Развитие атомной энергетики Реакторы транспортных двигательных установок Реакторы на быстрых нейтронах Реактор РБМК Реактор ВВЭР Реактивностные аварии Аварии с потерей теплоносителя

Атомная энергетика. Типы ядерных реакторов

Отчего зависит утечка нейтронов? Последняя составляющая в формуле для kэфф , которое мы получили через Р,П и У. Один параметр мы знаем - размер реактора, мы анализировали уже, что если радиус реактора стремится к бесконечности, то утечки просто нет, все пространство занято средой, размножающей нейтроны и нейтронам некуда улетать. И наоборот, чем радиус реактора меньше, тем относительная поверхность больше, тем самым нейтронам предоставляется большая возможность вылететь наружу. Но это связано с размерами. А вот какие ядерные процессы влияют на эту скорость утечки? Деление, мы знаем, определяется сечением деления, на скорость рождения нейтронов, на поглощение, мы знаем, влияет сечение захвата, сечение поглощения, а вот какие процессы влияют на утечку нейтронов?

На утечку нейтронов, прежде всего, влияют процессы рассеяния нейтронов. Что собой представляет процесс рассеяния? Этот процесс происходит при столкновении нейтрона с ядром, но когда нейтрон не исчезает, а сталкивается с ядром, меняет направление своего полета, и куда-то летит дальше. Т.е. при рассеянии нейтроны не исчезают, они продолжают существовать, изменяя направление своего движения, и, в общем случае, и энергию, конечно.

Вопрос – как бы рикошетом.

Совершенно верно, хотя, когда говорят рикошет, это имеется в виду, когда мячик попадает в борт, в бесконечную массу - вот тогда рикошет. Т.е. когда идет рикошет, вы сдвинуть то тело не можете, а вот если два хоккеиста сталкиваются, вы же не можете сказать, что вы отскочили от него рикошетом?

Вопрос – нам Абрамов говорил, что когда ядро тяжелое, нейтрон рикошетит.

Чтобы рикошет был, должно быть ядро бесконечной массы, теоретически. Мы будем это дальше рассматривать. А так, в принципе, если масса не бесконечна, то нейтрон часть энергии передает тому телу, с которым он сталкивается.

Так вот, почему процессы рассеяния важны для утечки нейтронов? Представим себе, вот эта комната и есть как раз реактор. И вот в объеме этой комнаты (реактора) находится 10 делящихся ядер 235U. Представим, что произошло деление и родился нейтрон. Так вот, эта комната будет как бы пустая для этого нейтрона. Т.е. он с большой вероятностью пролетит мимо этих ядер урана и вылетит. У него вероятность утечки очень большая.

А теперь представим себе, что эти же 10 ядер урана находятся опять здесь, но кроме них мы заполнили эту комнату рассеивающими ядрами, которых в 1000 раз больше, чем ядер урана. Тогда нейтрон уже не может далеко пролететь, или просто вылететь на улицу через вот эту поверхность. Он столкнется с этим ядром, куда то повернет, столкнется с другим ядром, с третьим, т.е. он будет долго жить внутри этой комнаты и вероятность в конце концов столкнуться с ядром урана и разделить ядро у него будет гораздо больше. Вот в этом и заключается значение процесса рассеяния – чем больше рассеяние внутри объема реактора, тем меньше утечка. Т.е. в этом случае один фактор, определяющий У связан как бы с размерами, а второй – со свойствами среды. Чем больше рассеивающих ядер, т.е. концентрация рассеивающих ядер r, плотность их, и чем больше сечение рассеяния, такое же, как мы рассматривали для захвата, тем меньше будет утечка нейтронов. Вот какая закономерность существует.

Вопрос – а чем тогда утечка отличается от поглощения?

В смысле исчезновения нейтрона ничем. Поэтому и те, и другие процессы в знаменателе формулы (1) стоят. Если вы помните, у нас записано  , т.е. утечка от поглощения по влиянию на kэфф ничем не отличается. Это безразлично, каким образом исчез нейтрон. То ли он вылетел, то ли он поглотился, но он исчез.

 Вопрос – т.е. утечка – это когда просто вылетает?

Просто вылетает, за внешнюю границу, вот сколько нейтронов в 1 с вылетает за пределы реактора. Также можно рассматривать и единичный объем - один см3 – в каждом см3 реактора какое-то количество нейтронов рождается, а какое-то количество поглощается. А разница куда девается? А разница улетает.

Вопрос – определение еще раз скажите.

Чем больше рассеивающих ядер, т.е. чем больше концентрация рассеивающих ядер r и чем больше сечение рассеяния, микроскопическое сечение рассеяния, тем меньше утечка нейтронов при прочих равных условиях. Короче говоря, если среда бесконечна, то не имеет никакого значения, есть рассеяние или нет рассеяния – все равно они никуда не могут вылететь, потому что все бесконечное пространство заполнено и рассеяние здесь ничуть не помогает. А вот когда конечная среда, то рассеяние помогает нейтрону запутываться внутри, долго, долго блуждать и раз он долго блуждает, то вероятность взаимодействия с ядрами увеличивается.

Вопрос – а замедлитель…..

Фактически рассеивателем является замедлитель, но сейчас мы не рассматриваем процесс замедления. Даже если бы среда была заполнена не замедляющими ядрами, а допустим свинцом. Свинец очень плохо замедляет нейтроны, но он рассеивает их. Таким образом, смесь урана со свинцом все равно влияла бы на рассеяние – оно приводило бы к уменьшению утечки, даже без учета замедления. Мы пока процесс замедления не рассматривали, мы его дальше будем рассматривать. Пока только говорим о рассеянии.

Сечение рассеяния обозначается ss (от английского слова scattering – рассеяние). Как и все другие сечения, оно измеряется в барнах и как бы представляет вот собой поперечное сечение шарика. Вероятность рассеяния будет определяться микроскопическим поперечным сечением рассеяния.

 Рассеяние бывает двух типов – упругое рассеяние и неупругое рассеяние (см. рис.4.4):  (el – от слова elastic – эластичность, упругость) - упругое рассеяние,  (in – inelastic – неупругий) – неупругое рассеяние.

Чем отличаются эти процессы друг от друга? Упругое рассеяние, в общем, подчиняется законам классической механики, т.е. в этом случае должны выполняться закон сохранения импульса и закон сохранения энергии. Другими словами, энергия падающей частицы, в данном случае нейтрона, должна равняться сумме энергий нейтрона после столкновения и энергии ядра тоже после столкновения, потому что нейтрон часть своей энергии передает ядру. Энергия никуда не делась, вот это и есть закон сохранения энергии. Также должен сохраняться импульс этих двух частиц, т.е. количество движения.

 А вот когда речь идет о неупругом рассеянии, то оно происходит уже по законам квантовой механики, с проникновением нейтрона внутрь ядра, с образованием составного ядра (компаунд-ядра) и нейтрон, попавший в ядро, какое-то время там живет, хоть очень маленькое время, но живет. И потом, когда из ядра вылетает нейтрон, это, в общем, совсем не обязательно тот нейтрон, который падал, это может быть один из нейтронов, находившихся в этом ядре. Но тут важно отметить следующее - если упругое рассеяние происходит с нейтронами всех энергий, и с тепловыми нейтронами, и промежуточными, и с быстрыми нейтронами, не имеет значения - то неупругое рассеяние возможно только для нейтронов, имеющих энергию выше некоторого порога или выше первого уровня возбуждения ядра. Иначе говоря, это запрещает квантовая механика, потому что возбужденное ядро имеет определенную дискретную структуру уровней возбуждения и вот нужно, чтобы кинетическая энергия нейтрона была бы выше, чем энергия первого уровня возбуждения, потому что когда нейтрон вылетит при неупругом рассеянии из ядра, то оставшаяся энергия высветится в виде g-кванта, которая переведет ядро из возбужденного состояния в основное состояние.

Т.е. неупругое рассеяние имеет две особенности. Оно возможно только при условии, что энергия нейтрона выше некоторого энергетического порога, а если энергия нейтрона ниже – просто сечение неупругого рассеяния будет равно нулю, эта реакция не идет, это первое. И второе - после неупругого рассеяния, очень быстро, практически мгновенно, ядро переходит в основное состояние и испускается g-квант неупругого рассеяния, т.е. неупругое рассеяние сопровождается испусканием g-кванта.

Вопрос – а вот первое, энергия больше чего?

Больше энергии первого возбужденного уровня ядра. Потому что у ядра существует дискретная система уровней возбуждения, и если у нейтрона не хватает энергии возбудить ядро, то неупругое рассеяние невозможно, сечение неупругого рассеяния равно нулю.

Но характерно, что неупругое рассеяние для тех энергий нейтронов, которые присутствуют в реакторе, в спектре деления, идет только на тяжелых и средних ядрах, начиная примерно с железа (массовое число ~ 50 и выше). На легких ядрах неупругое рассеяние в реакторе отсутствует, потому что у легких ядер энергия первого уровня возбуждения очень высокая – нейтронов с такой энергией в реакторе нет или их очень мало. Поэтому неупругое рассеяние наиболее характерно для тяжелых ядер.

Таким образом, сечение неупругого рассеяния имеет пороговый характер по энергии, т.е. ниже какой-то энергии оно равно нулю, и скачком достигает какого-то значения после того, как энергия нейтрона станет выше энергии первого уровня возбуждения.

Итак, рассмотренные процессы взаимодействия нейтронов с ядрами – деление, поглощение, захват и рассеяние определяют баланс нейтронов в реакторе и от них зависит эффективный коэффициент размножения.

Вопрос – получается, что если неупругое рассеяние невозможно, то получается упругое?

  Да, упругое рассеяние – оно существует всегда, и у тяжелых ядер упругое рассеяние возможно на всех ядрах, оно не запрещается никакими законами. Просто, когда энергия нейтронов повышается, сначала идет только упругое рассеяние, а начиная с какой-то энергии к нему добавляется еще и неупругое, со своим сечением.

Если сложить между собой все типы сечений, то мы получим полное сечение. Оно обозначается stot (tot – от английского слова total – тотальный, полный) и называется полное сечение взаимодействия, которое равно

  .

Полное сечение есть сумма частных, парциальных сечений, в данном случае мы не различаем упругое и неупругое рассеяние.

Первые два слагаемых sf и sc в сумме будут sа, я написал их отдельно, чтобы можно было представить себе наглядно полное поперечное сечение. На рис.4.5 изображены составляющие полного поперечного сечения, если представить его как площадь сечения шарика, разрезанного пополам.

Вопрос – вначале вы s представляли как площадь ядра?

 Да.

Вопрос – во сколько раз площадь ядра будет больше этой общей площади?

А это будет зависеть от величины сечений. Разное сечение может быть, оно может быть совершенно разное. Т.е. если представить полное сечение как круговую мишень, по которой стреляют, допустим, из нейтронного пистолета, то вероятность рассеяться будет равна вот такой то доле этого круга, вероятность захватиться – вот такой доле, разделиться – такой-то доле.

 Вопрос – диаграмма будет.

Диаграмма. Для того, чтобы наглядно себе представить происходящие процессы. Конечно, ядро мы условно рассматриваем как шарик, вот сечение, полная площадь такая-то, а вот в этой полной площади такую долю занимает такой-то процесс, т.е. эта доля обозначает вероятность такого-то процесса и т.д.

Следующий раздел, который мы сейчас начнем изучать – энергетическая зависимость сечений.

Диапазон изменения энергии нейтрона в реакторе очень большой. Мы уже знаем, что средняя энергия нейтронов деления Е0 = 2 МэВ, т.е. это средняя энергия нейтрона, рожденного при делении. Рождаетсяnf нейтронов, и каждый из этих nf (двух или трех) нейтронов имеет энергию 2 миллиона электронвольт. Вот при такой энергии в среднем нейтрон рождается.

Вопрос – эта энергия выделяется?

Это кинетическая энергия нейтрона, самого нейтрона. Это кинетическая энергия одного нейтрона.

Я говорю средняя потому, что опять мы имеем дело со случайным процессом, т.е. в одном случае нейтрон может иметь энергию 1 МэВ, в другом - 0,5 МэВ, в среднем может быть – 3 МэВ, 4 МэВ. А если же взять миллион делений, то в среднем оказывается, что средняя энергия нейтронов деления равна 2 МэВ. В спектре деления максимально обнаруженная энергия нейтронов составляет ~ 20 МэВ (рождаемых при делении), но таких нейтронов очень мало. Энергетический спект мгновенных нейтронов деления имеет вид очень узкого спектра (рис.4.6). Максимум распределения приходится на ~ 1 МэВ. Максимальная энергия на 1 М (т.е.наиболее вероятная энергия нейтронов деления составляет 1 МэВ, а средняя энергия нейтронов деления – 2 МэВ, за счет затянутого хвоста).

Нейтронов, имеющих энергию больше 10 МэВ в спектре очень мало, их всего 0,1 %, (из nf нейтронов), т.е. из 2,5 нейтронов всего 0,1 % имеют энергию больше, чем 10 МэВ. А максимум нейтронов при 1 МэВ, среднее количество нейтронов испускается при 2 МэВ. Казалось бы, нейтронов с энергией больше 10 МэВ очень мало, и, может быть, их вообще можно не учитывать? Оказывается, нет. Если для баланса нейтронов при расчете критичности реактора они значения не имеют, то для некоторых других процессов важно знать количество этих быстрых, или очень быстрых нейтронов.

Вопрос – эта диаграмма показывает выход нейтронов?

Этот график называется энергетический спектр нейтронов деления. Не вообще в реакторе, а энергетический спектр нейтронов деления.

Вопрос – это для урана?

Для урана и для плутония графики сильно не отличаются.

Вопрос – а так для каждого элемента есть свой график?

Да, есть свой график,.

Итак, спектр нейтронов деления. Он имеет вид, изображенный на рис.4.6, в среднем энергия нейтронов деления 2 МэВ, наиболее вероятная энергия – 1 МэВ, это там, где максимум.

Я хотел немного рассказать о тех случаях, когда важны эти сверхбыстрые нейтроны с энергией выше 10 МэВ. Когда мы с вами рассматривали и сравнивали одноконтурные реакторы и двухконтурные, мы говорили, что в одноконтурных станциях водяной пар, идущий на турбину, радиоактивный. Забудем пока про радиоактивность теплоносителя, обусловленную осколками, которые могут туда попасть из негерметичных твэлов, забудем про активацию продуктов коррозии и примесей, которые есть в теплоносителе. Рассмотрим только воду Н2О, при этом оказывается, что кислород при облучении нейтронами приобретает свойства радиоактивности, т.е. на изотопе кислорода 16О идет вот такая реакция  16О(n,p). 16О – это основной изотоп природного кислорода, n – это падающая частица, нейтрон, а р – протон, вылетающая частица. Что должно получиться, если в ядро попал нейтрон, а вылетел протон? Масса не изменяется. Это же массовое число – попал нейтрон, вылетел протон, значит, масса не изменилась, изменился только заряд. Значит, если вылетает протон, это вылетает положительный заряд, это значит, как будто бы в ядре появляется отрицательный заряд. Правильно?

Вопрос – получился изотоп азота.


Система автоматического управления или поддержания мощности реактора