Роль нейтронных модераторов в контроле ядерных цепных реакций

Общие модераторы материалов

Лишь горстка материалов отвечает строгим требованиям к нейтронному модератору: низкая атомная масса, низкое поперечное сечение поглощения нейтронов, высокое поперечное сечение рассеяния, химическая и тепловая стабильность и доступность. Три наиболее широко используемых модератора описаны ниже.

Светлая вода (H2O)

Светлая вода является наиболее распространенным модератором, используемым в реакторах с водой под давлением (PWR) и реакторах с кипящей водой (BWR), на которые в совокупности приходится большинство мировых атомных электростанций. Его преимущества включают низкую стоимость, высокую эффективность модерации и одновременное использование в качестве охлаждающей жидкости. Однако обычный водород имеет относительно высокое поперечное сечение поглощения для тепловых нейтронов (0,32 амбара), что требует обогащения уранового топлива до примерно 3-5% U-235. Поглощение нейтронов водой также способствует отрицательному коэффициенту пустоты - ключевой функции безопасности - но он ограничивает нейтронную экономию. Легкие модераторы воды обычно работают при высоком давлении (около 150 атм в PWR), чтобы поддерживать воду в жидкой форме при повышенных температурах.

Тяжелая вода (D2O)

Тяжелая вода (оксид дейтерия) заменяет обычный водород дейтерием, изотоп водорода с одним нейтроном. Дейтерий имеет гораздо более низкое поперечное сечение поглощения (0,0005 амбаров), чем водород, что позволяет тяжелой воде быть высокоэффективным модератором с минимальными потерями нейтронов. Это позволяет использовать природный уран (0,7% U-235) в качестве топлива, устраняя необходимость обогащения. Наиболее ярким примером является реактор CANDU (Canada Deuterium Uranium), который использует отдельные модератор тяжелой воды и системы охлаждающей жидкости. Тяжелая вода является дорогостоящей для производства (требует изотопного отделения от обычной воды), но экономия затрат на топливо может быть существенной. Высокое модерационное соотношение тяжелой воды также позволяет более компактное ядро для заданной мощности по сравнению с графит-модерированными конструкциями.

Графит (углерод)

Графит использовался с самых ранних искусственных ядерных реакторов — Чикагский Пиле-1 Энрико Ферми (1942) полагался на кучу графитовых блоков в качестве модератора. Графит имеет низкую атомную массу (12), низкое поперечное сечение поглощения (0,0035 амбаров для природного углерода) и отличную термостойкость. Это модератор выбора в реакторах RBMK (тип, участвующий в Чернобыльской аварии), реакторах с газовым охлаждением Magnox и AGR, а также некоторые передовые реакторы с газовым охлаждением высокой температуры (HTGR). Графитовые модераторы также используются в некоторых исследовательских реакторах и расплавленных соляных реакторах. Поскольку графит собирает энергию из нейтронов менее эффективно, чем водород или дейтерий, требуется больший физический объем, что приводит к более крупным ядрам реактора. Графит также подвержен окислению в воздухе при высоких температурах и может накапливать накопленную энергию (энергия Вигнера), что, если быстро высвобождается, представляет опасность

Другие модераторы материалов

Beryllium (Be) предлагает отличное соотношение модераторов, но является дорогостоящим и токсичным, ограничивая его использование некоторыми исследовательскими реакторами и космическими ядерными системами. Оксид бериллия (BeO) также используется в некоторых нишевых приложениях. Гидрид циркония (ZrH) используется в качестве комбинированного модератора и топливной матрицы в исследовательских реакторах TRIGA, обеспечивая неотъемлемую безопасность из-за его сильного отрицательного температурного коэффициента. Расплавленные соли, содержащие легкие ядра (например, LiF-BeF2), могут выступать как носитель топлива, так и модератор в реакторах на расплавленной соли (MSRs). Наконец, органические жидкости , такие как терфенилы, были протестированы,

Критерии выбора модератора

Выбор модератора для реактора включает в себя балансирование нескольких факторов:

• Механизм замедления — средняя потеря логарифмической энергии на единицу длины пути (ξ Σs). Более высокие значения означают меньшее количество столкновений.
• Умеренное соотношение — мощность замедления, деленная на макроскопическое поперечное сечение поглощения (ξ Σs/Σa). Высокое соотношение означает, что больше нейтронов выживают до тепловых энергий.
• Нейтронное поперечное сечение поглощения — материалы, поглощающие слишком много нейтронов, делают реактор неэффективным или требуют обогащенного топлива.
• Совместимость с охлаждающими веществами — во многих конструкциях модератор также служит в качестве охлаждающей жидкости (например, легкой воды); в других они являются отдельными (например, CANDU, реакторы с газовым охлаждением).
• Стоимость и доступность — легкая вода дешева; тяжелая вода и бериллий дороги; графит умеренный, но требует больших объемов.
• Стабильность излучения — модератор не должен быстро разрушаться при облучении нейтронами. Графит подвергается изменениям размеров (эффект Вигнера); вода может подвергаться радиолизу (расщеплению на водород и кислород), требуя систем рекомбинации.
• Характеристики безопасности — модератор должен способствовать отрицательной температуре или коэффициенту пустоты, помогая реактору замедляться или выключаться при увеличении мощности.

Эти соображения объясняют, почему легкая вода доминирует в коммерческих реакторах, несмотря на ее более высокое поглощение: она дешева, легко доступна и служит двойной обязанностью в качестве охлаждающей жидкости, что упрощает общую систему. Тяжелая вода используется там, где обогащение топлива нежелательно. Графит остается важным для газового охлаждения и высокотемпературных конструкций.

Модератор в дизайне реактора

Роль модератора значительно варьируется между типами реакторов. Ниже приводится краткое описание того, как модераторы интегрируются в основные семейства реакторов.

Реакторы воды под давлением (PWR) и кипящие реакторы воды (BWR)

Оба являются реакторы легкой воды (LWRs). В PWR модератор воды/охладитель удерживается под высоким давлением (около 15,5 МПа) для предотвращения кипения в ядре; тепло передается через парогенератор. В BWR воде разрешается кипеть в ядре, производя пар непосредственно для турбин. Модератор в обеих конструкциях представляет собой ту же воду, которая уносит тепло. Отрицательный температурный коэффициент воды (поскольку вода нагревается, она становится менее плотной, поэтому умеренность уменьшается) обеспечивает неотъемлемую обратную связь безопасности: если мощность реактора повышается, температура модератора повышается, снижается реакционная способность и стабилизируется ядро. Коэффициент пустоты в BWRs еще сильнее отрицателен из-за пузырьков пара.

Реакторы CANDU

Реакторы CANDU используют тяжелую воду как модератор и охлаждающую жидкость, но в отдельных системах. Модератор находится в большом резервуаре (каландрии), который окружает топливные каналы и поддерживается при низкой температуре и давлении. Тяжелая вода охлаждающей жидкости течет через трубки давления, содержащие топливо, работая при более высокой температуре и давлении. Это разделение позволяет модератору оставаться прохладным и плотным, обеспечивая эффективную модерацию даже при нагревании охлаждающей жидкости. Возможность использования природного уранового топлива делает реакторы CANDU гибкими и менее зависимыми от установок обогащения.

РБМК и газоохлажденные реакторы

Реакторы RBMK (советская конструкция) используют графит в качестве модератора и легкой воды в качестве охлаждающей жидкости. Графитовые блоки расположены в большом стеке, пронизанном трубками давления, которые содержат топливо и охлаждающую жидкость. Эта конструкция имеет положительный коэффициент пустоты (потому что графит продолжает умеренно охлаждать топливо, даже если вода охлаждает топливо менее эффективно), что способствовало Чернобыльской катастрофе. Современные реакторы с газовым охлаждением, такие как Advanced Gas-cooled Reactor (AGR) также используют графитовую модерацию с охлаждающей жидкостью CO2; высокая тепловая емкость графита позволяет использовать высокие рабочие температуры и высокую тепловую эффективность. Высокотемпературный газоохлаждающий реактор (HTGR) использует графит как модератор и структурный материал, с гелием в качестве охлаждающей жидкости, позволяя температура выхода

Научно-исследовательские и специализированные реакторы

Реакторы TRIGA используют гидрид циркония в качестве модератора, тесно смешанный с урановым топливом в топливных стержнях. Это дает чрезвычайно сильный отрицательный температурный коэффициент: по мере нагревания топлива атомы водорода модератора движутся быстрее и менее эффективны, быстро снижая реактивность. Это делает реакторы TRIGA по своей сути безопасными и популярными для обучения и производства изотопов. Быстрые реакторы работают без модератора (они используют быстрые нейтроны), но некоторые конструкции включают небольшое количество модератора для управления реактивностью или производства определенных изотопов.