Стержень управления - Control rod

Узел управляющих стержней для реактора с водой под давлением, над твэлом

Стержни управления используются в ядерные реакторы для контроля скорости деления уран или же плутоний. В их состав входят химические элементы Такие как бор, кадмий, серебро, или же индий, способные поглотить многие нейтроны без самих расщеплений. Эти элементы имеют разные захват нейтронов поперечные сечения для нейтронов различных энергии. Реакторы кипящей воды (BWR), реакторы с водой под давлением (PWR) и тяжеловодные реакторы (HWR) работать с тепловые нейтроны, пока реакторы-размножители работают с быстрыми нейтронами. В каждой конструкции реактора могут использоваться различные материалы регулирующих стержней в зависимости от энергетического спектра нейтронов.

Принцип работы

1943 г. Схема реактора с борными регулирующими стержнями

Управляющие стержни вставляются в активная зона ядерного реактора и скорректирован так, чтобы контроль то ставка из ядерная цепная реакция и, таким образом, тепловая мощность мощность реактора, скорость пар производство, и электричество мощность электростанции.

Количество вставленных стержней управления и расстояние, на которое они вставляются, сильно влияют на реактивность реактора. Когда реактивность (как эффективный коэффициент размножения нейтронов ) больше 1, скорость ядерная цепная реакция увеличивается экспоненциально со временем. Когда реактивность ниже 1, скорость реакции экспоненциально снижается со временем. Когда все регулирующие стержни полностью вставлены, они поддерживают реактивность чуть выше 0, что быстро замедляет работающий реактор до остановки и удерживает его в остановленном состоянии (в неисправность ). Если все регулирующие стержни полностью удалены, реактивность значительно превышает 1, и реактор быстро становится все горячее и горячее, пока какой-либо другой фактор не замедлит скорость реакции. Поддержание постоянной выходной мощности требует поддержания долгосрочного среднего коэффициента размножения нейтронов близким к 1.

Собирают новый реактор с полностью вставленными регулирующими стержнями. Регулирующие стержни частично удалены из активной зоны, что позволяет ядерная цепная реакция для запуска и увеличения до желаемого уровня мощности. Нейтронный поток 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. Чтобы уменьшить выходную мощность, некоторые стержни управления на некоторое время сдвигаются на небольшое расстояние. Несколько других факторов влияют на реактивность; чтобы их компенсировать, автоматическая система управления при необходимости регулирует небольшие количества управляющих стержней. Каждый стержень управления влияет на одну часть реактора больше, чем на другие; Для поддержания одинаковых скоростей реакции и температуры в различных частях активной зоны могут быть выполнены сложные настройки.

Типичный неисправность время для современных реакторов, таких как Европейский реактор под давлением или же Усовершенствованный реактор CANDU составляет 2 секунды для снижения на 90%, ограничено спад тепла.

Управляющие стержни обычно используются в сборках стержней управления (обычно 20 стержней для промышленных сборок PWR) и вставляются в направляющие трубки внутри топливных элементов. Управляющие стержни часто стоят вертикально внутри активной зоны. В PWR они вставляются сверху, а механизмы привода регулирующих стержней устанавливаются на реактор. сосуд под давлением голова. В BWR из-за необходимости установки паровой сушилки над активной зоной эта конструкция требует введения регулирующих стержней снизу.

Материалы

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

К химическим элементам с достаточно высокими сечениями захвата нейтронов относятся: 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 какборсодержащая сталь,[2] сплав серебра, индия и кадмия, карбид бора, диборид циркония, диборид титана, диборид гафния, нитрат гадолиния,[3] титанат гадолиния, титанат диспрозия, композит карбид бора – гексаборид европия.[4]

На выбор материала влияет энергия нейтронов в реакторе, их устойчивость к набухание, вызванное нейтронами, а также требуемые механические свойства и срок службы. Стержни могут иметь форму трубок, заполненных таблетками или порошком, поглощающими нейтроны. Трубки могут быть изготовлены из нержавеющей стали или других материалов «нейтронного окна», таких как цирконий, хром, Карбид кремния, или кубический 11
B15
N (кубический нитрид бора ).[5]

Выгорание "выгорающий яд " изотопы также ограничивает срок службы тяги управления. 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 реакторы с галечным слоем или в возможном новом типе литий-7 -модерированные и -охлаждаемые реакторы, использующие гальку топлива и поглотителя.

Немного редкоземельные элементы являются прекрасными поглотителями нейтронов и реже серебра (запасы около 500 000 т). Например, иттербий (запасы около 1 млн т) и иттрий, В 400 раз более распространены, со средними значениями захвата, могут быть найдены и использованы вместе без разделения внутри минералов, таких как ксенотайм (Yb) (Yb0.40Y0.27Лу0.12Э0.12Dy0.05Тм0.04Хо0.01) PO4,[6] или кейвиит (Yb) (Yb1.43Лу0.23Э0.17Тм0.08Y0.05Dy0.03Хо0.02)2Si2О7, снижая стоимость.[7] Ксенон также является сильным поглотителем нейтронов в качестве газа и может использоваться для управления и (аварийной) остановки гелий -охлаждаемые реакторы, но не работают в случае потери давления, или как газ для защиты от горения вместе с аргон вокруг части емкости, особенно в случае реакторов с улавливанием активной зоны или если они заполнены натрием или литием. Ксенон, произведенный делением, можно использовать после ожидания цезий выпадать в осадок, когда практически не остается радиоактивности. Кобальт-59 также используется в качестве поглотителя для извлечения кобальта-60 из рентгеновский снимок производство. Управляющие стержни также могут быть выполнены в виде толстых поворотных стержней с вольфрам сторона отражателя и поглотителя была повернута до упора пружиной менее чем за 1 секунду.

Сплавы серебра, индия и кадмия, обычно 80% Ag, 15% In и 5% Cd, являются обычным материалом регулирующих стержней для реакторы с водой под давлением.[8] Несколько разные области поглощения энергии материалов делают сплав превосходным поглотитель нейтронов. Он обладает хорошей механической прочностью и легко поддается изготовлению. Он должен быть заключен в нержавеющую сталь, чтобы предотвратить коррозию в горячей воде.[9] Хотя индий менее редок, чем серебро, он дороже.

Бор - еще один распространенный поглотитель нейтронов. Из-за разного сечения 10Группа 11B, материалы, содержащие бор, обогащенный 10B пользователем изотопное разделение часто используются. Широкий спектр поглощения бора также позволяет использовать его в качестве нейтронной защиты. Механические свойства бора в его элементарной форме не подходят, и поэтому вместо него следует использовать сплавы или соединения. Обычно выбирают с высоким содержанием бора стали и карбид бора. Последний используется в качестве материала регулирующих стержней как в PWR, так и в BWR. 10B /11Разделение B осуществляется коммерчески с газовые центрифуги над BF3, но можно сделать и через BH3 из боран производства или непосредственно с помощью оптимизированной плавильной центрифуги, используя тепло свежеотделенного бора для предварительного нагрева.

Гафний имеет отличные свойства для реакторов, использующих воду как для замедления, так и для охлаждения. Он обладает хорошей механической прочностью, прост в изготовлении и устойчив к коррозия в горячей воде.[10] Гафний может быть легирован другими элементами, например с банка и кислород для увеличения прочности на разрыв и ползучести, с утюг, хром, и ниобий на коррозионную стойкость и с молибден на износостойкость, твердость и обрабатываемость. Такие сплавы обозначаются как Хафалой, Хафалой-М, Хафалой-Н и Хафалой-НМ.[11] Высокая стоимость и низкая доступность гафния ограничивают его использование в гражданских реакторах, хотя он используется в некоторых ВМС США реакторы. Карбид гафния также может использоваться в качестве нерастворимого материала с высокой температурой плавления 3890 ° C и плотностью выше, чем у диоксида урана, для погружения, нерасплавленного, через кориум.

Диспрозия титанат проходил оценку для стержней управления водой под давлением. Титанат диспрозия является многообещающей заменой сплавам Ag-In-Cd, поскольку он имеет гораздо более высокую температуру плавления, не склонен вступать в реакцию с материалами оболочки, прост в производстве, не производит радиоактивных отходов, не набухает и не разбухает. выхлопные газы. Он был разработан в России и рекомендован некоторыми для ВВЭР и РБМК реакторы.[12] Недостатком является меньшее поглощение титана и оксида, то, что другие элементы, поглощающие нейтроны, не реагируют с уже имеющими высокую температуру плавления материалами оболочки и что просто использование неразделенного содержимого с диспрозием внутри минералов, таких как Keiviit Yb внутри трубок из хрома, SiC или c11B15N, обеспечивает превосходное качество. цена и поглощение без разбухания и дегазации.

Диборид гафния еще один такой материал. Его можно использовать отдельно или в виде спеченной смеси порошков карбида гафния и бора.[13]

Можно использовать многие другие соединения редкоземельных элементов, например самарий с бороподобными европий и борид самария, который уже используется в цветной индустрии.[14] Менее абсорбирующие соединения бора, аналогичные титану, но недорогие, такие как молибден как Мо2B5. Поскольку все они набухают под действием бора, на практике лучше использовать другие соединения, такие как карбиды и т. Д., Или соединения с двумя или более элементами, поглощающими нейтроны вместе. Это важно что вольфрам, и, вероятно, также другие элементы, такие как тантал,[15] обладают такими же высокими характеристиками захвата, как гафний,[16] но с обратным эффектом. Это не может быть объяснено одним лишь отражением нейтронов. Очевидным объяснением является резонансное гамма-излучение, увеличивающее коэффициент деления и воспроизводства по сравнению с увеличением захвата урана и т. Д. метастабильный условия как для изотоп 235 кв.м.U, период полураспада которого составляет около 26 мин.

Дополнительные средства регулирования реактивности

Другие средства контроля реактивности включают (для PWR) растворимый поглотитель нейтронов (борная кислота ), добавляемого в теплоноситель реактора, что позволяет полностью извлекать регулирующие стержни во время стационарной работы на мощности, обеспечивая равномерное распределение мощности и потока по всей активной зоне. Этот химическая прокладка, наряду с использованием выгорающих нейтронных ядов в топливных таблетках, используется для регулирования долгосрочной реактивности активной зоны,[17] в то время как регулирующие стержни используются для быстрого изменения мощности реактора (например, останов и запуск). Операторы BWR используют поток теплоносителя через активную зону для регулирования реактивности путем изменения скорости рециркуляционных насосов реактора (увеличение потока теплоносителя через активную зону улучшает удаление пузырьков пара, тем самым увеличивая плотность теплоносителя /Модератор, увеличивая мощность).

Безопасность

В большинстве конструкций реакторов в качестве мера безопасности, тяги управления крепятся к подъемному механизму с помощью электромагниты, а не прямая механическая связь. Это означает, что в случае сбоя питания или при ручном включении из-за отказа подъемного оборудования регулирующие стержни автоматически под действием силы тяжести полностью опускаются в сваю, чтобы остановить реакцию. Заметное исключение из этого безотказный режим работы - BWR, который требует гидравлической вставки в случае аварийной остановки, используя воду из специального бака под высоким давлением. Быстрая остановка реактора таким способом называется схватка.

Предупреждение аварий критичности

Неправильное управление или отказ стержня управления часто обвиняли в ядерные аварии, в том числе SL-1 взрыв и Чернобыльская катастрофа.Однородный поглотители нейтронов часто используются для управления аварии с критичностью которые включают водные растворы делящийся металлы. В нескольких таких авариях либо бура (натрий борат ) или в систему было добавлено соединение кадмия. Кадмий можно добавлять в качестве металла в азотная кислота растворы делящегося материала; при коррозии кадмия в кислоте образуется кадмий нитрат на месте.

В углекислый газ -охлаждаемые реакторы, такие как AGR, если твердые регулирующие стержни не могут остановить ядерную реакцию, азот газ можно вводить в контур теплоносителя первого контура. Это связано с тем, что азот имеет большее сечение поглощения нейтронов, чем углерод или же кислород; следовательно, активная зона становится менее реактивной.

По мере увеличения энергии нейтронов нейтронное сечение большинства изотопов уменьшается. В бор изотоп 10B отвечает за большую часть поглощения нейтронов. Борсодержащие материалы также можно использовать в качестве нейтронной защиты, чтобы уменьшить активация материала, близкого к активной зоне реактора.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ данные об иттербии (n.gamma) из японской или российской базы данных
  2. ^ ограничено использованием только в исследовательских реакторах из-за повышенного набухания от гелия и лития из-за поглощения нейтронов бором в реакции (n, альфа)
  3. ^ введен в D2О модератор Усовершенствованный реактор CANDU
  4. ^ Сайрам К., Вишванад Б., Сонбер Дж. К. и др. Конкуренция между уплотнением и развитием микроструктуры при искровом 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 Хьюнь; Чанддип Мадаан (2012). «Использование и контроль бора в PWR и FHR» (PDF).
  6. ^ Харви М. Бак, Марк А. Купер, Петр Черни, Джоэл Д. Грайс, Фрэнк К. Хоторн: Ксенотим- (Yb), YbPO4, новый минеральный вид из группы пегматитов Шатфордского озера, юго-восточная Манитоба, Канада. В: Канадский минералог. 1999, 37, с. 1303–1306 (Аннотация в журнале American Mineralogist, S. 1324.; PDF
  7. ^ А.В. Волошин, Я. А. Пахомовский, Ф. Н. Тюшева: Кейвиите Ыб2Si2О7, Новый силикат иттербия из амазонитовых пегматитов Кольского полуострова. В: Минералог. Журнал. 1983, 5-5, S. 94–99 (Аннотация в журнале American Mineralogist, S. 1191.; PDF; 853 кБ).
  8. ^ Bowsher, B.R .; Jenkins, R.A .; Nichols, A. L .; Rowe, N.A .; Симпсон, Дж. А. Х. (1 января 1986 г.). «Поведение серебряно-индий-кадмиевого регулирующего стержня при тяжелой аварии на реакторе». Организация по атомной энергии UKAEA. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  9. ^ «КОНТРОЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ». web.mit.edu. Получено 2015-06-02.
  10. ^ «Контрольные материалы». Web.mit.edu. Получено 2010-08-14.
  11. ^ «Сплавы гафния как поглотители нейтронов». Бесплатные патенты онлайн. Архивировано из оригинал 12 октября 2008 г.. Получено 25 сентября, 2008.
  12. ^ «Диспрозий (Z = 66)». Интернет-форум Everything-Science.com. Получено 25 сентября, 2008.
  13. ^ «Способ изготовления материала поглотителя нейтронов». Бесплатные патенты онлайн. Получено 25 сентября, 2008.
  14. ^ "Infrarotabsorbierende Druckfarben - Dokument DE102008049595A1". Patent-de.com. 2008-09-30. Получено 2014-04-22.
  15. ^ "Сигма-графики". Nndc.bnl.gov. Получено 2014-04-22.
  16. ^ "Обзор периодической таблицы сигма". Nndc.bnl.gov. 2007-01-25. Получено 2014-04-22.
  17. ^ «Кислота борная обогащенная для реакторов с водой под давлением» (PDF). EaglePicher Corporation. Архивировано из оригинал (PDF) 29 ноября 2007 г.. Получено 25 сентября, 2008.

внешняя ссылка

дальнейшее чтение