2015-01-21
6963
Регулирование размножения нейтронов в тепловых ядерных реакторах осуществляется с помощью поглощающих нейтроны органов регулирования. В них используются материалы хорошо поглощающие нейтроны.
Вывод поглотителя из активной зоны приводит к увеличению числа нейтронов. Мощность увеличивается при введении поглотителя, уменьшается число нейтронов в реакторе – уменьшается мощность. В случае возникновения аварийных ситуаций, требующих экстренной остановки реактора, используются специальные устройства – органы аварийной защиты.
Выбор материала для регулирования и аварийной защиты – ответственная задача. К такому материалу предъявляются основные требования:
- материал должен эффективно поглощать те нейтроны, доля которых в энергетическом спектре максимальна (т.е., если это реакторы на тепловых нейтронах, то поглощать надо тепловые нейтроны);
- поглощающая способность материала должна оставаться практически неизменной;
- не должен менять своих механических и теплофизических характеристик под действием реакторного облучения и высоких температур.
|
|
|
Для органов управления и защиты используются следующие материалы, см.таблицу 3.3.
Таблица 3.3
| Материал | Сечение по- глощения  тепловых нейтронов
| Реакция | Т плавления,
|
| Бор (10В) | (n,a) | ||
| Кадмий (Cd) | (n,g) | ||
| Гафний (Hf) | (n,g) | ||
| Гадолиний (Gd) | (n,g) | ||
| Европий (Eu) | (n,g) |
Наиболее часто в ядерной энергетике применяют 
в качестве материала поглотителя:
.
Реакция идет по двум каналам. Причем второй канал производит ядро трития, который является радиоактивным с периодом полураспада ~ 12 лет.
Как видно, в результате взаимодействия бора с нейтронами образуются альфа-частицы, обладающие большой кинетической энергией и малой длиной пробега, поэтому поглотители, изготовленные из бора или его соединений, нагреваются и требуют организации их охлаждения.
Использование бора для регулирования ЯР обусловлено достаточно большим сечением поглощения нейтронов в широком диапазоне энергий, доступностью и относительно низкой стоимостью.
В органах управления, как правило, используются карбид бора B4C, спрессованный в таблетки или брикеты, помещенные в оболочку из стали.
Из редкоземельных поглотителей нейтронов особого внимания заслуживает европий, обладающий двумя очень важными положительными качествами. В процессе работы реактора он незначительно изменяет свою поглощающую способность. В процессе поглощения нейтронов 
последовательно переходит из одного изотопного состояния в другое, при этом почти не меняет поглощающей способности. Во-вторых, на ядрах европия идет реакция (
), в результате чего энергия, уносимая g-квантами, рассеивается во всем объеме реактора, а не выделяется в нейтронопоглощающем материале.
|
|
|
Кроме использования в системах управления и защиты ядерного реактора поглотители используются для компенсации избыточного коэффициента размножения (Кэфф – 1)(запаса реактивности на выгорание топлива) в начале работы реактора, который создается загрузкой топлива в реактор сверх критической массы.
В реакторах ВВЭР для создания запаса реактивности на выгорание топлива используется борная кислота Н3ВО3, которая растворяется в теплоносителе. Критическое состояние реактора в начале его работы после загрузки свежего топлива достигается при определенной ее концентрации.
Кроме того, для выравнивания поля энерговыделения и уменьшения размножающих свойств, в начале работы реактора в свежие ТВС с обогащением 4,4% устанавливают кластеры со стержнями выгорающего поглотителя (СВП), в которых используется диборид хрома в алюминиевом сплаве.
Ведутся эксперименты, имеющие своей целью отказаться от необходимости установки СВП, а использовать самовыгорающий поглотитель (гадолиний) непосредственно в топливной матрице.
В реакторах РБМК в качестве выгорающего поглотителя в топливе используется эрбий. Окись эрбия (Er2O3) равномерно размешивается в диоксиде урана. При обогащении 2,6% по 235U весовая концентрация эрбия 0,41%. Основную роль в поглощении нейтронов играют два изотопа эрбия это 166Er (
= 19,4 барн) и 167Er ( = 653 барн). Изотоп 167Er имеет сильный резонанс в области энергий нейтронов 0,47 эВ, который играет главную роль в уменьшении положительной реактивности при обезвоживании технологических каналов и контура охлаждения органов системы управления и защиты реактора РБМК. С удалением воды ужесточается спектр нейтронов, что приводит увеличению их резонансного поглощения в эрбии. Наличие изотопа 166Er приводит к дополнительному поглощению нейтронов. Кроме того, поскольку при захвате нейтрона в 166Er образуется 167Er, присутствие 166Er несколько замедляет выгорание 167Er.
