Эффективный коэффициент размножения

При описании процессов в реакторе мы часто использовали слова, заимствованные из биологии (рождение, поколение, гибель нейтронов). И это не просто словесное сходство.

Еще один такой термин – эффективный коэффициент размножения K_эфф (это число поглотившихся ураном-235 нейтронов 2-го поколения, приходящихся на поглотившийся ураном-235 один нейтрон 1-го поколения).

K_эфф ≠ 2,08 из-за утечки нейтронов и поглощения другими материалами (не ураном-235). В критическом реакторе K_эфф = 1 (надкритическом: > 1, подкритическом: < 1).

∆K = │K_эфф - 1│ - мера над- или подкритичности реактора.

Если не учитывать утечку нейтронов из активной зоны, то получим K_∞ - коэффициент размножения в бесконечной среде, являющийся только характеристикой среды, т.е. состава активной зоны. Если в зоне нет никаких поглотителей, кроме U₅, то K_∞= 2,08.

K_∞ - очень удобная для физиков величина. По ней можно найти критические размеры активной зоны для данного ее состава.

Замедлители нейтронов

Желательно иметь K_∞ как можно больше, тогда можно уменьшить размеры активной зоны (например, если K_∞ = 1,0005, то R_а.з = 8м – это трехэтажный дом).

Наилучший путь увеличения K_∞ - это уменьшение количества вредных поглотителей в активной зоне (другой путь – увеличение числа ядер U₅ – невыгоден экономически).

Ясно, что какое-то сечение поглощения есть у замедлителя. Однако выбирать замедлитель по минимальному сечению поглощения не совсем правильно, т.к. основная функция замедлителя – это замедление нейтронов.

С точки зрения обоих названных критериев замедлители предпочтительны в таком порядке: а) D (или D₂О – тяжелая вода): _а = 0,0005 барн; б) C (0,0036 барн); в) Be (бериллий); г) обычная (легкая) вода (0,33 барн); д) Li (литий). Гелий не подходит, т.к. это газ с малой плотностью.

Кроме того, учитываются химические, механические свойства замедлителей, их стоимость, доступность. В природе в чистом виде элементы не существуют. Воду получать чистой легко (бидистиллированием), а вот углерод - очень трудно (если на 1000 атомов C будет один атом B¹⁰, то _а возрастает в 200 раз, а если на 100 000 – один, то в 3 раза).

Конструкционные материалы активной зоны

Зачем они нужны, мы увидим далее. А сейчас перечислим наиболее подходящие материалы:

а) нержавеющая сталь: _а = 2,5 барн для Fe; 2,9 для Cr; 4,6 для Ni (т.о., поглощение большое);

б) Al: _а = 0,07, но хуже механические свойства;

в) Zr: _а = 0,18 – механические свойства лучше, чем у Al (t до 350^оС), но хуже, чем у нержавеющей стали.

Важнейшей заботой металлургов и материаловедов является создание прочных, надежных материалов, содержащих только элементы с малым _а.

Разделение изотопов

Еще одна составляющая активной зоны – топливо. Чистого урана в природе нет. В урановой руде ~ 99,29% U₈ и 0,71% U₅ (U₄ очень мало). _а для U₈ = 2,71 барн (т.е. это вредный поглотитель). Казалось бы, надо просто отделить U₅ от U₈, т.е. обогатить урановую руду изотопом U₅).

Но ведь это изотопы одного элемента и их физические и химические свойства практически одинаковы. Разница только в атомной массе и размере атома – на этом и основаны два основных метода разделения изотопов урана..

1) Газодиффузионный метод: газ UF₆ нагнетается компрессорами на микропористую перегородку (поры диаметром порядка 10^-6см создаются лазером). За счет разницы в размере атомов урана-235 и урана-238 концентрация газа с ураном-235 за перегородкой повышается в 1,002 раза. Если пропустить газ последовательно через 4000 таких перегородок, концентрация урана-235 возрастает до 99%. Площадь этих перегородок – сотни гектаров, длина трубопроводов – тысячи километров – все это очень дорого.

2) Центрифужный метод – основан на разнице в атомной массе урана-235 и урана-238. Тот же газ (гексафторид урана) вращают в центрифуге. Молекулы газа, содержащие уран-238, сильнее отжимаются к периферийной части за счет центробежных сил, а в центральной части центрифуги примерно в 1,002 раза повышается концентрация молекул газа с ураном-235. За счет сотен и тысяч последовательно расположенных центрифуг можно достичь нужной концентрации урана-235. Этот способ также является весьма дорогостоящим.

В настоящее время наибольшее распространение получил газодиффузионный способ разделения изотопов урана.