Управляющий стержень

Стержни управления используются в ядерных реакторах для управления скоростью деления ядерного топлива — урана или плутония . В их состав входят такие химические элементы, как бор , кадмий , серебро , гафний или индий , которые способны поглощать множество нейтронов , не распадаясь при этом. Эти элементы имеют разные захвата нейтронов сечения различных энергий . Реакторы с кипящей водой (BWR), реакторы с водой под давлением (PWR) и тяжеловодные реакторы (HWR) работают на тепловых нейтронах , а реакторы-размножители работают на быстрых нейтронах . В каждой конструкции реактора могут использоваться разные материалы управляющего стержня в зависимости от энергетического спектра его нейтронов. Стержни управления использовались в ядерных авиационных двигателях, таких как проект «Плутон», в качестве метода управления.

Принцип работы

Стержни управления вставляются в активную зону ядерного реактора чтобы контролировать скорость и регулируются таким образом , ядерной цепной реакции и, следовательно, выходную тепловую мощность реактора, скорость производства пара и выходную электрическую мощность электростанции. станция.

Количество вставленных регулирующих стержней и расстояние, на которое они вставлены, сильно влияют на реактивность реактора. Когда реактивность (как эффективный коэффициент размножения нейтронов ) превышает 1, скорость цепной ядерной реакции со временем увеличивается экспоненциально. Когда реакционная способность ниже 1, скорость реакции снижается экспоненциально с течением времени. Когда все стержни управления полностью вставлены, они поддерживают реактивность чуть выше 0, что быстро замедляет работающий реактор до остановки и удерживает его в остановленном состоянии (в режиме останова ). Если все регулирующие стержни полностью удалены, реактивность значительно превышает 1, и реактор быстро нагревается все сильнее и сильнее, пока какой-либо другой фактор (например, обратная связь по температуре реактивности ) не замедлит скорость реакции. Поддержание постоянной выходной мощности требует поддержания долгосрочного среднего коэффициента размножения нейтронов близким к 1.

Новый реактор собран с полностью вставленными стержнями управления. Стержни управления частично удалены из активной зоны, чтобы позволить цепную ядерную реакцию запустить и увеличить мощность до желаемого уровня. Поток нейтронов можно измерить, и он примерно пропорционален скорости реакции и уровню мощности. Для увеличения выходной мощности некоторые стержни управления на некоторое время выдвигаются на небольшое расстояние. Для уменьшения выходной мощности некоторые стержни управления на некоторое время отодвигаются на небольшое расстояние. Несколько других факторов влияют на реакционную способность; чтобы компенсировать их, система автоматического управления регулирует стержни управления на небольшие величины, в зависимости от необходимости в некоторых реакторах. Каждый стержень управления влияет на какую-то часть реактора больше, чем на другие; расчетные корректировки распределения топлива могут быть внесены для поддержания одинаковых скоростей реакций и температур в разных частях активной зоны.

Типичное время остановки для современных реакторов, таких как Европейский реактор под давлением или усовершенствованный реактор CANDU, составляет две секунды для снижения на 90% и ограничивается остаточным теплом . Регулирующие стержни обычно используются в сборках регулирующих стержней (обычно 20 стержней для коммерческой сборки PWR) и вставляются в направляющие трубки внутри топливных элементов. Стержни управления часто располагаются вертикально внутри активной зоны. В реакторах PWR они вставляются сверху, при этом механизмы привода СУЗ устанавливаются на головке корпуса реактора . В реакторах BWR из-за необходимости установки паровой сушилки над активной зоной такая конструкция требует установки стержней управления снизу.

Материалы

Сечение поглощения для ¹⁰Б (вверху) и ¹¹B (внизу) как функция энергии

Химические элементы с очень высокими сечениями захвата нейтронов включают серебро , индий и кадмий . Другие элементы-кандидаты включают бор , кобальт , гафний , самарий , европий , гадолиний , тербий , диспрозий , гольмий , эрбий , тулий , иттербий и лютеций . ^[1] Также могут быть использованы сплавы или соединения, такие как сталь с высоким содержанием бора , ^[а] сплав серебро-индий-кадмий, карбид бора , диборид циркония , диборид титана , диборид гафния , нитрат гадолиния, ^[б] титанат гадолиния, титанат диспрозия и композит карбид бора-гексаборид европия. ^[2]

На выбор материала влияют энергия нейтронов в реакторе, их устойчивость к нейтронному распуханию , а также требуемые механические свойства и срок службы. Стержни могут иметь форму трубок, заполненных поглощающими нейтроны гранулами или порошком. Трубки могут быть изготовлены из нержавеющей стали или других материалов с «нейтронным окном», таких как цирконий, хром, карбид кремния или кубические ¹¹
Б ¹⁵
N (кубический нитрид бора ). ^[3]

Выгорание « выгорающих ядов » изотопов также ограничивает срок службы регулирующего стержня. Их можно уменьшить, используя такой элемент, как гафний, «негорючий яд», который захватывает несколько нейтронов до потери эффективности, или не используя поглотители нейтронов для обрезки. Например, в реакторах с галечным слоем или в возможных реакторах нового типа с замедлителем и охлаждением литием-7 , в которых используются топливо и галька-поглотитель.

Некоторые редкоземельные элементы являются отличными поглотителями нейтронов и встречаются чаще, чем серебро (запасы около 500 000 тонн). Например, иттербий (запасы около миллиона тонн) и иттрий , в 400 раз более распространенный, со средними значениями улавливания, могут быть найдены и использованы вместе без разделения внутри таких минералов, как ксенотим (Yb) (Yb _0,40 Y _0,27 Lu _0,12 Er _0,12 Dy _0,05 Tm _0,04 Ho _0,01 )PO ₄ , ^[4] или кейвиит (Yb) (Yb _1,43 Lu _0,23 Er _0,17 Tm _0,08 Y _0,05 Dy _0,03 Ho _0,02 ) ₂ Si ₂ O ₇ , снижающий стоимость. ^[5] Ксенон также является сильным поглотителем нейтронов в виде газа и может использоваться для управления и (аварийной) остановки реакторов с гелиевым охлаждением, но не действует в случае потери давления или в качестве защитного газа для горения вместе с аргоном вокруг части корпуса. особенно в случае реакторов-улавливателей активной зоны или наполненных натрием или литием. Ксенон, полученный в результате деления, можно использовать после ожидания осаждения цезия , когда радиоактивности практически не остается. Кобальт-59 также используется в качестве поглотителя для получения кобальта-60 для использования в качестве источника гамма-излучения . Стержни управления также могут быть выполнены в виде толстых поворотных стержней с вольфрамовым отражателем и стороной поглотителя, поворачиваемой до упора пружиной менее чем за одну секунду.

Сплавы серебра, индия и кадмия, обычно содержащие 80% Ag, 15% In и 5% Cd, являются распространенным материалом регулирующего стержня для реакторов с водой под давлением . ^[6] Несколько разные области поглощения энергии материалов делают сплав отличным поглотителем нейтронов . Он обладает хорошей механической прочностью и легко поддается изготовлению. Он должен быть заключен в корпус из нержавеющей стали, чтобы предотвратить коррозию в горячей воде. ^[7] Хотя индий менее редок, чем серебро, он дороже.

Бор — еще один распространенный поглотитель нейтронов. Из-за разного сечения ¹⁰Группа ¹¹Б — материалы, содержащие бор, обогащенные ¹⁰ B путем разделения изотопов Часто используются . Широкий спектр поглощения бора также делает его пригодным в качестве нейтронной защиты. Механические свойства бора в его элементарной форме непригодны, поэтому вместо него приходится использовать сплавы или соединения. Обычно выбирают сталь с высоким содержанием бора и карбид бора . Последний используется в качестве материала регулирующего стержня как в PWR, так и в BWR. ¹⁰Б/ ¹¹Разделение B осуществляется в промышленных масштабах с помощью газовых центрифуг над BF ₃ , но также может быть осуществлено над BH ₃ при производстве борана или непосредственно с помощью плавильной центрифуги с оптимизированной энергией, используя тепло свежевыделенного бора для предварительного нагрева.

Гафний обладает превосходными свойствами для реакторов, использующих воду как для замедления, так и для охлаждения. Он обладает хорошей механической прочностью, легко обрабатывается и устойчив к коррозии в горячей воде. ^[8] Гафний можно легировать с другими элементами, например, с оловом и кислородом для увеличения прочности на растяжение и ползучести, с железом , хромом и ниобием для коррозионной стойкости, а также с молибденом для повышения износостойкости, твердости и обрабатываемости. Такие сплавы обозначаются как Хафалой, Хафалой-М, Хафалой-Н и Хафалой-НМ. ^[9] Высокая стоимость и низкая доступность гафния ограничивают его использование в гражданских реакторах, хотя он используется в некоторых реакторах ВМС США . Карбид гафния также можно использовать в качестве нерастворимого материала с высокой температурой плавления 3890 ° C и плотностью выше, чем у диоксида урана, для прохождения через кориум в нерасплавленном виде .

Титанат диспрозия проходил оценку для использования в стержнях управления водой под давлением. Титанат диспрозия является перспективной заменой сплавов Ag-In-Cd, поскольку он имеет гораздо более высокую температуру плавления, не склонен вступать в реакцию с плакирующими материалами, прост в производстве, не образует радиоактивных отходов, не набухает и не выделяет газы . Он был разработан в России и некоторыми рекомендован для ВВЭР и РБМК . реакторов ^[10] Недостатком является меньшее поглощение титана и оксидов, другие элементы, поглощающие нейтроны, не вступают в реакцию с уже имеющими высокую температуру плавления плакирующими материалами и что простое использование неразделенного содержания диспрозия внутри минералов, таких как Keiviit Yb, внутри трубок из хрома, SiC или c11B15N обеспечивает превосходные результаты. цена и впитываемость без набухания и газовыделения.

Диборид гафния — еще один такой материал. Его можно использовать отдельно или в спеченной смеси порошков карбида гафния и бора. ^[11]

Можно использовать многие другие соединения редкоземельных элементов, например самарий с бороподобным европием и борид самария , который уже используется в цветной промышленности. ^[12] Менее поглощающие соединения бора аналогичны титану, но недороги, например молибден Mo ₂ B ₅ . Поскольку все они набухают под действием бора, на практике лучше подходят другие соединения, например карбиды или соединения, содержащие два или более элементов, поглощающих нейтроны, вместе. Важно, что вольфрам и, возможно, другие элементы, такие как тантал , ^[13] имеют почти такие же высокие улавливающие свойства, как и гафний , ^[14] но с противоположным эффектом. Это невозможно объяснить только отражением нейтронов. Очевидным объяснением является то, что резонансные гамма-лучи увеличивают коэффициент деления и воспроизводства вместо увеличения захвата урана и других метастабильных условий, таких как для изотопа. ^{235 м}U , период полураспада которого составляет примерно 26 минут.

Дополнительные средства регулирования реактивности

Другие средства контроля реактивности включают (для PWR) растворимый поглотитель нейтронов ( борная кислота ), добавляемый в теплоноситель реактора, позволяющий полностью извлечь регулирующие стержни во время работы на стационарной мощности, обеспечивая равномерное распределение мощности и потока по всей активной зоне. Эта химическая прокладка , наряду с использованием выгорающих нейтронных поглотителей в топливных таблетках, используется для регулирования долгосрочной реактивности активной зоны. ^[15] в то время как стержни управления используются для быстрого изменения мощности реактора (например, остановки и запуска). Операторы BWR используют поток теплоносителя через активную зону для управления реактивностью путем изменения скорости работы рециркуляционных насосов реактора (увеличение расхода теплоносителя через активную зону улучшает удаление пузырьков пара, тем самым увеличивается плотность теплоносителя/ замедлителя , увеличивается мощность ).

Безопасность

В большинстве конструкций реакторов в целях безопасности стержни управления крепятся к подъемному механизму с помощью электромагнитов , а не прямой механической связи. Это означает, что в случае отключения электроэнергии или при ручном срабатывании из-за отказа подъемного оборудования стержни управления автоматически под действием силы тяжести падают в сваю, чтобы остановить реакцию. Заметным исключением из этого безотказного режима работы является BWR, который требует гидравлического включения в случае аварийного отключения с использованием воды из специального резервуара под высоким давлением. Быстрая остановка реактора таким способом называется аварийным остановом .

Предотвращение аварий критичности

Неправильное управление или отказ стержня управления часто обвиняют в ядерных авариях , включая взрыв SL-1 и чернобыльскую катастрофу . Гомогенные поглотители нейтронов часто используются для ликвидации аварий с критичностью , связанных с водными растворами делящихся металлов . В нескольких таких авариях либо бура ( натрия борат в систему добавлялась ), либо соединение кадмия. Кадмий можно добавлять в виде металла в азотнокислые растворы делящегося материала; коррозия кадмия в кислоте приведет к образованию нитрата кадмия на месте .

В реакторах с углекислым газом , таких как AGR , если твердые стержни управления не могут остановить ядерную реакцию, газообразный азот может быть введен в первый контур теплоносителя. Это связано с тем, что азот имеет большее сечение поглощения нейтронов, чем углерод или кислород ; следовательно, ядро становится менее реактивным.

По мере увеличения энергии нейтронов нейтронное сечение большинства изотопов уменьшается. Изотоп бора ¹⁰B отвечает за большую часть поглощения нейтронов. Борсодержащие материалы также можно использовать в качестве нейтронной защиты, чтобы уменьшить активацию материала вблизи активной зоны реактора.

См. также

Примечания

^ ограничено для использования только в исследовательских реакторах из-за повышенного набухания гелия и лития из-за поглощения нейтронов бора в (n, альфа)-реакции.
^ введен в замедлитель D ₂ O реактора Advanced CANDU.

Ссылки

^ данные по иттербию (n.gamma) в японской или российской базе данных.
^ Сайрам К., Вишванад Б., Сонбер Дж.К. и др. Конкуренция уплотнения и развития микроструктуры при искрово-плазменном спекании B4C–Eu2O3. J Am Ceram Soc. 2017;00:1–11. https://doi.org/10.1111/jace.15376
^ Энтони Монтерроса; Анага Айенгар; Алан Хьюн; Чанддип Мадаан (2012). «Использование и контроль бора в реакторах PWR и FHR» (PDF) .
^ Харви М. Бак, Марк А. Купер, Петр Черни, Джоэл Д. Грайс, Фрэнк К. Хоторн: Xenotime-(Yb), YbPO ₄ , новый минеральный вид из группы пегматитов озера Шатфорд, юго-восток Манитобы, Канада. В: Канадский минералог. 1999, 37, S. 1303–1306 ( Реферат в журнале American Mineralogist, S. 1324 ; PDF
^ А.В. Волошин, Я. А. Пахомовский, Ф. Н. Тюшева: Кейвиит Yb ₂ Si ₂ O ₇ , Новый силикат иттербия из амазонитовых пегматитов Кольского полуострова. В: Минералог. Журнал. 1983, 5-5, S. 94–99 ( Реферат в журнале American Mineralogist, S. 1191 ; PDF; 853 КБ).
^ Баушер, БР; Дженкинс, РА; Николс, Алабама; Роу, Северная Каролина; Симпсон, Дж. А. Х. (1 января 1986 г.). Поведение серебряно-индий-кадмиевых регулирующих стержней при тяжелой аварии на реакторе (Технический отчет). Учреждение по атомной энергии UKAEA.
^ «КОНТРОЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ» . web.mit.edu . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 2 июня 2015 г.
^ «Контрольные материалы» . Web.mit.edu. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 14 августа 2010 г.
^ «Сплавы гафния как поглотители нейтронов» . Бесплатные патенты онлайн . Архивировано из оригинала 12 октября 2008 года . Проверено 25 сентября 2008 г.
^ «Диспрозий (Z=66)» . Веб-форум Everything-Science.com . Проверено 25 сентября 2008 г.
^ «Способ изготовления материала-поглотителя нейтронов» . Бесплатные патенты онлайн . Проверено 25 сентября 2008 г.
^ «Краски для печати, поглощающие инфракрасное излучение – документ DE102008049595А1» . Патент-de.com. 30 сентября 2008 г. Проверено 22 апреля 2014 г.
^ «Сигма-графики» . Nndc.bnl.gov . Проверено 22 апреля 2014 г.
^ «Обзор таблицы Менделеева Сигмы» . Nndc.bnl.gov. 25 января 2007 г. Проверено 22 апреля 2014 г.
^ «Обогащенная борная кислота для водо-водяных реакторов» (PDF) . Корпорация ИглПичер . Архивировано из оригинала (PDF) 29 ноября 2007 г. Проверено 25 сентября 2008 г.

Внешние ссылки

Дальнейшее чтение

Пауэрс, Д.А. (1 августа 1985 г.). Поведение стержней СУЗ при деградации активной зоны: наддув серебряно-индий-кадмиевых стержней (Технический отчет). Управление научной и технической информации Министерства энергетики США . ОСТИ 6332291 .
Петти, Д.А. (1 марта 1987 г.). Поведение серебряно-индий-кадмиевых регулирующих стержней и образование аэрозолей при тяжелых авариях реакторов (Технический отчет). Управление научной и технической информации Министерства энергетики США. ОСТИ 6380030 .
Штайнбрюк, М.; Стегмайер, У. (6 мая 2010 г.). «Эксперименты по разрушению серебряно-индий-кадмиевых стержней регулирования при тяжелых авариях» . Технологический институт Карлсруэ . Проверено 29 мая 2017 г.

[2] ограничено для использования только в исследовательских реакторах из-за повышенного набухания гелия и лития из-за поглощения нейтронов бора в (n, альфа)-реакции.

[3] введен в замедлитель D ₂ O реактора Advanced CANDU.

[1] данные по иттербию (n.gamma) в японской или российской базе данных.

[4] Сайрам К., Вишванад Б., Сонбер Дж.К. и др. Конкуренция уплотнения и развития микроструктуры при искрово-плазменном спекании B4C–Eu2O3. J Am Ceram Soc. 2017;00:1–11. https://doi.org/10.1111/jace.15376

[5] Энтони Монтерроса; Анага Айенгар; Алан Хьюн; Чанддип Мадаан (2012). «Использование и контроль бора в реакторах PWR и FHR» (PDF) .

[6] Харви М. Бак, Марк А. Купер, Петр Черни, Джоэл Д. Грайс, Фрэнк К. Хоторн: Xenotime-(Yb), YbPO ₄ , новый минеральный вид из группы пегматитов озера Шатфорд, юго-восток Манитобы, Канада. В: Канадский минералог. 1999, 37, S. 1303–1306 ( Реферат в журнале American Mineralogist, S. 1324 ; PDF

[7] А.В. Волошин, Я. А. Пахомовский, Ф. Н. Тюшева: Кейвиит Yb ₂ Si ₂ O ₇ , Новый силикат иттербия из амазонитовых пегматитов Кольского полуострова. В: Минералог. Журнал. 1983, 5-5, S. 94–99 ( Реферат в журнале American Mineralogist, S. 1191 ; PDF; 853 КБ).

[8] Баушер, БР; Дженкинс, РА; Николс, Алабама; Роу, Северная Каролина; Симпсон, Дж. А. Х. (1 января 1986 г.). Поведение серебряно-индий-кадмиевых регулирующих стержней при тяжелой аварии на реакторе (Технический отчет). Учреждение по атомной энергии UKAEA.

[9] «КОНТРОЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ» . web.mit.edu . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 2 июня 2015 г.

[10] «Контрольные материалы» . Web.mit.edu. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 14 августа 2010 г.

[PATENT1-11] «Сплавы гафния как поглотители нейтронов» . Бесплатные патенты онлайн . Архивировано из оригинала 12 октября 2008 года . Проверено 25 сентября 2008 г.

[DYSP-12] «Диспрозий (Z=66)» . Веб-форум Everything-Science.com . Проверено 25 сентября 2008 г.

[PATENT2-13] «Способ изготовления материала-поглотителя нейтронов» . Бесплатные патенты онлайн . Проверено 25 сентября 2008 г.

[14] «Краски для печати, поглощающие инфракрасное излучение – документ DE102008049595А1» . Патент-de.com. 30 сентября 2008 г. Проверено 22 апреля 2014 г.

[15] «Сигма-графики» . Nndc.bnl.gov . Проверено 22 апреля 2014 г.

[16] «Обзор таблицы Менделеева Сигмы» . Nndc.bnl.gov. 25 января 2007 г. Проверено 22 апреля 2014 г.

[EAGLE-17] «Обогащенная борная кислота для водо-водяных реакторов» (PDF) . Корпорация ИглПичер . Архивировано из оригинала (PDF) 29 ноября 2007 г. Проверено 25 сентября 2008 г.

[1]

[а]

[б]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]