10. Требования к материалам, используемым в органах управления и защиты реактора.

Поглощающие материалы должны наиболее эффективно поглощать нейтроны, доля которых в энергетическом спектре максимальна, т.е. обладать высоким сечением поглощения нейтронов этих энергий. Также они не должны сильно менять своих свойств при изменении температуры.

Главная часть СУЗ – рабочие органы, представляющие собой поглощающие стержни, содержащие в качестве рабочего элемента такие материалы, как кадмий, бор или сталь (реже используется гафний, индий, серебро). Поглощающие стержни могут вводиться и выводиться из активной зоны.

Все рабочие органы СУЗ тепловых реакторов используют одинаковый физический механизм воздействия на реактивность – поглощение нейтронов. Эффект поглощения нейтронов стержнями связан, в основном, с реакцией (n,α), или, значительно реже (n,γ).

По степени поглощения нейтронов различают «черные» поглотители, имеющие очень высокое сечение поглощения тепловых нейтронов, и «серые», поглощающие только часть падающих на них нейтронов. В некоторых случаях «серые» поглотители предпочтительней «черных», т.к. они вносят меньшее локальное возмущение поля нейтронов. Кроме того, «черные» стержни, имеют меньший ресурс, чем «серые», т.к. обладая высоким сечением поглощения, они достаточно быстро выгорают.

11. Бор и его характеристики как поглотителя в сравнении с другими материалами.

Бор (B¹⁰) – наиболее часто применяемый поглотитель. Его используют как в тепловых так и в быстрых реакторах. Бор используется как в поглощающих стержнях, так и при жидкостном регулировании.

B¹⁰ + n = Li⁷ + He⁴ + γ

B¹⁰ + n = H³ + 2He⁴ + γ

В каждой реакции выделяется порядка 3 МэВ энергии, поэтому использование органов регулирования с бором требует наличия охлаждающей системы. Бор используют в виде таблеток карбида бора B₄C, упакованных в металлические стержни.

Самая высокая температура плавления – порядка 2300ºС. Сечение поглощения 4000 барн – среднее. Самое высокое у гадолиния – 46000.

12. Выгорание ядерного топлива. Глубина выгорания. Запас реактивности на выгорание топлива.

Количество загруженного делящегося топлива в реакторе при его работе непрерывно уменьшается за счет деления ядер U и радиационного захвата ими нейтронов. Этот процесс называют выгоранием топлива. Выгорание связано с энерговыработкой линейной зависимостью. Основная часть расхода топлива определяется количеством разделившихся ядер U²³⁵ за определенное время работы реактора на мощности. Масса разделившихся ядер в граммах за время t работы реактора на мощности N, т.е. при энерговыработке Q = N·t, равна

m_дел⁵ = 1,05·N_t = 1,05·Q, где 1,05 - масса U²³⁵ в граммах, разделившегося при энерговыработке 1 МВт·сут.

Фактически эта величина характеризует накопление про­дуктов деления в граммах на тонну урана, так как деление 1 г урана (т.е. накопление 1 г продуктов деления) сопровож­дается освобождением энергии примерно 1 МВт·сут. Для ВВЭР-440 при кампании в три года, с использованием частич­ных перегрузок один раз в год, средняя глубина выгорания составляет:

В = 28  30 МВт·сут/кг.

Глубина выгорания ρ_шл – показатель использования ядерного топлива. Известно несколько способов определения глубины выгорания. Наиболее привычное определение глубины выгорания в области ядерных реакторов на тепловых нейтронах - отношение энергии, выработанной в реакторе, к массе загруженного урана:

Единица измерения глубины выгорания – МВт·сут/кгU.

Также нередко используется понятия глубины выгорания, выраженное в относительных единицах:

где m_U – масса загруженного в реактор урана, т; Δm_U – масса выгоревшего топлива, т.

Для пересчета глубины выгорания ρ_шл, выраженной в абсолютных единицах (МВт· сут/кгU), в ρ_шл в относительных единицах (%), следует знать, что 1% выгоревшего топлива соответствует ~ 10 МВт сут/кг U.

Время работы реактора на номинальной мощности без перегрузки (перемещений) топлива принято называть кампанией реактора. Время пребывания топлива в активной зоне реактора, работающем на номинальной мощности (эффективное время) называется кампанией топлива.

Глубина выгорания, как следует из определения, связана с кампанией топлива линейно. Кампания топлива, а следовательно, и ρ_шл определяется, в основном, радиационной стойкостью твэлов.

В связи с выгоранием U²³⁵ уменьшается К_эф., а следовательно, реактивность и запас реактивности. Изменение запаса реактивности за счет выгорания - длительный процесс. Он зависит только от энерговыработки реактора.

Поэтому первоначально реактор загружается количеством топлива, превышающим необходимое для достижения критичности. Реактивность, соответствующая избыточному количеству топлива, называется запасом реактивности на выгорание. В начале компании избыточную реактивность необходимо скомпенсировать вводя в активную зону какой-либо материал сильно поглощающий нейтроны и обладающий отрицательной реактивностью.

Таким материалом могут быть управляющие стержни СУЗ, содержащие поглощающие изотопы (чаще всего - ¹⁰В). Однако, использование стержней СУЗ для компенсации реактивности не желательно, поскольку они вносят большую неоднородность в поле нейтронов. Кроме того, при возникновении аварийной ситуации в начале кампании снижается эффективность аварийной защиты, так как стержни частично введены в зону. Следовательно, необходимо увеличить физический вес ОР.

В водо-водяных реакторах в начале компании используется изотоп ¹⁰В, в виде борной кислоты, растворенный в водяном теплоносителе. По мере выгорания топлива уменьшают концентрацию бора, вводя, тем самым положительную реактивность.