Физика ядерного реактора Цепная ядерная реакция Реактор РБМК – 1000 Эффективная эквивалентная доза Степень опасности радионуклидов

Особенности процессов в активной зоне работающего реактора РБМК – 1000.

Размножение нейтронов при делении одних ядер создаёт условие для деления других. Если после каждого деления ядра испускается 2 нейтрона, то один нейтрон в 50-ом поколении размножится до 250 нейтронов. В действительности не все нейтроны вызывают деление. Часть нейтронов идёт на радиационный захват, другая часть вылетает из активной зоны. Эти потери влияют на ход цепной реакции. Делящиеся изотопы наиболее интенсивно поглощают тепловые нейтроны, концентрация которых велика благодаря упругому рассеянию нейтронов на ядрах атомов замедлителя. Сечение деления на тепловых нейтронах в РБМК в сотни раз превышает сечение деления на быстрых нейтронах.

Цепную реакцию на тепловых нейтронах осуществляют в размножающих системах, в состав которых входят делящиеся изотопы и замедлители. Так, в системе  цепная реакция протекает при концентрациях , равных ≈ 3 ∙ 10-5 (N5/N­c). Во время замедления часть нейтронов захватывается на резонансах , другая их часть теряется в замедлителе. Поэтому чем выше концентрация урана  в системе, тем выше коэффициент использования тепловых нейтронов (тепловые нейтроны неспособны вызвать деление  и при поглощении этим изотопом теряются для реакции). Нейтроны также могут захватываться ядрами примесей, конструкционных материалов и в гораздо меньшей степени – ядрами замедлителя, на которых они быстро теряют свою энергию.

Отношение числа нейтронов, участвующих в делении на некоторой стадии ядерной реакции, к числу нейтронов предыдущего поколения на такой же стадии называют коэффициентом размножения нейтронов. Самоподдерживающиеся и развивающиеся цепные реакции возможны при условии, что этот коэффициент K≥1. Принято называть системы в зависимости от величины K подкритическими (K<1, реакция гаснет), критическими (K=1, реакция идёт с постоянной скоростью). И надкритическими (K>1, реакция ускоряется). Массу делящегося изотопа и размеры (объём) системы называют критическими. Система на тепловых нейтронах имеет самый большой критический объём и минимальную критическую массу. Цепным процессом в реакторах управляют с помощью стержней, содержащих элементы, сильно поглощающие нейтроны (B, Cd, в основном). Поглощение нейтронов происходит в реакциях (n, γ), (n, α), (n, f) и др., поэтому сечение поглощения σa представляют как сумму парциальных сечений: σa = σγ + σα + σf , где σγ – сечение радиационного захвата (n, γ), σα – сечение реакции (n, α), σf – сечение деления (n, f). У большинства изотопов наблюдается только радиационный захват нейтронов σα = σγ. Однако для изотопа ( и некоторых других), характерна реакция (n, α), когда σa ≈ σα, а у изотопа урана   радиационный захват конкурирует с делением ядра (σa ≈ σγ + σf), (табл. 4):

Таблица 4.

Сечения реакций (барн) для тепловых нейтронов

Изотоп

σt

σs

σao­­­

σγ

σf

σα

7

7

0,01

0,01

-

-

4,8

4,8

0,0034

0,0034

-

-

4014

4,0

4009,5

0,5

-

4010

704

10

694

112

582

-

Сечение поглощения для большинства изотопов ~1/ν: σa = c/ν; где ν – скорость нейтронов, c – постоянная, равная c = σao ∙ νo­; νo = 2200 м/с – скорость нейтронов при En = 0,025 эВ; σao – сечение поглощения тепловых нейтронов. Подставив это значение константы, получаем  и, учитывая, что кинетическая энергия нейтрона  [эВ], имеем:

В промежуточной области энергии нейтронов кривая имеет резонансный характер (), т.е. при некоторых интервалах энергий нейтронов сечение сначала резко возрастает, достигает максимального значения при резонансной энергии, а затем также резко падает. Эффективность резонансного захвата нейтронов зависит от концентрации   и взаимного расположения урана и замедлителя.

Вводя стержни-поглотители нейтронов в активную зону, замедляют размножение нейтронов (и наоборот). При этом следует иметь ввиду также такие процессы, как выгорание топлива и поглотителя, что приводит к изменению K. Обычно делящиеся изотопы в свежем горючем в избытке и стержни-поглотители нейтронов опущены в работающем реакторе (затем постепенно вытаскиваются). Со временем изменяется и качество управляющих стержней (): при этом K возрастает. Под действием нейтронов изменяются также свойства замедлителя (например, ; ), изменяются свойства материалов несущих конструкций, системы охлаждения (стальные трубы и т.п.). Поэтому выбирают для них такие материалы, которые наименее подвержены воздействию нейтронов. И тем не менее избежать этого полностью нельзя. Происходит «отравление» реактора. При делении   в 1 из 15 случаев среди прочих осколков деления образуется теллур , который быстро превращается в йод , а тот – в ксенон . Ксенон-135 сильно (~ в миллион раз сильнее чем U-238) поглощает нейтроны (σa ≈ 3,5 ∙ 106 барн при En = 0,025 эВ). Около 5% Xe-135 образуется непосредственно после деления, а 95% – в цепочке:

.

Период полураспада теллура около 2 мин, поэтому после деления он практически сразу переходит в I-135. Периоды полураспада I-135 и Xe-135 равны соответственно ~6,6 и ~9,4 ч , т.е. ксенон «живёт» примерно в 1,4 раза больше, чем йод. Убыль I-135 происходит из-за радиоактивного распада и радиационного захвата нейтронов (вклад последнего намного меньше вклада распада). Через некоторое время работы реактора скорости образования и убыли йода в активной зоне будут равны между собой. Равновесная концентрация йода в ядерном топливе пропорциональна потоку нейтронов.

Убыль ксенона при потоке нейтронов >1014 см-2 ∙ с-1 происходит, главным образом, при радиационном захвате тепловых нейтронов в ксеноне. Сечение поглощения ксенона резко падает в области энергий нейтронов ,больших 1 эВ. Поэтому накопление Xe-135 (ксеноновое «отравление») приводит к затуханию цепной реакции. Если реактор работает с постоянной мощностью «отравления» не происходит (наблюдается равновесие между образованием Xe-135 и его убылью при захвате нейтронов и переходе 135Xe →135Cs).Но если мощность реактора быстро упадёт, потоки нейтронов уменьшатся и «отравление» ксеноном возрастёт. При этом выгорание Xe-135 уменьшится, а накопившийся I-135 будет продолжать переходить в Xe-135. Если через какое-то время цепной процесс усилится, Xe-135 вскоре выгорит и K возрастёт ещё больше. Т.о. кратковременное падение мощности (при котором реактор попадёт в «йодную яму») сильно затруднит управление реактором. Опасны и очень быстрые процессы увеличения мощности, когда параметры реакции изменяются в течение секунд.

Среди вторичных нейтронов есть мгновенные (появляющиеся сразу (t~10-22 c) при делении ядра) и запаздывающие, появляющиеся через 1 с – 10 с и до десятков секунд. Благодаря запаздывающим нейтронам, доля которых для  всего 0,0065 (β = 0,0065), реакцию можно заставить развиваться медленнее. Для этого K не должен превышать 1,0065 (K<1,0065). В таком случае величина K на одних мгновенных нейтронах всегда будет меньше 1,0 (Kмгн<1) и быстрое нарастание мощности исключается.

Обычно используется более удобный показатель-реактивность (ρ): , где K, по-прежнему, коэффициент размножения нейтронов. Если ρ=0 – цепной процесс идёт на постоянном уровне; если реактивность положительна, реакция ускоряется, а отрицательна – затухает.

При ускорении реакции может повыситься температура активной зоны, что приводит к увеличению скорости нейтронов, к расширению материалов в реакторе и т.п. Всё это может сказаться на ходе реакции, привести к изменению K (или ρ). В результате система может стать не саморегулирующейся, а саморазгоняющейся, и даже быстрое опускание стержней-поглотителей может не предотвратить опасные последствия.

25 апреля 1986 г четвёртый блок ЧАЭС предполагалось остановить для планового ремонта, во время которого была запланирована проверка работы регулятора магнитного поля одного из двух турбогенераторов. Эти регуляторы были разработаны для продления времени «выбега» (работы на холостом ходу) турбогенератора до момента выхода на полную мощность резервных дизель-генераторов (65 с).

Характер взрыва. Причины аварии. В официальных документах взрыв на ЧАЭС называли тепловым (по механизму взрыва). Но взрывы классифицируют и по природе запасённой энергии. По этому критерию он ядерный, т.к. при разгоне реактора выделилась энергия деления ядер урана. Но и с механизмом вопрос не простой. Начался взрыв, как тепловой: система охлаждения не справлялась с отводом тепла, содержание пара увеличивалось, и мощность реактора росла. Но положительная обратная связь замыкается здесь через цепной процесс деления урана, а уж когда реактор стал надкритичным на мгновенных нейтронах, вспыхнувшая в нём реакция по своей физической природе мало чем отличалась от процессов в атомной бомбе.

Поглощение электромагнитного излучения в веществе. Рассмотрим взаимодействие с веществом рентгеновских и γ-лучей, т.е. электромагнитных излучений с очень короткими длинами волн, которые способны глубоко проникать в вещество и производить при этом ионизацию. Для краткости здесь будем говорить только о γ-квантах. Поскольку основной ионизационный эффект обуславливается взаимодействием с веществом частиц, возникающих в ходе первичного поглощения и рассеяния γ-квантов, эти электромагнитные излучения относят к косвенно-ионизирующим.

Фотоэффект. Это процесс, при котором вся энергия падающего кванта hν передаётся связанному электрону. Его кинетическая энергия при вылете из атома Te = hν – I­i, где I­i – энергия связи той оболочки, на которой находится электрон. Энергию отдачи, полученную ядром при вылете электрона ,можно не учитывать, т.к. Tя << hν или Tя << Te. Фотоэффект всегда сопровождается либо характеристическим излучением, либо эффектом Оже, когда энергия возбуждения атома передаётся одному из его электронов, который и покидает атом.

В общем, поглощение быстро уменьшатся с возрастанием энергии. Однако каждый раз, как только энергия γ-квантов становится больше энергии, необходимой для ионизации электронов следующей более глубокой оболочки, поглощение скачком возрастает. После того как энергия γ-квантов стала больше энергии связи электронов К-оболочки, скачков больше не наблюдается. В этом случае γ-кванты (до 80%) поглощаются электронами К-оболочки, т.е. наиболее сильно связанными.

Рождение электронно-позитронных пар. При достаточно большой энергии γ-кванта становится возможным процесс, когда в одном акте взаимодействия возникают в поле какой-нибудь частицы (чаще всего ядра атома) электрон и позитрон, а квант при этом поглощается. Этот процесс около ядра происходит в области размером ~ комптоновской длины волны электрона.

Формула Резерфорда. Волны де Бройля. Опыты Хофштадтера. Формула Мотта. Форм-фактор. К заряженным частицам относятся электроны, протоны, дейтоны, a-частицы, положительные и отрицательные мезоны и гипероны, ядра (ионы) тяжелых элементов. Взаимодействие этих частиц с электронами, атомами, ядрами среды происходит через кулоновские, электромагнитные и ядерные силы. Поэтому число различных процессов взаимодействия достаточно велико. Основными механизмами взаимодействия заряженных частиц с веществом являются электромагнитное взаимодействие с электронами вещества (ионизация), а также внутриядерные взаимодействия с нуклонами ядра.

Ионизационное торможение заряженных частиц. Уравнение Бете-Блоха. Поскольку действие -излучения и нейтронов скорее результат воздействия вторичного излучения, т.е. электронов и протонов отдачи, чем результат их первичных взаимодействий, данные, полученные при изучении взаимодействия заряженных частиц с веществом, можно использовать не только для описания действия быстрых электронов или ионов, но также и для описания воздействия -излучения и нейтронов.

Пробег заряженных частиц в веществе. -электроны. В пучке электронов даже при одинаковой их начальной энергии различные частицы по-разному углубляются в толщу вещества. Это связано с их рассеянием. Лишь некоторые электроны могут пройти весь путь в одном направлении. Минимальная толщина поглотителя, необходимая для полного поглощения энергии заряженной частицы, называется линейным пробегом (). Среднее значение модуля вектора между началом и концом пробега заряженной ионизирующей частицы в данном веществе называется средним линейным пробегом ().


Ядерная физика