Изменение скорости ядерного деления, вызванное пустотами внутри реактора.
В ядерной технике коэффициент пустот ( более правильно называемый коэффициентом пустотности реактивности ) — это число, которое можно использовать для оценки того, насколько изменяется реактивность ядерного реактора по мере того, как в замедлителе или теплоносителе реактора образуются пустоты (обычно пузырьки пара) . Чистая реактивность в реакторе зависит от нескольких факторов, одним из которых является коэффициент пустотности. Реакторы, в которых замедлителем или теплоносителем является жидкость, обычно имеют коэффициент пустотности, который либо отрицательный (если реактор недостаточно замедлился), либо положительный (если реактор чрезмерно замедлился). Реакторы, в которых ни замедлитель, ни теплоноситель не являются жидкостью (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 водный реактор ).
Объяснение
Реакторы ядерного деления работают на цепной ядерной реакции , в которой каждое ядро , подвергающееся делению, выделяет тепло и нейтроны. Каждый нейтрон может столкнуться с другим ядром и вызвать его деление. Скорость этого нейтрона влияет на вероятность того, что он вызовет дополнительное деление, равно как и наличие материала, поглощающего нейтроны. С одной стороны, тепловые нейтроны легче поглощаются делящимися ядрами, чем быстрые нейтроны , поэтому замедлитель нейтронов , замедляющий нейтроны, увеличит реактивность ядерного реактора. С другой стороны, поглотитель нейтронов снизит реактивность ядерного реактора. Эти два механизма используются для управления тепловой мощностью ядерного реактора.
Чтобы извлечь полезную энергию из ядерного реактора и (для большинства конструкций реакторов) сохранить его в целости и сохранности, необходимо использовать систему охлаждения. В некоторых реакторах циркулирует вода под давлением; некоторые используют жидкий металл , такой как натрий , NaK , свинец или ртуть ; другие используют газы (см. усовершенствованный реактор с газовым охлаждением ). Если теплоноситель представляет собой жидкость, она может закипеть, если температура внутри реактора повысится. Это кипение приводит к образованию пустот внутри реактора. Пустоты также могут образовываться в случае потери теплоносителя из реактора в результате какой-либо аварии (так называемая авария с потерей теплоносителя , которая имеет и другие опасности). Некоторые реакторы работают с теплоносителем, находящимся в состоянии постоянного кипения, используя образующийся пар для вращения турбин.
Жидкий теплоноситель может действовать как поглотитель нейтронов, как замедлитель нейтронов, обычно и то, и другое, но та или иная роль играет наиболее важную роль. В любом случае количество пустот внутри реактора может повлиять на реакционную способность 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 увеличения кипения или потери теплоносителя; например, если теплоноситель действует преимущественно как поглотитель нейтронов. Этот положительный коэффициент пустотности вызывает петлю положительной обратной связи , начиная с первого появления пузырьков пара. Это может привести к быстрому кипению всего теплоносителя в реакторе, если ему не противодействует (автоматический) механизм управления или если время реакции этого механизма слишком медленное. Это произошло на реакторе РБМК , разрушенном во время чернобыльской катастрофы, поскольку механизм автоматического регулирования был практически полностью отключен (и операторы несколько опрометчиво пытались быстро восстановить высокий уровень мощности. Из-за неудачной конструкции стержней управления операторы не знали, что там — максимальный уровень нейтронного яда в активной зоне).
Отрицательный коэффициент пустот означает, что реактивность снижается по мере увеличения содержания пустот внутри реактора, но это также означает, что реактивность увеличивается, если содержание пустот внутри реактора уменьшается. В кипящих реакторах с большими отрицательными коэффициентами пустотности внезапное повышение давления (вызванное, например, незапланированным закрытием обтекающего клапана) приведет к внезапному уменьшению содержания пустот: повышенное давление приведет к тому, что некоторые пузырьки пара конденсироваться («схлопываться»); и тепловая мощность, возможно, будет увеличиваться до тех пор, пока она не будет прекращена системами безопасности, из-за увеличения образования пустот из-за более высокой мощности или, возможно, из-за сбоев системы или компонентов, которые сбрасывают давление, вызывая увеличение содержания пустот и снижение мощности. Все реакторы с кипящей водой спроектированы (и необходимы) для работы в переходных процессах такого типа. С другой стороны, если реактор спроектирован так, чтобы работать вообще без пустот, большой отрицательный коэффициент пустотности может служить системой безопасности. Потеря теплоносителя в таком реакторе снижает тепловую мощность, но, конечно, выделяющееся тепло больше не отводится, поэтому температура может повыситься (если одновременно выйдут из строя все остальные системы безопасности).
Таким образом, большой коэффициент пустотности, положительный или отрицательный, может быть либо проблемой конструкции (требующей более осторожных и быстродействующих систем управления), либо желаемым качеством в зависимости от конструкции реактора. Реакторы с газовым охлаждением не имеют проблем с образованием пустот.
Проекты реакторов
- Реакторы с кипящей водой обычно имеют отрицательный коэффициент пустотности, а 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 таких случаях (например, внезапное закрытие обтекающего клапана), когда давление в реакторе внезапно увеличивается. Кроме того, отрицательный коэффициент пустотности может привести к колебаниям мощности в случае внезапного уменьшения потока в активной зоне, например, из-за отказа рециркуляционного насоса. Реакторы с кипящей водой спроектированы таким образом, чтобы гарантировать, что скорость повышения давления в результате внезапного закрытия клапана обтекания ограничивается приемлемыми значениями, и они включают в себя множество систем безопасности, предназначенных для обеспечения того, чтобы любое внезапное увеличение мощности реактора или нестабильные колебания мощности были прекращены до подачи топлива или трубопроводов. может произойти повреждение.
- Реакторы с водой под давлением работают с относительно небольшим количеством пустот, а вода служит и замедлителем, и теплоносителем. Таким образом, большой отрицательный коэффициент пустотности гарантирует, что в случае закипания или потери воды выходная мощность упадет.
- Реакторы CANDU имеют положительные коэффициенты пустотности, которые достаточно малы, чтобы системы управления могли легко реагировать на кипение теплоносителя до того, как реактор достигнет опасных температур (см. Ссылки). Кроме того, авария с потерей теплоносителя автоматически приводит к остановке реактора, и, в отличие от легководных реакторов , введение «обычной» воды в активную зону реактора — например, в качестве аварийного теплоносителя — не создает риска критичности, поскольку CANDU может достичь только критичность 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 позволило реактору работать на необогащенном уране и не требовать тяжелой воды , что позволило сэкономить затраты (также, в отличие от других российских реакторов главной конструкции ВВЭР , РБМК были двойного назначения, [1] способными производить плутоний оружейного качества ). До Чернобыльской аварии 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.
- В реакторах-размножителях на быстрых нейтронах не используются замедлители, поскольку они 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 реакторы с газовым охлаждением и реакторы с галечным слоем имеют газовое охлаждение, поэтому коэффициенты пустотности не являются проблемой. Фактически, некоторые из них могут быть спроектированы так, что полная потеря теплоносителя не приведет к расплавлению активной зоны даже при отсутствии активных систем управления. Как и в любой конструкции реактора, потеря теплоносителя — лишь одна из многих возможных неисправностей, которые потенциально могут привести к аварии. При случайном попадании жидкой воды в активную зону реакторов с галечным слоем может возникнуть положительный коэффициент пустотности. [ нужна цитация ] Реакторы Magnox и UNGG были разработаны с двойной целью: производить электроэнергию и оружейный плутоний.
- Реактор Advanced CANDU , никогда не построенный предлагаемый тип реактора на основе CANDU, обещает отрицательный коэффициент пустотности, но он должен использовать слегка обогащенный уран в качестве топлива и не может работать с природным ураном , как это делает «обычный» CANDU.
- В реакторе с расплавленной солью соль обычно не является ни сильным замедлителем, ни поглотителем нейтронов. Если используется спектр тепловых нейтронов , обычно используются внешние замедлители, такие как ядерный графит . Летучие продукты деления могут «выбрасываться» из раствора, и поскольку топливо растворяется в соли, это снижает реактивность в месте пузыря и вокруг него. Более того, большинство благородных газов продуктов деления, главный из которых ксенон-135, являются сильными нейтронными ядами. Поскольку температура кипения участвующих солей относительно высока (точка, при которой структурная целостность корпуса расплавленной соли может оказаться под вопросом), последствиям ее выкипания обычно практически не уделяется внимания. Часто в реакторах с расплавленными солями используется пробка расплава, 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 (07 апреля 2016 г.). Проблемы нераспространения оружия массового уничтожения. ЦРК Пресс. п. 89. ИСБН 9781420028652. Проверено 20 апреля 2016 г.
Рекомендации
- Чернобыль - канадская перспектива - брошюра, описывающая ядерные реакторы в целом и конструкцию РБМК в частности, с упором на различия в безопасности между ними и реакторами CANDU . Опубликовано компанией Atomic Energy of Canada Ltd. (AECL), разработчиком реактора CANDU.
- Джей Джей Уитлок, Почему реакторы CANDU имеют «положительный пустотный 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 «положительный коэффициент пустотности»? - Объяснение опубликовано на The Canadian Nuclear FAQ , веб-сайте «часто задаваемых вопросов» и ответов о канадских ядерных технологиях.
