Для чего в реакторе есть управляющие стержни
Управляющий стержень
Содержание
Снижение реактивности
Реактор, находящийся в критическом состоянии (см. Коэффициент размножения нейтронов) как угодно долго, представляет собой математическую абстракцию. На самом деле, протекающие в реакторе процессы вызывают ухудшение размножающих свойств среды, и без механизма восстановления реактивности реактор не смог бы работать даже малое время. Обращение нейтронов в реакторе включает процесс деления; каждый акт деления означает убыль атома делящегося материала, а значит, и снижение k0. Правда, делящиеся атомы частично восстанавливаются за счёт поглощения избытка нейтронов ядрами 238 U с образованием 239 Pu. Однако накопление нового делящегося материала обычно не компенсирует потерь делящихся атомов, и реактивность снижается. Кроме того, каждый акт деления сопровождается появлением двух новых атомов, ядра которых, как и любые другие ядра, поглощают нейтроны. Накопление продуктов деления также снижает реактивность (см. Иодная яма). Наконец, просто повышение температуры активной зоны реактора обычно сопровождается снижением реактивности, а активные зоны энергетических реакторов должны быть разогреты до возможно бо́льшей температуры, поскольку коэффициент полезного действия тепловой машины в конечном счёте определяется разностью температур источника тепла и холодильника — окружающей среды.
Система управления
Ядерный реактор может работать с заданной мощностью в течение длительного времени только в том случае, если в начале работы имеет запас реактивности. Освобождение связанной реактивности по мере её снижения в силу естественных причин обеспечивает поддержание критического состояния реактора в каждый момент его работы. Первоначальный запас реактивности создается путём постройки активной зоны с размерами, значительно превосходящими критические. Чтобы реактор не становился надкритичным, одновременно искусственно снижается k0 размножающей среды. Это достигается введением в активную зону веществ-поглотителей нейтронов, которые могут удаляться из активной зоны в последующем. Так же как и в элементах регулирования цепной реакции, вещества-поглотители входят в состав материала стержней того или иного поперечного сечения, перемещающихся по соответствующим каналам в активной зоне. Но если для регулирования достаточно одного-двух или нескольких стержней, то для компенсации начального избытка реактивности число стержней может достигать сотни. Эти стержни называются компенсирующими. Регулирующие и компенсирующие стержни не обязательно представляют собой различные элементы по конструктивному оформлению. Некоторое число компенсирующих стержней может быть стержнями регулирования, однако функции тех и других отличаются. Регулирующие стержни предназначены для поддержания критического состояния в любой момент времени, для остановки, пуска реактора, перехода с одного уровня мощности на другой. Все эти операции требуют малых изменений реактивности. Компенсирующие стержни постепенно выводятся из активной зоны реактора, обеспечивая критическое состояние в течение всего времени его работы.
Аварийная защита
На случай непредвиденного катастрофического развития цепной реакции, а также возникновения других аварийных режимов, связанных с энерговыделением в активной зоне, в каждом реакторе предусмотрено экстренное прекращение цепной реакции, осуществляемое сбрасыванием в активную зону специальных аварийных стержней или стержней безопасности. Аварийные стержни изготовляются из поглощающего нейтроны материала. Они сбрасываются под действием силы тяжести в центральную часть активной зоны, где поток наибольший, а значит, и наиболее велика отрицательная реактивность, вносимая в реактор стержнем. Стержней безопасности, как и регулирующих, обычно два или несколько, однако в отличие от регуляторов они должны связывать возможно бо́льшую величину реактивности. Роль стержней безопасности может выполнять и часть компенсирующих стержней.
Немного о ядерных реакторах
Гайд по ядерным реакторам
В этом гайде я расскажу вам о процессах, происходящих в ядерном реакторе, об устройстве реакторов.
Атом состоит из трёх видов частиц – нейтронов, протонов и электронов. В ядре атомы находятся только протоны и нейтроны. Протоны обладают положительным зарядом, нейтроны не обладают зарядом. Ядра атомов после Висмута (обозначается как Bi, 83 номер в таблице Менделеева) являются нестабильными и распадаются со временем, при этом испускают частицы и излучение, то есть они радиоактивны. В ядерных реакторах и бомбах используется в основном уран (92 номер в таблице) и его изотопы (изотопы – атомы элементов, отличающиеся по количеству нейтронов в ядре, а отсюда и разница в массе). В основном применяются изотопы уран-238 (99,3% в природном уране, период полураспада почти 4,5 миллиарда лет) и уран-235 (примерно 0,7% в природном уране, период полураспада около 700 миллионов лет). Используется также торий, оружейный и реакторный плутоний
При взаимодействии ядер этих или других тяжёлых элементов с нейтронами, первоначальное ядро расщепляется на несколько ядер, близких по массе к изначальному, при этом также высвобождается огромное количество энергии. При делении ядра урана-238 высвобождается порядка 200 МэВ (Мега-электроВольт), это примерно 10 в минус одиннадцатой степени Джоулей. Это энергия, выделяющаяся в результате распада лишь одного ядра урана, а в результате того, что в самом образце их много больше, то выделяющаяся энергия будет значительной.
Для этих целей в реакторе используются замедлители (отсутствуют в реакторах на быстрых нейтронах) и поглотители нейтронов. В качестве замедлителей используются небезызвестные графитовые стержни, бор, бериллий, обычная вода (H2O), дейтериевая вода (так называемая «тяжёлая вода», формула D2O, где D – нерадиоактивный изотоп водорода с массовым числом 2).
Замедлители нейтронов призваны уменьшить энергию нейтронов, образующихся при ядерных реакциях. Если скорость нейтронов будет слишком высокой, то вероятность захвата ядром урана этого нейтрона будет чрезвычайно мала. Если снизить его скорость, то вероятность реакции заметно возрастёт.
Поглотители нейтронов используются для поддержания коэффициента размножения нейтронов на одном уровне. Они поглощают излишек нейтронов. Обычно для этих целей используются кадмий, бор, используются некоторые редкоземельные металлы (европий, эрбий, самарий и другие). В экстренных ситуациях предусмотрено экстренное сбрасывание стержней с поглотителями нейтронов в активную зону реактора для предотвращения взрыва. В этот момент все реакции в реакторе останавливаются. После такого замедления реактор нужно «раскочегаривать» заново.
Принцип действия ядерного реактора
Это одна из крайне перспективных отраслей науки. Термоядерные реакторы, в случае появления, обещают практически неограниченный выход энергии. Однако как вы могли догадаться, есть некоторые сложности с их созданием.
Это основы ядерной энергетики, благодарю за внимание и надеюсь на оценку моего труда.