Основные элементы ядерных реакторов. Первая часть

Реакторы классифицируются в зависимости от назначения, вида и физического состояния горючего, замедлителя, теплоносителя и имеют свои особенности. Однако принципиальные схемы устройства всех реакторов во многом одинаковы. Любой ядерный реактор состоит из нескольких зон, имеющих свое назначение. В активной зоне происходит деление ядер горючего. Отбор теплоты, выделяющейся при делении, осуществляется путем циркуляции теплоносителя через активную зону.

Изменение количества делений в активной зоне (а следовательно, мощности реактора) производится с помощью регулирующих стержней системы управления и защиты реактора (СУЗ), выполненных из материалов, хорошо поглощающих нейтроны. Активная зона, окруженная отражателем нейтронов, помещается в корпус реактора. Корпус реактора защищен бетонной биологической защитой, обеспечивающей снижение потоков излучений до допустимого уровня. Между корпусом и биологической защитой часто устраивается слой радиационно-тепловой защиты, предназначенной для восприятия радиационных тепловыделений и предохранения бетонной биологической защиты от радиационных повреждений.

Ядерное горючее и тепловыделяющие элементы. В качестве ядерного горючего в активной зоне, как уже говорилось, могут быть использованы уран-235, уран-233, плутоний-239. Деление ядер горючего может происходить под действием тепловых или быстрых нейтронов. В зависимости от энергии нейтронов, под действием которых происходит деление горючего, реакторы подразделяются на реакторы на тепловых и быстрых нейтронах.

В реакторах на тепловых нейтронах [средняя энергия нейтронов, вызывающих деление, менее 1,6 Х 10^-19 Дж (1 эВ)] в качестве горючего в основном применяют уран-235.

В реакторах на быстрых нейтронах (средняя энергия нейтронов, вызывающих деление, составляет несколько сотен кэВ) в качестве горючего применяют высокообогащенный уран и плутоний-239.

Ядерное топливо может быть использовано в твердом или жидком виде. В зависимости от этого реакторы подразделяются соответственно на гетерогенные и гомогенные. В гетерогенных реакторах твердое топливо помещено в оболочку, предохраняющую его от взаимодействия с теплоносителем и локализующую осколки деления. В гомогенных реакторах ядерное топливо равномерно перемешано с теплоносителем (и замедлителем, если это реактор на тепловых нейтронах).

Горючее, помещенное в предохранительную герметичную оболочку, называют тепловыделяющими элементами (твэлами). Конструктивно твэлы (рис. 1.1) могут быть выполнены стержневыми (а), пластинчатыми (б), гофрированными (в), трубчатыми (г), шаровыми (д), перфорированными (е). Чаще всего используются стержневые и трубчатые твэлы.

Тепловыделяющие элементы, собранные в кассеты, с помощью центрирующих узлов устанавливаются в рабочих каналах реактора.

Самым распространенным топливом энергетических реакторов в настоящее время является слабообогащенная двуокись урана UO₂ с содержанием изотопа по массе. Она химически инертна, совместима с большинством конструкционных материалов и теплоносителей, обладает высокой температура-стойкостью (температура плавления около 2800 °С) и высокой радиационной стойкостью. В дальнейшем, по-видимому, основным видом топлива высокотемпературных реакторов станут карбиды урана и плутония. Обладая сопоставимыми с двуокисью урана температурой плавления и радиационной стойкостью, карбиды имеют в 5—10 раз более высокую теплопроводность и большую плотность.

Замедлитель и отражатель. Назначение замедлителя — уменьшить энергию нейтронов, образующихся при делении ядер горючего. Лучшими замедлителями являются легкие материалы, не поглощающие тепловых нейтронов. Наибольшее распространение в качестве замедлителей получили вода Н₂О, тяжелая вода D₂0 и графит. Тяжелая вода имеет высокую стоимость и обычно применяется в тех случаях, когда в качестве горючего используется природный уран без обогащения. Для обогащенного горючего в качестве замедлителя используют обыкновенную воду. Графит, являясь дешевым материалом, часто применяется в качестве замедлителя в реакторах, охлаждаемых газом или водой.

Назначение отражателя — увеличение количества нейтронов в активной зоне и выравнивание распределения плотности потока нейтронов по ее объему. В качестве отражателей в реакторах на тепловых нейтронах, как правило, используют те же материалы, что и для замедлителей (вода, графит). Активная зона реакторов на быстрых нейтронах обычно окружена отражателем из естественного урана. Верхняя и нижняя части тепло выделяющих элементов активной зоны заполняются естественным ураном, который образует верхний и нижний отражатели. В реакторах на быстрых нейтронах отражатель, выполненный из естественного урана, одновременно является зоной воспроизводства, где происходит реакция воспроизводства плутония (см. выше плутониевый цикл).