Роль графита в исторических и современных применениях нейтронной модерации

Роль графита в нейтронной умеренности: историческая и современная перспектива

Графит был основополагающим материалом в ядерной технологии с самых ранних экспериментов с контролируемым делением. Его способность замедлять или умеренно быстрое деление нейтронов при поглощении очень немногих из них сделала его первым выбором для физиков, мчащихся, чтобы построить самоподдерживающуюся цепную реакцию. Сегодня графит продолжает появляться в продвинутых конструкциях реакторов, от высокотемпературных реакторов газового охлаждения до модульных концепций гальки. Понимание того, как графит работает как модератор, почему он был выбран по сравнению с другими материалами, и как он изготовлен для современных применений, раскрывает длительную историю ядерной инженерии.

Что такое нейтронная умеренность?

Ядерное деление в таких видах топлива, как уран-235, высвобождает нейтроны на высоких скоростях — около 20 000 километров в секунду, что эквивалентно кинетической энергии в диапазоне мегаэлектронвольт. Эти быстрые нейтроны не очень эффективны в делении в большинстве ядерных топлив. Вероятность деления (поперечное сечение деления) намного выше для медленного, или термического , нейтронов, движущихся со скоростью примерно 2,2 километра в секунду (0,025 эВ). Нейтронная умеренность — это процесс снижения кинетической энергии быстрых нейтронов до тепловых энергий посредством упругих и неупругих столкновений с модератором материала.

Идеальный модератор имеет низкую атомную массу (поэтому каждое столкновение передает больше энергии), высокое поперечное сечение рассеяния (поэтому столкновения часты), и низкое поперечное сечение поглощения (поэтому нейтроны не захватываются бесполезно). Он также должен быть стабильным при излучении и при высоких температурах. Графит прекрасно соответствует этим критериям: его атомы углерода достаточно легки, чтобы эффективно замедлять нейтроны (хотя и не так эффективно, как водород), и его ядерные свойства - особенно очень низкое поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов 0,0035 амбаров - делают его одним из лучших модераторов.

Историческое развитие графита как модератора

Рассвет атомной эры: Чикаго Пайл-1

В 1942 году под руководством Энрико Ферми и Лео Силарда команда Чикагского университета построила первый в мире искусственный ядерный реактор Chicago Pile-1 (CP-1). Они выбрали графит в качестве модератора, потому что это был единственный материал, доступный в достаточном количестве и чистоте. Сваи состояли из решетки из природных урановых топливных комков, встроенных в большой куб графитовых блоков. Около 45 000 графитовых блоков были уложены вручную, весом в общей сложности 360 тонн. Графит замедлял нейтроны, испускаемые ураном, что позволило 2 декабря 1942 года достичь самоподдерживающейся цепной реакции.

Производительность графита в CP-1 была настолько удовлетворительной, что он стал модератором выбора для следующего поколения производственных реакторов. На Хэнфордском полигоне в Вашингтоне использовались графит-модерированные реакторы с водяным охлаждением для производства плутония для Манхэттенского проекта. Каждый реактор Хэнфорда содержал сотни тонн ультрачистого графита , обработанные в точно сформированные блоки и уложенные с тщательным выравниванием для обеспечения равномерного потока нейтронов.

Советские реакторы РБМК

Наиболее известным графит-модерируемым энергетическим реактором является советский РБМК (реактор Большой Мошнности Канальный, или «Реактор высокого канала-типа»). В этих реакторах в качестве модератора использовались графитовые блоки и легкая вода в качестве охлаждающей жидкости — комбинация, которая сделала их уникальными. Графитовый стек был примерно 7 метров в диаметре и 7 метров в высоту, содержащий около 1700 тонн графита. Конструкция РБМК страдала от положительного коэффициента пустоты, а это означает, что если вода варилась в пар (который смягчается менее эффективно, чем жидкая вода), реактор мог испытывать скачок мощности. Эта нестабильность в сочетании с графитовыми штангами управления, которые первоначально перемещали воду, а не вставляли поглотитель, непосредственно способствовала Чернобыльской катастрофе в 1986 году.

Чернобыльская авария привела к тщательной переоценке графит-модерированных реакторов во всем мире. Однако важно различать специфические конструктивные недостатки РБМК и присущие графиту свойства в качестве модератора. Другие графит-модерированные конструкции, такие как усовершенствованные газоохлажденные реакторы Великобритании (AGR), работали безопасно в течение десятилетий.

Магнокс и усовершенствованные газоохлажденные реакторы

В Великобритании графитовая модерация была принята на первом поколении атомных электростанций страны — реакторах Magnox. В качестве охлаждающей жидкости использовались природное урановое топливо, облицовка магниевым сплавом и газообразный углекислый газ. Графитовый модератор был необходим для достижения критической массы с природным ураном, что требует очень эффективного модератора из-за низкого обогащения (0,7% U-235). Позже усовершенствованные газоохлажденные реакторы (AGR) улучшили Magnox за счет использования слегка обогащенного урана и более высоких рабочих температур, но сохранили графитовую модерацию. Графитовое ядро AGR состоит из больших блокирующих кирпичей, которые рассчитаны на весь срок службы реактора (обычно 40–60 лет). Размерная стабильность графита при облучении нейтронами является ключевым фактором в этих конструкциях.

Современные графит-модерируемые реакторы

Высокотемпературные газоохлажденные реакторы (HTGR)

Сегодня наиболее значимое современное применение графита в качестве модератора — в высокотемпературных газоохлажденных реакторах (ГТГР). Эти реакторы работают при температурах до 950°С, намного выше обычных легководных реакторов (около 3000°С). Графит — единственный практичный модератор, способный выдерживать такие температуры без плавления или разложения. Ядро ГТГР состоит из графитовых блоков или гальки (сферических топливных элементов) из графита.

В реакторах с гиблой кроватью тысячи графитовых сфер размером с теннисный мяч содержат встраиваемые частицы топлива. Графит действует как модератор, так и структурная матрица, замедляя нейтроны и обеспечивая высокую теплопроводность. Очень высокая температура позволяет обеспечить высокую тепловую эффективность (до 48%) и позволяет использовать процесс нагрева, такой как производство водорода, газификация угля и производство синтетического топлива. Во всем мире разрабатываются несколько конструкций HTGR, в том числе китайский HTR-PM, который достиг критичности в 2021 году, и различные проекты в США (например, X-100 X-energy) с использованием частиц топлива TRISO в графитовых компактах.

Модульные реакторы (AMR) и графит

Многие малые модульные реакторы (ММР) и усовершенствованные конструкции реакторов включают графит. Некоторые реакторы с расплавленной солью (МСР) используют графит в качестве модератора, поскольку он химически совместим с расплавленными фторидными солями. Графит служит для медленных нейтронов, а также обеспечивает каналы для потока топливной соли. Эти конструкции полагаются на высокую термоударостойкость и низкую пористость современного графита.

Графит также появляется в основных структурах некоторых быстрых реакторов с натриевым охлаждением, хотя в этих случаях он не действует как модератор (быстрые реакторы намеренно избегают модерации).

Применение термоядерного реактора

Хотя графит не является непосредственно модератором деления, он также используется в исследованиях слияний в качестве материала, обращенного к плазме, особенно в Совместном европейском торе (JET) и Международном термоядерном экспериментальном реакторе (ITER), из-за его низкого атомного номера и высокой теплопроводности.

Производство и свойства графита ядерной марки

Не весь графит подходит для ядерных реакторов. Графит ядерного класса должен соответствовать строгим спецификациям: высокая чистота (борон и другие примеси, поглощающие нейтроны, должны быть ниже 1 части на миллион), высокая плотность (1,7-1,9 г/см3), изотропные механические свойства и тщательно контролируемая пористость. Процесс производства начинается с нефтяного кокса и каменноугольной смолы, которые смешиваются, формовываются или экструдируются, запекаются при температуре около 1000°С, а затем графитируются при температурах, превышающих 2800°С. Несколько циклов пропитки с шагом и повторного запекания увеличивают плотность.

Конечный продукт имеет кристаллическую структуру атомов углерода, расположенных в шестиугольных слоях. При нейтронном облучении графит претерпевает изменения: сначала решетка слегка набухает, затем сжимается и в конечном итоге снова набухает при очень высоких флюенсах. Изменения размеров должны быть точно предсказаны, чтобы гарантировать, что ядро реактора остается нетронутым в течение срока его проектирования. Энергия Вигнера — накопление дефектов решетки из-за нейтронной бомбардировки — может вызвать спонтанное высвобождение энергии, если не управлять. (Виндскейл-пожар в Великобритании в 1957 году частично был связан с высвобождением накопленной энергии Вигнера во время операции отжига.) Современные графитовые сорта сформулированы для ограничения хранения энергии Вигнера.

Сравнение с другими модераторами

Графит является одним из нескольких модераторов, используемых в ядерных реакторах. В таблице ниже приводятся основные различия:

Графит имеет самый высокий диапазон температур среди всех твердых модераторов, поэтому он необходим для высокотемпературных реакторов. Его мощность замедления ниже, чем у воды или тяжелой воды - это означает, что для достижения такой же умеренности требуется больше графита - но его низкое поперечное сечение позволяет лучше экономить нейтроны, особенно при использовании природного или слегка обогащенного урана. Тяжелая вода имеет самое низкое поглощение, что позволяет реакторам с природным ураном, таким как CANDU, но тяжелая вода дорогая для производства и обработки.

Преимущества и проблемы умеренности графита

Преимущества

• Высокая термостойкость: Графит сохраняет свою механическую целостность при температурах выше 1000°С, что позволяет высокоэффективно работать и обрабатывать тепловые приложения.
• Низкое поглощение нейтронов: Очень малый поперечный сечение захвата означает, что для деления доступно больше нейтронов, что позволяет использовать топливо с более низким обогащением или природный уран.
• Отличная теплопроводность: Помогает рассеивать тепло от топлива, особенно в конструкциях с газовым охлаждением, где теплообмен зависит от конвекции и проводимости.
• Химическая совместимость: Графит инертен для многих охлаждающих веществ, включая CO2, гелий и расплавленные соли (при надлежащих условиях).
• Хорошее отношение модерации нейтронов: Отношение мощности замедления к поперечному сечению поглощения благоприятно, особенно при высоких температурах.

Проблемы и соображения безопасности

• Энергия зажигателя: Облученный графит может накапливать накопленную энергию, которая при неконтролируемом высвобождении может вызвать температурные экскурсии.
• Окисление: Графит реагирует с кислородом при высоких температурах. При попадании воздуха графитовое ядро может гореть. Реакторы спроектированы с инертными газовыми атмосферами или защитными системами.
• Повреждение от излучения: Нейтронная бомбардировка вызывает изменения размеров, растрескивание и изменения теплопроводности. Для продления жизни существующих СМА требуется постоянный мониторинг и моделирование.
• Примеси: Элементы следа, такие как бор, литий и кадмий, могут поглощать нейтроны, снижая реактивность. Производство должно поддерживать очень высокую чистоту.
• Управление отходами: После вывода из эксплуатации реактора необходимо утилизировать большие объемы облученного графита (часто миллионы тонн). Графит радиоактивный из-за продуктов активации (углерод-14, хлор-36 и т. д.) Варианты утилизации включают глубокие геологические хранилища или сжигание/сокращение объема.

Будущее графита в ядерных технологиях

Достижения в производстве графита открывают новые возможности. Изотропный графит, который имеет однородные свойства во всех направлениях, позволяет более точные конструкции ядра. Графитовые композиционные материалы с керамическими покрытиями исследуются для снижения риска окисления. Разработка гибких HTGRs напрямую зависит от высококачественных графитовых сфер, которые могут пережить миллионы циклов теплового и радиационного воздействия.

Несколько концепций реакторов IV поколения полагаются на графит. Очень высокотемпературный реактор (VHTR) , который направлен на температуру выхода выше 1000°C, использует графит как модератор и конструкционный материал. Реактор расплавленной соли (MSR) часто включает ядро модератора графита. Даже некоторые конструкции быстрого реактора могут использовать графитовые отражатели. Долгий срок эксплуатации (до 80 лет), запланированный для этих реакторов, требует еще лучшего понимания старения графита при облучении.

Исследования графена ядерного класса и и углеродных нанотрубок для применения в реакторах находятся в зачаточном состоянии, но обладают потенциалом для компонентов с исключительной прочностью и тепловыми свойствами. Однако сам графит остается материалом рабочей лошадки для модерации нейтронов в высокотемпературных реакторах деления.