Изменение скорости ядерного деления, вызванное пустотами внутри реактора
В ядерной инженерии коэффициент пустотности (более правильно называемый коэффициентом пустотности реактивности ) — это число, которое можно использовать для оценки того, насколько изменяется реактивность ядерного реактора по мере образования пустот (обычно пузырьков пара) в замедлителе или теплоносителе реактора . Чистая реактивность в реакторе зависит от нескольких факторов, одним из которых является коэффициент пустотности. Реакторы, в которых замедлитель или теплоноситель являются жидкостью, обычно имеют коэффициент пустотности, который либо отрицателен (если реактор недостаточно замедлен), либо положителен (если реактор чрезмерно замедлен). Реакторы, в которых ни замедлитель, ни теплоноситель не являются жидкостями (например, реактор с графитовым замедлителем и газовым охлаждением ), будут иметь нулевой коэффициент пустотности. Неясно, как определение коэффициента «пустоты» применяется к реакторам, в которых замедлитель/теплоноситель не является ни жидкостью, ни газом ( сверхкритический водяной реактор ).
Объяснение
Ядерные реакторы деления работают на основе ядерных цепных реакций , в которых каждое ядро , которое подвергается делению, выделяет тепло и нейтроны. Каждый нейтрон может воздействовать на другое ядро и заставить его подвергнуться делению. Скорость этого нейтрона влияет на вероятность того, что он вызовет дополнительное деление, как и наличие поглощающего нейтроны материала. С одной стороны, тепловые нейтроны легче поглощаются делящимися ядрами, чем быстрые нейтроны , поэтому замедлитель нейтронов , который замедляет нейтроны, увеличит реактивность ядерного реактора. С другой стороны, поглотитель нейтронов уменьшит реактивность ядерного реактора. Эти два механизма используются для управления тепловой выходной мощностью ядерного реактора.
Для извлечения полезной мощности из ядерного реактора и (для большинства конструкций реакторов) для поддержания его в целости и сохранности необходимо использовать систему охлаждения. В некоторых реакторах циркулирует вода под давлением; в некоторых используется жидкий металл , такой как натрий , NaK , свинец или ртуть ; в других используются газы (см. усовершенствованный газоохлаждаемый реактор ). Если охлаждающая жидкость представляет собой жидкость, она может закипеть, если температура внутри реактора повышается. Это кипение приводит к образованию пустот внутри реактора. Пустоты также могут образовываться, если охлаждающая жидкость теряется из реактора в результате какой-либо аварии (называемой аварией с потерей охлаждающей жидкости , которая имеет другие опасности). Некоторые реакторы работают с охлаждающей жидкостью в постоянном состоянии кипения, используя образующийся пар для вращения турбин.
Охлаждающая жидкость может действовать как поглотитель нейтронов, как замедлитель нейтронов, обычно как и то, и другое, но с одной или другой ролью как наиболее влиятельной. В любом случае, количество пустот внутри реактора может влиять на реактивность реактора. Изменение реактивности, вызванное изменением пустот внутри реактора, прямо пропорционально коэффициенту пустотности .
Положительный коэффициент пустотности означает, что реактивность увеличивается по мере увеличения содержания пустот внутри реактора из-за повышенного кипения или потери теплоносителя; например, если теплоноситель действует преимущественно как поглотитель нейтронов. Этот положительный коэффициент пустотности вызывает положительную обратную связь, начиная с первого появления пузырьков пара. Это может быстро вскипятить весь теплоноситель в реакторе, если этому не противодействует (автоматический) механизм управления или если время реакции указанного механизма слишком медленное. Это произошло в реакторе РБМК , который был разрушен в результате чернобыльской катастрофы , поскольку автоматический механизм управления был в основном отключен (и операторы пытались несколько безрассудно быстро восстановить высокий уровень мощности. Из-за плохой конструкции регулирующих стержней операторы не знали, что в активной зоне был максимальный уровень нейтронного яда ).
Отрицательный коэффициент пустотности означает, что реактивность уменьшается по мере увеличения пустотности внутри реактора, но это также означает, что реактивность увеличивается, если пустотность внутри реактора уменьшается. В кипящих реакторах с большими отрицательными коэффициентами пустотности внезапное повышение давления (вызванное, например, незапланированным закрытием клапана обтекания) приведет к внезапному уменьшению пустотности: повышенное давление приведет к конденсации («коллапсу») некоторых пузырьков пара; и тепловая мощность, возможно, будет увеличиваться до тех пор, пока не будет остановлена системами безопасности, повышенным образованием пустот из-за более высокой мощности или, возможно, отказами системы или компонента, которые сбрасывают давление, что приводит к увеличению пустотности и снижению мощности. Все кипящие реакторы спроектированы (и должны) для обработки такого типа переходных процессов. С другой стороны, если реактор спроектирован для работы вообще без пустот, большой отрицательный коэффициент пустотности может служить системой безопасности. Потеря теплоносителя в таком реакторе снижает теплоотдачу, но, конечно, вырабатываемое тепло больше не отводится, поэтому температура может повыситься (если все остальные системы безопасности одновременно выйдут из строя).
Таким образом, большой коэффициент пустотности, положительный или отрицательный, может быть либо проблемой конструкции (требующей более тщательных, быстродействующих систем управления), либо желаемым качеством в зависимости от конструкции реактора. Газоохлаждаемые реакторы не имеют проблем с образованием пустот.
Конструкции реакторов
- Реакторы с кипящей водой обычно имеют отрицательные коэффициенты пустотности, и при нормальной работе отрицательный коэффициент пустотности позволяет регулировать мощность реактора путем изменения скорости потока воды через активную зону. Отрицательный коэффициент пустотности может вызвать незапланированное увеличение мощности реактора в случаях (например, внезапное закрытие клапана обтекания), когда давление в реакторе внезапно увеличивается. Кроме того, отрицательный коэффициент пустотности может привести к колебаниям мощности в случае внезапного снижения потока в активной зоне, например, из-за отказа рециркуляционного насоса. Реакторы с кипящей водой спроектированы так, чтобы гарантировать, что скорость повышения давления от внезапного закрытия клапана обтекания ограничена приемлемыми значениями, и они включают в себя несколько систем безопасности, разработанных для обеспечения того, чтобы любые внезапные увеличения мощности реактора или нестабильные колебания мощности были прекращены до того, как может произойти повреждение топлива или трубопроводов.
- Реакторы с водой под давлением работают с относительно небольшим количеством пустот, и вода служит как замедлителем, так и охладителем. Таким образом, большой отрицательный коэффициент пустотности гарантирует, что если вода закипит или потеряется, выходная мощность упадет.
- Реакторы CANDU имеют положительные коэффициенты пустотности, которые достаточно малы, чтобы системы управления могли легко отреагировать на кипение теплоносителя до того, как реактор достигнет опасных температур (см. Ссылки). Кроме того, авария с потерей теплоносителя автоматически останавливает реактор, и в отличие от реакторов на легкой воде , введение «обычной» воды в активную зону реактора — например, в качестве аварийного теплоносителя — не создает риска критичности , поскольку CANDU может достичь критичности только при отсутствии поглощения нейтронов, которое присутствует в значительных количествах легкой воды.
- Реакторы РБМК , такие как реакторы в Чернобыле, имели опасно высокий положительный коэффициент пустотности. Это позволяло реактору работать на необогащенном уране и не требовало тяжелой воды , что экономило затраты; РБМК также были способны производить оружейный плутоний , в отличие от другой основной советской конструкции, ВВЭР . [1] До аварии на Чернобыльской АЭС эти реакторы имели положительный коэффициент пустотности 4,7 бета , который после аварии был снижен до 0,7 бета, чтобы они могли безопасно оставаться в эксплуатации.
- Быстрые реакторы-размножители не используют замедлители, поскольку работают на быстрых нейтронах , но теплоноситель (часто свинец или натрий ) может служить поглотителем и отражателем нейтронов. По этой причине они имеют положительный коэффициент пустотности.
- Реакторы Magnox , усовершенствованные газоохлаждаемые реакторы и реакторы с шаровыми твэлами охлаждаются газом, поэтому коэффициент пустотности не является проблемой. Фактически, некоторые из них могут быть спроектированы так, чтобы полная потеря охладителя не приводила к расплавлению активной зоны даже при отсутствии активных систем управления. Как и в случае с любой конструкцией реактора, потеря охладителя является лишь одним из многих возможных отказов, которые потенциально могут привести к аварии. В случае случайного попадания жидкой воды в активную зону реакторов с шаровыми твэлами может возникнуть положительный коэффициент пустотности. [ необходима цитата ] Реакторы Magnox и UNGG были спроектированы с двойной целью: производить электроэнергию и оружейный плутоний.
- Усовершенствованный реактор CANDU , предлагаемый тип реактора на основе CANDU, который так и не был построен, обещает отрицательный коэффициент пустотности, но в качестве топлива он должен использовать слегка обогащенный уран и не может работать на природном уране , как «обычный» CANDU.
- В реакторе на расплавленной соли соль обычно не является ни сильным замедлителем, ни нейтронным ядом. Если используется спектр тепловых нейтронов , обычно применяются внешние замедлители, такие как ядерный графит . Летучие продукты деления могут «пузыриться» из раствора, и по мере того, как топливо растворяется в соли, это снижает реактивность в месте образования пузырька и вокруг него. Кроме того, большинство благородных газов продуктов деления — главный из них ксенон-135 — являются сильными нейтронными ядом. Поскольку температура кипения вовлеченных солей относительно высока (в точке, при которой структурная целостность корпуса для расплавленной соли будет под вопросом), обычно мало внимания уделяется последствиям ее выкипания. Часто в реакторах на расплавленной соли используется расплавленная пробка, которая плавится при гораздо более низких температурах, чем температура кипения солей, и позволяет им затвердевать в ловушке активной зоны .
Смотрите также
Примечания
- ^ Прелас, Марк А.; Пек, Майкл (2016-04-07). Вопросы нераспространения оружия массового поражения. CRC Press. стр. 89. ISBN 9781420028652. Получено 2016-04-20 .
Ссылки
- Чернобыль - Канадская перспектива - Брошюра, описывающая ядерные реакторы в целом и конструкцию РБМК в частности, уделяя особое внимание различиям в безопасности между ними и реакторами CANDU . Опубликовано компанией Atomic Energy of Canada Ltd. (AECL), разработчиком реактора CANDU.
- Дж. Дж. Уитлок, Почему реакторы CANDU имеют «положительный паровой коэффициент»? - Объяснение опубликовано на The Canadian Nuclear FAQ , веб-сайте «часто задаваемых вопросов» и ответов о канадских ядерных технологиях.
- Дж. Дж. Уитлок, Как реакторы CANDU соответствуют высоким стандартам безопасности, несмотря на наличие «положительного коэффициента пустотности»? - Объяснение опубликовано на The Canadian Nuclear FAQ , веб-сайте «часто задаваемых вопросов» и ответов о канадских ядерных технологиях.
