Теплообмен в активной зоне реактора

Рассмотрим более подробно источник тепловой энергии АЭС. Как уже говорилось ядерная энергия высвобождается в результате деления ядер. Основным делящимся элементом, в большинстве современных энергетических реакторов, являются ядра урана, а именно изотопа с атомной массой 235 ( 235U. Обычно топливо применяется в виде таблеток UO2 помещенных в металлическую трубку. В реакторе РБМК трубка диаметром 13.5 мм выполнена из циркониевого сплава. Герметично заваренная заглушками трубка, с таблетками топлива называется тепловыделяющим элементом (ТВЭЛ). ТВЭЛы, в работающем реакторе, омываются потоком теплоносителя .

В результате деления, тепловая энергия выделяется в таблетке, которая нагревается. За счет теплопроводности тепловая энергия предается на оболочку. Теплоноситель омывая оболочку снимает тепловую энергию и нагревается, в РБМК теплоноситель частично испаряется.

Как уже упоминалось, при рассмотрении способов теплообмена, чем больше разность температур между горячей и холодной точками, тем больше тепловой поток. Однако температуру нельзя поднимать до бесконечности, максимальная температура таблетки топлива ограничена температурой плавления, для UO2 она составляет приблизительно 1800 град С. Самая горячая точка таблетки находится в ее середине. Для оболочки твэла из циркония, максимальная температура 320-350 град С. При большей температуре его прочностные характеристики ухудшаются (повышается ползучесть). В процессе эксплуатации реактора необходимо не допускать превышение предельных температур, поскольку разрушение ТВЭЛа ведет к выходу сильно радиоактивных продуктов деления в теплоноситель и их разнос по трубопроводам.

Ядерные реакции

Ядерная реакция - это процесс превращения ядер в результате их взаимодействия с элементарными частицами или с другими ядрами.

Первые ядерные реакции происходили при бомбардировки заряженными частицами (ядрами гелия, протонами) различных элементов. При этом, энергия затраченная на разгон налетающих частиц значительно превосходила энергию, полученную в результате реакции. Разгон частиц необходим для преодоления сил электрического сопротивления (положительно заряженное ядро отталкивает положительно заряженные ядра, альфа-частицы и протоны). Если в качестве налетающей частицы использовать нейтрон, который не имеет заряда, то необходимость в разгоне пропадает. Поэтому в настоящие время в ядерных реакторах определяющими реакциями являются ядерные реакции нейтронов с ядрами веществ находящихся в активной зоне. Рассмотрим самые важные из них:

Реакция деления.

Механизм деления, проще всего представить с помощью капельной модели ядра. В каплю “ядерной жидкости” попадает нейтрон. Под действием внесенной энергии в капле возникают колебания формы, от сферической до форы двух грушеобразных частей с перешейком между ними если внесенной неторном энергии достаточно, то перешеек рвется - ядро разваливается на два осколка.

После деления урана, как правило, образуются два осколка с соотношением масс 2 к 3 и несколько нейтронов.

В принципе, если нейтрон обладает достаточно большой энергией, то разделится может любое ядро. В большинстве ядерных реакторов главным делящимся изотопом является изотоп урана 235U. При делении урана образуются два ядра-осколка и два или три нейтрона (в среднем около 2.5 нейтрона на один акт деления). При делении одного ядра выделяется приблизительно 3.15´ 10-13Дж энергии.

Реакция радиационного захвата.

После захвата нейтрона составное ядро может и не испытать деления, излишек энергии сбрасывается путем испускания гамма-квантов. В этом случае говорят о реакции радиационного захвата.

Вследствие этой реакции металлические детали, находящиеся в АЗ активируются. То есть в них образуются новые изотопы, например: ядро железа, захватывая нейтрон, превращается в радиоактивный изотоп. Метало-конструкции после интенсивного облучения нейтронами представляют опасность для персонала.

Реакция рассеяния.

При взаимодействии нейтрона с ядром возможен случай, когда составное ядро не образуется. Происходит столкновение и разлет в разные стороны нейтрона и ядра. В этом случае говорят об упругом рассеянии. Нейтрон, ударившись о ядро, снижает свою скорость и изменяет направление движения, этот процесс называют замедлением.

Чем легче ядро, с которым столкнулся нейтрон, тем больше снижение скорости.

Неупругое рассеяние - это процесс когда, после столкновения с нейтроном, образуется составное ядро, но из него почти мгновенно вылетают нейтрон, и гамма квант. В этом случае кинетическая энергия нейтрона уменьшается на величину энергии гамма кванта и энергии полученной ядром. Нейтрон замедляется.

Условиях, при которых реакция деления будет самоподдерживающееся: для этого необходимо, чтобы хотя бы один из нейтронов, полученный в результате первого акта деления, взывал второй акт деления. Нейтроны, вызвавшие первые акты деления, называют нейтронами первого поколения, вторые - второго поколения.

_

Коэффициент размножения (Кэф) - это отношение количества нейтронов второго поколения к количеству нейтронов первого поколения

При Кэф < 1 реакция деления затухает.

При Кэф = 1 реакция деления происходит на постоянной мощности (нормальный режим работы реактора).

При Кэф > 1 реакция деления разгоняется (увеличение мощности).

Для осуществления преобразования ядерной энергии в электрическую, необходимо поддерживать в реакторе Кэф = 1.

Нейтроны, сталкивающиеся с ядрами обладают различной энергией. В физике ядерного реактора принята единица измерения энергии - мега электрон-вольт [МэВ] 1 МэВ = 1.602 ´ 10-13 Дж (1 МэВ =1 000 000 эВ). В зависимости от энергии принято делить нейтроны на группы:

тепловые - энергия движения которых соизмерима энергией теплового движения среды Е < 0.5 эВ.

замедляющиеся - энергия которых лежит в диапазоне от 0.5 эВ до 2000 эВ.

быстрые - E > 2000 эВ.

Основным топливом в ядерных реакторах является уран.

В результате исследований было установлено, что деление изотопа урана 238U возможно только нейтронами с энергией большей 1 МэВ, но вероятность деления (сечение реакции деления), при таких энергиях в 4 раза меньше чем захвата или рассеяния. Другими словами из 5 нейтронов столкнувшихся с ядром 238U, только 1 вызовет деление. При меньших энергиях возможны только радиационный захват или рассеяние. Причем при энергиях 7 эВ - 200эВ сечение захвата очень сильно возрастает (Резонансный захват). Нейтроны поглощаются без деления и выбывают из цепной реакции.

Для изотопа урана 235U деление возможно нейтронами любых энергий, однако, вероятность деления (сечение реакции деления) для тепловых нейтронов в 100 раз больше чем для быстрых нейтронов c энергией 5 - 6 МэВ.