6. Физические особенности реакторов на быстрых нейтронах.

В разделе 5.5. были рассмотрены условия для расширенного воспроизводства ядерного топлива. По ходу зависимости выхода нейтронов от их энергии (рис. 5.11) видно, что возможно расширенное воспроизводства ²³³U в тепловых и быстрых реакторах, а ²³⁹Pu только в быстрых реакторах. Здесь будут рассматриваться быстрые реакторы для расширенного воспроизводства ²³⁹Pu. Из рис. 5.11 видно, что необходимое условие  > 2,3 выполняется при энергиях нейтронов > 0,1 МэВ.

Поэтому распределение плотности нейтронов по энергии в активной зоне реактора должно быть таким, чтобы средняя энергия нейтронов была выше 0,1 МэВ. Это достигается отсутствием замедлителя в активной зоне реактора. В отсутствие замедлителя спектр нейтронов формируется другими материалами активной зоны, ядерное топливо, теплоноситель, конструкционные материалы. Наличие указанных материалов приводит к тому, что спектр нейтронов отличается от спектра мгновенных нейтронов деления (рис. 6.1), который описывается формулой

(6.1)

где Е – энергия нейтронов в МэВ.

Рис. 6.1. Спектр нейтронов в центре активной зоны реактора типа БН-350

1- спектр нейтронов N (Е); 2 - спектр нейтронов деления N_р (E)

В результате упругого и неупругого рассеяния спектр нейтронов, устанавливающийся в активной зоне быстрого реактора, «мягче» спектра мгновенных нейтронов деления. Под этим обычно подразумевается, что средняя энергия нейтронов в первом случае меньше чем во втором. Если использовать формулу (6.1), то средняя энергия мгновенных нейтронов деления 2 МэВ. В случае спектра нейтронов, установившегося в активной зоне быстрого реактора (рис. 6.1) средняя энергия нейтронов =0,33 МэВ.

В реакторе с большим содержанием легкого замедлителя справедливо соотношение . Поэтому спектр замедляемых нейтронов определяется упругим рассеянием и выражается законом 1/Е. В активной зоне быстрого реактора указанное неравенство несправедливо и поэтому поглощение нейтронов играет весьма существенную роль в формировании спектра. При этом закон 1/Е не выполняется (рис.6.1.).

Спектр нейтронов, устанавливающийся в активной зоне быстрого реактора зависит от ее состава и геометрии.

Рассмотрим качественно, какие факторы, определяющие состав и геометрию активной зоны, способствуют ужесточению или смягчению спектра нейтронов в активной зоне.

6.1. Факторы, определяющие спектр нейтронов в активной зоне быстрого реактора.

Объем активной зоны энергетического быстрого реактора заполняют, в основном, три компоненты: теплоноситель, конструкционные материалы и топливная композиция (ядерное топливо).

Теплоносителем могут быть газ и жидкие металлы. В первом случае плотность ядер теплоносителя мала и непосредственным влиянием его на .спектр .нейтронов можно пренебречь. Исключением является пароохлаждаемый реактор, в котором замедление на водороде значительно смягчает действующий спектр поглощений в топливе. Во втором случае предпочти­тельно применение элемента с малым сечением захвата и ма­лой замедляющей способностью. Обычно используется натрий, вполне удовлетворяющий этим условиям. Если объемная доля его в активной зоне не превышает 30—35%, то даже полное удаление теплоносителя, как правило, не изменяет существен­но действующего спектра. .Увеличение объемной доли натрия до 40-50% уже заметно смягчает спектр нейтронов. С точки . зрения действия на спектр более благоприятным было бы ис­пользование вместо натрия эвтектического сплава натрий-калий. Калий значительно более тяжелый элемент и, следо­вательно, меньше замедляет нейтроны. Однако этот теплоно­ситель обладает худшими теплофизическими свойствами и имеет определенные технологические недостатки. После изу­чения первого опыта эксплуатации экспериментальных установок с натрием и натрий-калием, первому было отдано пред­почтение. С натрием мог бы конкурировать литий-7 (в естест­венном литии около 90% этого изотопа). За счет высокой теп­лоемкости лития можно было бы значительно сократить со­держание теплоносителя в активной зоне и тем самым умень­шить влияние упругого замедления на спектр нейтронов.

Наиболее распространенным конструкционным материа­лом активной зоны быстрого реактора является нержавеющая сталь. Поскольку в области быстрых нейтронов отсутствуют элементы с аномально высокими сечениями, то различные марки сталей не так уж значительно отличаются друг от дру­га по поглощению нейтронов. Железо, хром и особенно никель смягчают спектр нейтронов за счет неупругого рассеяния. Это замедление происходит в основном в высокоэнергетической части спектра. В этой области энергий нейтроны имеют повы­шенную ценность, так как они могут вызвать деление четно-четных изотопов (U²³⁸, Pu²⁴⁰). B целом неблагоприятное воз­действие .конструкционных материалов на спектр и на баланс нейтронов в быстром реакторе значительно сильнее, чем дей­ствие натриевого теплоносителя.

Самое существенное влияние на действующий спектр по­глощения в горючем оказывает состав и объемная доля топ­ливной композиции в активной зоне. Топливная композиция состоит из собственно ядерного горючего (основного деляще­гося изотопа) и разбавителя, который необходим для того, чтобы с этого горючего можно было снять необходимое коли­чество тепла. В качестве разбавителя обычно используется ²³⁸U и его соединения. Действие ²³⁸U на спектр нейтронов двойственное. С одной стороны, уран является сильным по­глотителем, преимущественно в низкоэнергетической области, и в этом случае способствует ужесточению действующего спект­ра поглощений в горючем. С другой - значительное неупру­гое рассеяние на уране замедляет нейтроны и смягчает спектр. В целом увеличение содержания ²³⁸U приводит к смягчению спектра.

В настоящее время одним из основных видов горючего считается окисное. Кислород горючего является самым легким элементом в составе активной зоны быстрого реактора, и ко­личество его значительно. Так, например, в энергетическом реакторе большой мощности (>1000 МВт), на каждое ядро основного делящегося изотопа ²³⁹Pu приходится более 15 ядер кислорода. Поэтому упругое рассеяние на ядрах .кислорода является одним из существенных процессов, формирующих спектр нейтронов в реакторе и приводящих к его смягчению по сравнению со спектром деления.

Спектр нейтронов в активной зоне быстрого реактора зависящий от ее состава и геометрии определяет требованию к обогащению ядерного топлива.