Определение энергетического ядерного реактора. Классификация ядерных реакторов.

● без замедлителя;

● графит;

● лёгкая вода;

● тяжёлая вода.

5) По количеству контуров:

7) По способу организации движения теплоносителя:

● корпусные;

● канальные.

1. Критическое, надкритическое, подкритическое состояния реактора. Критическая масса.

При k_эф > 1состояние реактора называют надкритическим (δk_эф > 0). При k_эф < 1 состояние реактора называют подкритическим (δk_эф<0). Значению k_эф=0 соответствует критическое состояние реактора (δk_эф = 0).

Состоянию реактора с максимально возможной надкритичностью соответствует состояние с максимальным коэффициентом размножения (k_эф^полн), иначе говоря – состояние со всеми полностью извлеченными из активной зоны реактора поглотителями. При этом запас надкритичности составляет: Dk_эф= k_эф^полн -1.

Чаще состояние ядерного реактора (ЯР) характеризуют реактивностью – относительным отклонением k_эф от единицы:

что физически представляет собой долю изменения количества нейтронов (делений) в новом поколении по отношению ко всем нейтронам (делениям) этого поколения.

Следует различать «реактивность» и «запас реактивности». Реактивность r – степень отклонения реактора от критического состояния (т.к. k_эф»1, то r»dk_эф). Запас реактивности r_зап – максимально возможная реактивность при полностью извлеченных из активной зоны реактора поглотителях: r_зап=Dk_эф/ k_эф^полн.

Минимальное количество топлива определенной конфигурации и состава, в котором k_эф=1 (r=0),называют критической массой, а соответствующие размеры размножающей среды – критическими размерами.

2. Уравнение баланса тепловых нейтронов. Эффективный коэффициент размножения нейтронов.

Вывод уравнения баланса в диффузионном одногрупповом приближении. Рассмотрим замкнутый объём V. Пусть скорость нейтронов – v, концентрация – N, поток – Ф. (Ф(r, t) = v·N(r, t))

Скорость изменения:

Источник нейтронов:

Слагаемое поглощения:

Утечка из объёма:

, где J – суммарный ток нейтронов.

Тогда уравнение примет вид:

Применив закон Фика (J = –D∇Ф ) получим:

Для установления самоподдерживающейся цепной реакции необходимо, чтобы по крайней мере один нейтрон, образованный в каждом делении, вызывал другое деление. Это условие легко выразить в терминах коэффициента размножения. Размножающие свойства среды бесконечных размеров (утечка отсутствует) характеризуется величиной k_∞ - коэффициентом размножения в неограниченной протяженной однородной мультиплицирующей среде. Коэффициент размножения определяется как отношение числа нейтронов одного поколения к числу нейтронов предыдущего поколения:

k_∞=N₁/N_o.

Другое определение k_∞ - отношение скоростей генерации и поглощения нейтронов:

Для реакторов, в которых основная часть делений осуществляется на тепловых нейтронах, выражение для k_∞ значительно упрощается:

где ν^T_f, Σ^T_f, Σ^T_a – число нейтронов, образующихся в одном акте деления, макроскопические сечения деления и поглощения для тепловых нейтронов, соответственно.

Реальный реактор имеет конечные размеры, поэтому его размножающие свойства характеризующие эффективным коэффициентом размножения нейтронов k_∞, который равен отношению скорости образования нейтронов к сумме скоростей поглощения нейтронов. В символическом реакторе бесконечных размеров утечки нейтронов нет, поэтому k_эф = k_∞. Для реального стационарно работающего реактора с установившимся потоком нейтронов должно выполняться условие критичности: k_эф = 1. Если это условие в реакторе не выполняется, то плотность нейтронов изменяется во времени: при k_эф >1возрастает, а при k_эф < 1 уменьшается. Очевидно что относительная утечка нейтронов тем больше, чем меньше геометрические размеры реактора. Действительно, утечка нейтронов пропорциональна площади поверхности реактора S, а рождение – его объему V. Отношение S/V, например для шара равно 3/R, т.е. относительная утечка тем меньше, чем больше радиус. Размеры при которых k_эф становится равным 1 и начинается самоподдерживающаяся цепная реакция, называются критическими. Любой реактор, работающий в стационарном режиме, имеет k_эф = 1, при этом если размеры реактора превышают критические, в него вводят добавочные поглотители, уменьшающие k_∞ и поддерживающие стационарное состояние.

Коэффициент размножения в бесконечной среде не может в полной мере описывать жизненный цикл нейтронов в реакторе, поскольку не учитывает их утечку. В реальном ректоре утечка нейтронов играет большую роль в нейтронном балансе. Поэтому, для реактора конечных размеров вводится эффективный коэффициент размножения

k_эф = k_∞P

где P – вероятность нейтрону избежать утечки

здесь R_погл, R_ут, - интегральные по энергии и объему скорости поглощения и утечки соответственно.

3. Виды ядерных реакций. Сечения реакций. Микроскопические и макроскопические сечения. Физический смысл. Зависимость сечений от энергии.

Ядерные реакции, важные для работы ядерных реакторов: деление, радиационный захват, рассеяние.

Под «рассеянием» понимают ядерную реакцию, при которой после столкновения нейтрона с ядром, в конечном состоянии остается нейтрон и ядро.

Существует два типа рассеяния: упругое и неупругое. При упругом рассеянии нейтронам не передается энергия на возбуждение ядра. В системе «нейтрон-ядро» сохраняется кинетическая энергия и импульс. Т.е. ядро–мишень приобретает энергию, которую теряет в соударении нейтрон.

Упругое рассеяние может реализоваться двумя способами. В одном из них нейтрон захватывает ядро, при этом образовывается составное (компаунд) ядро. Затем ядро испускает нейтрон таким образом, что полная кинетическая энергия системы нейрон-ядро сохраняется, а ядро возвращается в основное состояние. Это так называемое резонансное упругое рассеяние. Энергетическая зависимость сечения резонансного рассеяния имеет характер σ_r ~1/

Другой способ, называемый потенциальным упругим рассеянием, представляет собой классическое рассеяния двух абсолютно упругих шаров.

Сечения потенциального рассеяния σ_p практически не зависит от энергии и в первом приближении определяется выражением

σ_p = 4πR²

где R - радиус ядра.

Упругое рассеяние нейтронов имеет огромное значение в физике ядерных реакторах, поскольку является основным процессом, приводящим к замедлению нейтронов.

Поглощение нейтронов в реакторе при их взаимодействии с веществом происходят в результате их поглощения ядром. Рассмотрим два канала ядерных реакций поглощения:

1. радиационный захват;

2. образование заряженных частиц.

В случае радиационного захвата ядро поглощает налетающий нейтрон и испускает γ-квант. Как правило, остаточное ядро неустойчиво и испытывает β^- -распад:

n + A → (A + 1, Z)^* → (A + 1, Z) + γ

(A + 1,Z) → (A + 1, Z + 1) + e^– + ν^~_e

Сечение радиационного захвата обозначается – σ_с.

Механизм реакции с образованием заряженных частиц тот же, что и в неупругом рассеянии. В результате захвата нейтрона ядром образуется сильно возбужденное компаунд-ядро. Снятие возбуждения происходит путем испускания протона (p) или α-частицы:

n + A → (A + 1, Z)^* → (A, Z – 1) + p

n + A → (A + 1, Z) → (A – 3, Z – 2) + ₂⁴He

После испускания заряженной частицы, ядро может оставаться либо в основном, либо в возбужденном состоянии. В последнем случае остаточное возбуждение снимается испусканием γ-кванта.