ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР КАНАЛЬНОГО ТИПА
ACT HEAT-PIPE COOLED REACTOR

Изобретение относится к ядерной технике, а именно к конструкции ядерных реакторов канального типа на тепловых и промежуточных нейтронах.
2
2
Известен ядерный реактор канального типа на тепловых нейтронах (CANDU), содержащий активную зону, набранную из каналов с ядерным топливом и теплоносителем, включающим нуклиды легкого атомного веса (HO), и замедлитель нейтронов с легким атомным весом, заполняющий межканальное пространство (DO) [1].
2
2
2
2
2
2
Указанный реактор обладает следующими недостатками. Во-первых, поскольку двумя легкими замедлителями (межканальным DO и теплоносителем HO, т.е., по существу, тоже замедлителем) формируется близкий к максвелловскому спектр тепловых нейтронов (т.н. «перезамедленный» спектр), то внезапное выкипание теплоносителя HO приводит к слабому возмущению спектра. Спектр слабо ужестчается, увеличивается захват нейтронов только на самых нижних широких резонансах урана-238 и реактивность снижается. Однако этот благоприятный эффект, по существу, не только нивелируется, но и становится небольшим неблагоприятным (положительным), поскольку при выкипании теплоносителя HO уменьшается захват нейтронов легким водородом Н. Причина ухудшения безопасности в том, что спектр нейтронов «перезамедлен» и поэтому в снижении реактивности при выкипании легкого теплоносителя HO участвуют только самые нижние резонансы захвата ураном-238. Во-вторых, быстрые нейтроны деления, эффективно замедляясь в большой массе межканального замедлителя DO, по существу, проскакивают резонансную (промежуточную) область энергий, где могли бы захватываться ураном-238 с большой (резонансной) вероятностью. Таким образом, указанный реактор обладает описанными выше недостатками, связанными с его безопасностью.
12
В качестве прототипа выбран ядерный реактор канального типа, содержащий активную зону, набранную из каналов с ядерным топливом и теплоносителем, содержащим нуклиды тяжелого атомного веса (жидкий природный свинец), и замедлитель нейтронов, заполняющий межканальное пространство (графит С) [2].
В указанном реакторе использование легкого замедлителя - графита приводит к тому, что при замедлении нейтроны минуют резонансы захвата урана-238 во всей промежуточной области энергий нейтронов. Это обуславливает невозможность дополнительного снижения реактивности при разогреве тяжелого теплоносителя и уменьшения его плотности, благодаря резонансному захвату на уране-238 во всей резонансной области энергий нейтронов. Это объясняется малой ступенькой замедления свинца (замедляющая способность  - средняя относительная потеря энергии при рассеянии, которая для свинца составляет величину 0.097, а для графита 0.16, т.е. в 16 раз больше). Таким образом, недостатком этого реактора является использование легкого межканального замедлителя - графита, ухудшающее его безопасность.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в повышении ядерной безопасности реактора канального типа и исключении его разгона при разогреве теплоносителя и уменьшении его плотности.
Ядерный реактор канального типа, у которого активная зона состоит из каналов с ядерным топливом и теплоносителем и межканального замедлителя нейтронов, прилегающего к каналам с атомным весом , а остальная часть межканального пространства заполнена замедлителем нейтронов с легким атомным весом, который, однако, больше атомного веса нуклидов теплоносителя в каналах.
Повышение безопасности реактора обеспечивается следующим образом. Реактор при нормальном режиме работы находится в критическом состоянии с промежуточно-тепловым спектром нейтронов, а при перегреве теплоносителя, содержащего компоненту замедлителя с легким атомным весом, и при уменьшении его плотности (или даже при выкипании) замедление нейтронов ослабевает, спектр смещается в область резонансов захвата урана-238 (не только в область эпитепловых энергий нейтронов, но и в область десятков и сотен электрон-вольт) и коэффициент размножения резко уменьшается из-за роста резонансного поглощения. В результате цепная реакция прекращается.
Предполагается, что замедлитель нейтронов в межканальном пространстве содержит две области, причем прилегающая к каналам с ядерным топливом область заполнена замедлителем с атомным весом , а периферийная область заполнена замедлителем с легким атомным весом, большим, чем атомный вес теплоносителя, охлаждающего ядерное топливо. Использование замедлителя с легким атомным весом позволяет сократить шаг каналов и уменьшить габариты реактора. В случае непредвиденного перемешивания этого замедлителя с топливом произойдет ужестчение спектра нейтронов, увеличение резонансного поглощения нейтронов и затухание цепной реакции деления, что улучшает безопасность реактора.
238
232
Кроме того, в частном случае предлагается, чтобы топливо содержало смесь воспроизводящих нуклидов с резонансным поглощением, например U и Th, которые при облучении нейтронами превращаются в делящиеся материалы. Это приводит к уплотнению решетки резонансных сечений поглощения, что в условиях сниженной потери энергии нейтроном в актах рассеяния повышает эффективность поглощения замедляющихся нейтронов. В результате это позволяет повысить безопасность реактора при отклонении режима его работы от номинального, а также уменьшить загрузку активной зоны реактора воспроизводящим материалом, т.е. повысить топливоиспользование.
7
208
Предлагается также, чтобы в качестве теплоносителя был выбран сплав замедлителя с легким атомным весом - лития, обогащенного изотопом Li, с элементами с тяжелым атомным весом, например Bi, а в межканальном пространстве - свинец с доминирующим содержанием изотопа Pb. Это позволяет исключить высокое давление в активной зоне и упростить разделение сплавов в аварийном случае их смешивания, что придает реактору дополнительную безопасность.
Ядерный реактор канального типа, выполненный в соответствии с данным изобретением и показанный на фиг. 1, содержит активную зону, которая набрана из каналов 1 с топливом и теплоносителем, межканального замедлителя нейтронов 2, а также отражателя нейтронов 3. Ячейка активной зоны 4 состоит из замедлителя нейтронов 5 с тяжелым атомным весом, размещенного в межканальном пространстве, и замедлителя нейтронов 6 с легким атомным весом, расположенного на периферии ячейки. Межканальный замедлитель нейтронов отделен трубой 7 от трубной конструкции канала 8, между которыми находится газовый зазор 9. Трубная конструкция содержит топливные элементы 10 с делящимися и воспроизводящими нуклидами, между которыми находится теплоноситель 11.
Граничный атомный вес  для «тяжелого» замедлителя нейтронов в межканальном пространстве выбирается из условия превышения ширины нижних резонансов топливных материалов активной зоны над величиной ступеньки замедления этого замедлителя (величины максимальной потери энергии нейтроном в акте рассеяния на ядре замедлителя). Причем ширину резонансов целесообразно принимать при значении сечения на склоне резонанса, превышающем среднее сечение поглощения нейтронов топливными материалами. Это требуется для того, чтобы вероятность поглощения нейтрона на этом резонансе была существенной по сравнению с поглощениями другими материалами.
238
232
238
n1
res1
res1
n1
res
n
Как U, так и Th имеют в электронно-вольтной области энергий нейтронов широкие резонансы захвата. Так, например, для U первый нижний (самый «широкий») резонанс расположен при энергии нейтронов E=6.66 эВ. Среднее сечение поглощения нейтронов всеми компонентами активной зоны, кроме урана, в этой области энергий составляет около 10 барн на одно ядро урана. Чтобы нейтрон с предпочтительной вероятностью поглощался этим резонансом урана-238, его сечение на склоне резонанса должно составлять, по крайней мере, в 5 раз большую величину, т.е. около 50 барн. Ширина резонанса урана-238 при таком значении его сечения на склоне резонанса составляет ΔE~0.54 эВ. Для существенного поглощения нейтронов этим резонансом ступенька замедления «тяжелого» межканального замедлителя -  должна быть меньше величины ΔE/E=0.0811, а его атомный вес (связанный со ступенькой замедления нейтрона известным соотношением  должен быть больше чем 24. Для последующих широких резонансов с увеличением энергии нейтронов отношение ширины резонанса к энергии нейтрона в его максимуме - ΔE/E уменьшается (например, для 2-го широкого резонанса урана-238 оно составляет 0.0388 при значении его сечения на склоне резонанса, равном 50 барн). Поэтому для существенного поглощения нейтронов этими двумя первыми самыми «широкими» резонансами урана-238 атомный вес «тяжелого» замедлителя должен быть выбран из условия . Отметим, что для того, чтобы с такой же вероятностью "сработал" 3-ий резонанс урана-238, потребуется увеличить атомный вес до 66, а для 4-го резонанса - до 157. Полностью использовать 5-ый резонанс уже не удастся, т.к. для этого потребовался бы «тяжелый» замедлитель с атомным весом более 322. У тория-232 нижние резонансы более узкие и редкие, чем у урана-238, однако в целом аналогичные оценки справедливы и для тория.
Для сокращения шага каналов и габаритов реактора предлагается в периферийную область межканального пространства ввести замедлитель с легким атомным весом, большим, чем атомный вес теплоносителя, охлаждающего ядерное топливо. При этом с точки зрения ядерной безопасности в случае аварии перемешивание этого замедлителя с топливом приведет к ужестчению спектра нейтронов, поскольку атомный вес замедлителя больше атомного веса теплоносителя, место которого он займет. Это вызовет увеличение резонансного поглощения нейтронов ядрами воспроизводящего материала топлива и затухание цепной реакции деления.
2
2
12
82
88
90,94,96
92,94,98,100
116
206,208
208
В настоящем предложении под замедлителями с легким атомным весом понимаются в реакторной технологии материалы: HO, DO, С, Be, ВеО др. Что касается замедлителей с тяжелым атомным весом с , то кандидатами на эту роль могут рассматриваться следующие вещества (и их соединения): Se, Sr, Zr, Mo, Cd, Pb, радиогенный Pb (с содержанием изотопа Pb более 90%), Bi и др.
Для того чтобы эффективность поглощения замедляющихся нейтронов была повышенной, целесообразно «загустить» решетку резонансов для топливных (воспроизводящих) материалов. Это связано с известным эффектом самоэкранировки резонансов. Он состоит в том, что при наличии большой концентрации резонансного поглотителя замедляющиеся нейтроны эффективно поглощаются частью ядер поглотителя, в то время как остальные ядра остаются как бы «не у дел», т.е. работающая часть поглотителя как бы «экранирует» остальную часть поглотителя.
238
232
233
238
233
232
233
238
232
беск
беск
беск
Чтобы этого избежать, нецелесообразно увеличивать содержание одного поглотителя, а гораздо эффективнее добавлять другой резонансный поглотитель (т.е. использовать смесь резонансных поглотителей воспроизводящих материалов). При этом решетка резонансов одних поглотителей по энергетической шкале будет при энергиях, не совпадающих с энергиями резонансов других поглотителей. Примером такой смеси можно рассматривать U и Th. Если в ячейке с топливом (10%U+90%U) величина коэффициента размножения составляет К=1.003, а с топливом (10%U+90%Th) К=1.016, то при переходе на топливо (10%U+50%U+50%Th) величина коэффициента размножения составляет К=0.862, т.е. заметно меньше, что является следствием «загущения» решетки резонансов.
2
2
7
Целесообразно также иметь в реакторе одновременно жидкий теплоноситель и жидкий межканальный замедлитель с тяжелым атомным весом, так же, как это реализовано в конструкции реактора CANDU, который выбран аналогом для настоящего предложения. В реакторе, выбранном в качестве аналога, содержится теплоноситель с легким атомным весом (легкая вода HO, прокачиваемая под высоким давлением) и межканальный жидкий замедлитель также с легким атомным весом (DO - холодная тяжелая вода при давлении, близком к нормальному). Переход на жидкометаллический теплоноситель, как это предложено в прототипе (высокотемпературный литий, обогащенный изотопом Li), позволяет исключить проблему поддержания высокого давления в каналах с топливом.
208
В этих условиях использование в межканальном пространстве тяжелого жидкометаллического замедлителя, например свинца с содержанием изотопа Pb более 90% (или сплава на его основе), совместимого с жидкометаллическим теплоносителем, позволит повысить безопасность реактора даже при наличии протечек теплоносителя в межканальное пространство. Кроме того, использование высококипящих как теплоносителя, так и межканального замедлителя исключает проблему теплоизоляции канала с теплоносителем и межканальным замедлителем. Это можно рассматривать как свойство реактора, которое повышает его безопасность.
Действительно, если межканальный высококипящий замедлитель будет находиться в тепловом контакте и равновесии с нагреваемым теплоносителем в рабочем режиме, то в случае аварийного отключения циркуляции жидкометаллического теплоносителя остаточное выделение тепловой энергии в канале будет распространяться в межканальное пространство. При этом оно будет восприниматься всей массой жидкометаллического высококипящего тяжелого замедлителя, внутренняя естественная циркуляция которого может использоваться для вывода этого остаточного тепла из области активной зоны в окружающую среду.
7
208
В этом случае целесообразно также, чтобы элементный состав теплоносителя не совпадал с элементным составом межканального замедлителя. В качестве примера такого сочетания можно рассматривать сплав (Li-Bi) как теплоноситель, а свинец с доминирующим содержанием изотопа Pb как межканальный замедлитель. Даже при протечках и перемешивании нетрудно будет их разделять в байпасном контуре, основываясь на различиях физических и химических свойств, и для этого не потребуется использовать технологию изотопного разделения.
Наряду с высококипящим жидкометаллическим теплоносителем, содержащим замедлитель с легким атомным весом, рассматриваемым требованиям удовлетворяют фторидные и хлоридные расплавы солей. Они характеризуются давлением насыщенных паров, не превышающим 10 Па при температуре до 800°C, которое возрастает всего лишь до 0.1 МПа только при температуре выше 1400°C. Радиационная стойкость этих жидкостей на несколько порядков выше, чем радиационная стойкость воды. В качестве примера можно назвать фторидный расплав  с температурой плавления 459°C.
88
208
208
208
238
2
Ядерный реактор канального типа (фиг. 1), выполненный в соответствии с данным изобретением, работает следующим образом. В каналы 1 активной зоны ядерного реактора загружают тепловыделяющие сборки с тепловыделяющими элементами (твэлами) 10 и после подачи в активную зону теплоносителя 11 выводят реактор на мощность. В результате цепной реакции деления в активной зоне рождаются быстрые нейтроны. Эти нейтроны при рассеянии (в быстрой области при неупругом и упругом рассеянии) «спускаются» по энергии в промежуточную (резонансную область энергии), где, продолжая сталкиваться с ядрами замедлителя, теряют свою энергию уже только в упругих соударениях. Как известно, этот процесс характеризуется величиной  - «ступенькой» замедления, которая определяет среднюю логарифмическую потерю энергии  в акте упругого рассеяния. По-существу, параметр  характеризует среднюю относительную потерю энергии нейтроном при рассеянии. Величина этой средней потери энергии сильно различается для замедлителей с легким и тяжелым атомным весами. Так, если для легкой (тяжелой воды) величина составляет 0.95 (0.57), то для тяжелых замедлителей Sr и Pb эта величина уменьшается до 0.023 и 0.0095 соответственно. Поэтому, если в ячейке 4 канального реактора в качестве теплоносителя 11 (и замедлителя нейтронов) используется легкая вода, а в межканальном пространстве размещен замедлитель 5 с тяжелым атомным весом Pb, то при аварийной ситуации и выкипании воды-теплоносителя 11 замедляющиеся нейтроны утрачивают способность большими порциями терять свою энергию при рассеянии. У них останется только возможность терять свою энергию очень малыми порциями при рассеянии на межканальном замедлителе 5 с тяжелым атомным весом. В рассматриваемом выше случае (теплоноситель 11 - легкая вода HO и межканальный замедлитель 5 - Pb) эти средние потери энергии различаются в 100 раз. Поэтому замедляющимся до тепловых энергий нейтронам требуется в 100 раз больше соударений, чтобы достичь тепловых энергий и привести к делению, например, уран-235. Значит, для них существенным образом возрастает вероятность и столкновений с ядрами резонансного поглотителя (во всем диапазоне энергий, пока он замедляется), каким является U, что приводит к потере нейтрона для цепной реакции, к существенному снижению коэффициента размножения и прерыванию самоподдерживающейся цепной реакции деления.
Для достижения положительного эффекта необходимо, чтобы внутриканальный теплоноситель-замедлитель 11 с легким атомным весом по параметру  - средняя относительная потеря энергии при рассеянии, при прочих равных условиях, максимально различался с межканальным замедлителем 5 с тяжелым атомным весом. С этой точки зрения использование комбинации жидкометаллического теплоносителя-замедлителя с легким атомным весом 11 в каналах 1 и жидкометаллического межканального замедлителя 5 с тяжелым атомным весом (что позволяет отказаться от необходимости поддерживать высокое давление) придает реактору дополнительную безопасность при аварийных ситуациях.
Расчетные исследования показали, что в рабочем режиме функционирования реактора в его активной зоне можно сформировать желаемый спектр нейтронов, а в случае отклонения от нормального режима работы реактора или аварии (например, при уменьшении плотности теплоносителя или его вскипании) спектр нейтронов смещается в область резонансов. При этом увеличивается резонансное поглощение нейтронов, вследствие чего ухудшаются размножающие свойства топлива. Таким образом, проявляется отрицательная обратная связь при уменьшении плотности теплоносителя, что повышает безопасность реактора.
Таким образом, технический результат состоит в существенном повышении безопасности канального реактора, который может быть устойчивым к внезапным скачкам реактивности, по величине превышающим даже долю запаздывающих нейтронов.
Список литературы
1. А.Я. Крамеров. Вопросы конструирования ядерных реакторов. - М.: Атомиздат, 1971, 325 с.
2. Ядерные реакторы повышенной безопасности (анализ концептуальных разработок) / В.М. Новиков, И.С. Слесарев, П.Н. Алексеев и др. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 384 с.