ГАБАРАЕВ – 2 – 2012

материалы и Конструкции ЭЛЕМЕНТОВ ядерных энергетических установок (первая лекция из трёх)

Содержание:

1. Основные элементы ядерного реактора

2. Ядерное топливо

3. Материалы в реакторостроении

3.1. Конструкционные материалы основного оборудования ЯЭУ

3.1.1. Стали и сплавы для реакторных установок с водным теплоносителем

3.1.2. Стали и сплавы для реакторных установок с натриевым теплоносителем

3.1.3. Стали и сплавы для реакторных установок с теплоносителем на основе жидкого свинца

3.1.4. Стали и сплавы для реакторных установок с гелиевым теплоносителем

3.2. Материалы органов управления реактивностью

3.3. Материалы замедлителей и отражателей

3.4. Материалы и конструктивные решения биологической защиты

1. Основные элементы ядерного реактора

Атомная (ядерная) энергетика – это технология получения тепловой энергии с помощью ядерного энергетического реактора.

Ядерный реактор – устройство для осуществления управляемой самоподдерживающейся цепной ядерной реакции деления ядер тяжелых элементов в целях получения энергии, интенсивных потоков нейтронов и -квантов, накопления новых изотопов, изучения физических характеристик процесса деления.

В общем случае ядерный реактор содержит активную зону, отражатель, органы управления, корпус и биологическую защиту. Для реакторов на тепловых нейтронах еще одним обязательным элементом является замедлитель.

Активная зона – основной элемент реактора, где размещается делящийся материал (ядерное топливо) и происходит управляемая цепная реакция деления его ядер. Делящийся материал (в случае гетерогенных реакторов, каковых абсолютное большинство) помещают в сердечники тепловыделяющих элементов, которые собраны в упорядоченные пакеты (пучки) – тепловыделяющие сборки и помещены в поток теплоносителя.

ТВЭЛ (тепловыделяющий элемент) – основная составная часть активной зоны реактора, представляющая собой контейнер для ядерного топлива и выполняющая следующие функции:

• размещение ядерного топлива в активной зоне;

• передача теплоты, выделяющейся в результате ядерной реакции деления, теплоносителю первого контура;

• локализация и исключение выхода ядерного топлива и радиоактивных осколков деления в теплоноситель.

Твэл является главным элементом реактора, в нем происходит реакция деления ядер и выделяется ~ 95 % генерируемой при этом теплоты.

ТВС (тепловыделяющая сборка) – объединение твэлов в пакет (пучок), конструкция которого:

• обеспечивает выполнение твэлами своего назначения;

• облегчает транспортно-технологические операции с ядерным топливом, в том числе загрузку в реактор и выгрузка из него.

Теплоноситель – среда для отвода от нагретой поверхности твэлов теплоты, образующейся в результате протекания ядерных реакций деления в активной зоне реакторов. Теплоноситель может быть жидким (H₂O, D₂O, Na, Pb-Bi, Pb и т.д.), газообразным (CO₂, He и т.д.) и даже твердым (например, вращающееся графитовое кольцо в реакторе ИБР-2).

Отражатели – элемент для уменьшения утечки нейтронов из активной зоны, изготавливаемый из материала с большим сечением рассеяния и слабым поглощением нейтронов (H₂O, D₂O, графит, Be и др.). В реакторах на быстрых нейтронах вместо отражателя по периферии имеется зона воспроизводства делящегося материала.

Органы управления реактивностью – устройства, обеспечивающие компенсацию и регулирование реактивности путем изменения количества поглощающих материалов, находящихся в активной зоне, или изменения физической эффективности отражателя. Эти органы используют для поддержания цепной реакции деления и для управления мощностью, а также для аварийной защиты. Для варианта с изменением количества поглощающих материалов в активной зоне используют материалы с большим сечением поглощения. Это бор-10 (3800 бн), кадмий (2450 бн) и гадолиний (46 000 бн) [1].

Корпус реактора – удержание необходимого давления, крепление всех деталей активной зоны и отражателя.

Замедлитель – материалы, применяемые в реакторах на тепловых нейтронах для замедления скорости быстрых нейтронов до тепловой области, причем в этом качестве используются те же материалы, что и для отражателя (H₂O, D₂O, графит, Be и др.).

Биологическая защита – защита от нейтронного и гамма-излучения, а также теплового излучения с целью обеспечения радиационной безопасности персонала, населения и окружающей среды и сохранения работоспособности применяемых материалов и систем.

Далее представлена более детальная информация о материалах и конструктивных решениях для вышеприведенных элементов ядерных энергетических реакторов. Рассмотрены типовые схемы различных АЭС и их основные технические характеристики.