивный. Вода находится под
обычным давлением и при высокой температуре превращается в пар, который по главным паропроводам
второго контура поступает на турбину, связанную с генератором. Отработанный пар поступает в
конденсатор, который превращается его в воду. Пройдя систему подогревателей, вода циркуляционными
насосами подается снова в парогенератор.

26.

27.

РЕАКТОР НА ТЯЖЕЛОЙ ВОДЕ
Тяжеловодный реактор CANDU был разработан в 60х годах в Канаде. В мире
насчитывается 29 работающих реакторов этой модификации.
1 – ТВС
2 – Ядро (каландр)
3 – Управляющие
стержни
4 – Резервуар D2O
5 – Парогенератор
6 – Водяной насос
7 – Насос D2O
8 – Загрузка топлива
9 – Замедлитель
10 – Топливный канал
11 – Пар в турбину
12 – Охлажденный пар
13 – Здание реактора
Конструкция тяжеловодного реактора типа СANDU и принцип работы во многом аналогичны конструкции
реактора ВВЭР-1000. Реактор имеет здание- 13, в котором размещены элементы 1-го контура : топливо-1, корпус
реактора -2, регулирующие стержни- 3, ТВС с ТВЭЛ -10, расположенные горизонтально, теплоноситель- 9,
циркуляционные насосы- 7, парогенератор -5, компенсатор давления- 4 . Элементами 2-го контура являются
циркуляционные насосы -6, входной и выходной трубопроводы 12 и 11 соответственно. В качестве теплоносителя и
замедлителя в 1-м контуре используется тяжелая вода D2О, а во втором контуре обычная легкая вода. Использование
дейтерия вместо водорода позволяет в качестве топлива использовать природный уран ( 0,72% U 235 ), что снижает
затраты на топливо, но увеличивает стоимость реактора за счет использования дорогостоящей тяжелой воды.

28. Реактор на тяжелой воде

29.

РЕАКТОР НА ТЯЖЕЛОЙ ВОДЕ
•D2O:
замедлитель и
теплоноситель.
•Улучшенный
нейтронный
баланс – менее
требователен к
топливу.
•Дешевый уран,
дорогая вода.

30.

Реактор на быстрых нейтронах БН-600
Запущен в эксплуатацию 1980 г.
(3 энергоблок Белоярской АЭС).
1 - Реактор;
2 - Главный циркуляционный насос
1 контура;
3 - Промежуточный теплообменник;
4 - Тепловыделяющие сборки;
5 - Парогенератор;
6 - Буферная и сборная ёмкости;
7 - Главный циркуляционный насос
2 контура;
8 - Турбоустановка;
9 - Генератор;
10 - Трансформатор;
11 - Конденсаторы;
12 - Циркуляционные насосы;
13 - Конденсатные насосы;
14 - Подогреватели;
15 - Деаэратор;
16 - Питательные насосы;
17 - Пруд-охладитель;
18 - Отпуск электроэнергии
Реактор на быстрых нейтронах ( FBR) отличается от всех остальных реакторов. В нем нет замедлителя. В
качестве топлива используется высокообогащенный уран 235. За счет высокой энергии быстрых нейтронов
более 0,1 МэВ происходит деление также урана 238 из которого получается плутоний 239. Поскольку
тепловыделение реактора FBR ( на входе 370, на выходе 550 ) в десятки раз превосходит тепловыделение
реактора на медленных ( тепловых) нейтронах, то в качестве теплоносителя в 1-м и 2-м контуре
используется расплав натрия, а в 3-м контуре легкая вода. Все 3 контура имеют три параллельные ветви.
Основными элементами которых являются циркуляционные насосы 2, 7, 13 и теплообменники 3, 5. В
процессе работы реактора происходит интенсивное выделение нейтронов, которые отражаются слоем урана
238, расположенным вокруг активной области.

31.

Активная зона реактора БН-600 устроена подобно луковице, слоями. 370 топливных
сборок, состоящих из ТВЭЛов, образуют три зоны с различным обогащением урана235 17, 21, 26% . Зоны окружены боковыми экранами (бланкетами), или зонами
воспроизводства, где расположены сборки, содержащие обедненный или природный
уран, состоящий в основном из изотопа 238. В торцах ТВЭЛов выше и ниже активной
зоны также расположены таблетки из обедненного урана, которые образуют торцевые
экраны (зоны воспроизводства).

32. РЕАКТОР БН-804

33.

РЕАКТОР НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ
Производит плутоний 239 из урана 238
Нет замедлителя
Тепловыделение выше на порядок
Первые 2 контура натриевые 3-й контур водянной
Не распространен из-за сложности, но считается перспективным

34.

ВЫВОДЫ
Реакторы РБМК безопасны лишь при правильной их
эксплуатации и хорошо разработанных системах защиты, но зато
способны использовать малообогащенное топливо или даже
отработанное топливо ВВЭР-ов.
Реакторы ВВЭР достаточно безопасны в эксплуатации, но
требуют высокообогащенного урана.
Реакторы на тяжелой воде используют дешевый природный
уран, но дорогую тяжелую воду в качестве теплоносителя и
замедлителя.
За реакторами на быстрых нейтронах - будущее
производства топлива для ядерной энергетики, эти реакторы
наиболее эффективно используют ядерное топливо, но их
конструкция очень сложна и пока еще малонадежна.