Ядролық реакторларды басқару таяқшалары

Кіріспе

Ядролық реактордың қуатын реттеуге қолданылатын құрылғы

Бақылау таяқшалары ядролық реакторларда ядролық отын – уран немесе плутонийдің бөліну қарқынын басқару үшін пайдаланылады. Олардың құрамында борон, кадмий, күміс, гафний немесе индий сияқты, өзі ыдырамай көптеген нейтрондарды сіңіре алатын химиялық элементтер болады. Бұл элементтердің әртүрлі энергиядағы нейтрондар үшін әртүрлі нейтрон ұстау қимасы бар. Қайнаған су реакторлары (BWR), қысымды су реакторлары (PWR) және ауыр су реакторлары (HWR) термиялық нейтрондармен, ал көбейткіш реакторлар жылдам нейтрондармен жұмыс істейді. Әрбір реактордың конструкциясы оның нейтрондарының энергия спектріне қарай әртүрлі басқару таяқшалары материалдарын қолдануға мүмкіндік береді. Бақылау таяқшалары "Плутон" жобасы сияқты ядролық ұшақ қозғалтқыштарында басқару құралы ретінде де қолданылған.

Жұмыс істеу принципі

Басқару таяқшалары ядролық реактордың өзегіне енгізіліп, ядролық тізбекті реакцияның жылдамдығын және осылайша реактордың жылу қуатын, бу өндірісінің жылдамдығын және электр станциясының электр қуатын басқару үшін реттеледі. Реактордың реактивтілігіне енгізілген басқару таяқшаларының саны және олардың енгізілу тереңдігі зор әсер етеді. Реактивтілік (тиімді нейтрон көбейту коэффициенті ретінде) 1-ден жоғары болғанда, ядролық тізбекті реакцияның жылдамдығы уақыт өте келе экспоненциалды түрде артады. Реактивтілік 1-ден төмен болса, реакция жылдамдығы уақыт өте келе экспоненциалды түрде төмендейді. Барлық басқару таяқшалары толық енгізілген кезде, олар реактивтілікті 0-ге жуық ұстайды, бұл жұмыс істеп тұрған реакторды жылдам тоқтатып, тоқтатылған күйде ұстайды (жабылу). Егер барлық басқару таяқшалары толық алынып тасталса, реактивтілік 1-ден жоғары болады, ал реактор жылдам қызып, қызып кетеді, басқа факторлар (мысалы, температуралық реактивтілік кері байланысы) реакция жылдамдығын баяулататынша. Тұрақты қуатты сақтау үшін ұзақ мерзімді орташа нейтрон көбейту коэффициентін 1-ге жақын ұстау қажет. Жаңа реактор басқару таяқшалары толық енгізілген күйде құрастырылады. Бақылау таяқшалары ядродан жартылай алынып, ядролық тізбекті реакцияның іске қосылып, қажетті қуат деңгейіне дейін өсуіне мүмкіндік береді. Нейтрон ағыны өлшенуі мүмкін және реакция жылдамдығы мен қуат деңгейіне шамамен пропорционалды. Қуатты арттыру үшін кейбір басқару таяқшалары біраз уақытқа алыстатылады. Қуатты азайту үшін кейбір басқару таяқшалары біраз уақытқа кішігірім қашықтыққа итеріледі. Реактивтілікке тағы да бірнеше факторлар әсер етеді; оларды өтеу үшін автоматты басқару жүйесі кейбір реакторларда қажет болған жағдайда басқару таяқшаларын кішкене мөлшерде кіріп-шығып реттейді. Әрбір басқару таяқшасы реактордың кейбір бөліктеріне басқаларына қарағанда күштірек әсер етеді; отынның таралуын есептеу арқылы түзетулер жасау арқылы ядроның әртүрлі бөліктерінде ұқсас реакция жылдамдықтары мен температураларын сақтауға болады. Қазіргі заманғы реакторлардың, мысалы, Еуропалық қысымды реактордың немесе Advanced CANDU реакторының тоқтату уақыты 90% қысқарту үшін екі секундты құрайды, бұл ыдырау жылуымен шектеледі. Басқару таяқшалары әдетте басқару таяқшалары жиынтығында қолданылады (әдетте коммерциялық PWR жиынтығында 20 таяқша) және отын элементтеріндегі нұсқаулық түтіктерге енгізіледі. Басқару таяқшалары көбінесе өзектің ішінде тік тұрады. PWR-де олар жоғарыдан енгізіледі, басқару таяқшаларын басқару механизмдері реактордың қысым ыдысының басына орнатылған. BWR-де, өзектің үстінде бу құрғатылғышының қажеттілігіне байланысты, бұл конструкция басқару таяқшаларын төменнен енгізуді талап етеді.

Control rods are inserted into the core of a nuclear reactor and adjusted in order to control the rate of the nuclear chain reaction and, thereby, the thermal power output of the reactor, the rate of steam production, and the electrical power output of the power station. The number of control rods inserted, and the distance to which they are inserted, strongly influence the reactivity of the reactor. When reactivity (as effective neutron multiplication factor) is above 1, the rate of the nuclear chain reaction increases exponentially over time. When reactivity is below 1, the rate of the reaction decreases exponentially over time. When all control rods are fully inserted, they keep reactivity barely above 0, which quickly slows a running reactor to a stop and keeps it stopped (in shutdown). If all control rods are fully removed, reactivity is significantly above 1, and the reactor quickly runs hotter and hotter, until some other factor (such as temperature reactivity feedback) slows the reaction rate. Maintaining a constant power output requires keeping the long term average neutron multiplication factor close to 1. A new reactor is assembled with its control rods fully inserted. Control rods are partially removed from the core to allow the nuclear chain reaction to start up and increase to the desired power level. Neutron flux can be measured, and is roughly proportional to reaction rate and power level. To increase power output, some control rods are pulled out a small distance for a while. To decrease power output, some control rods are pushed in a small distance for a while. Several other factors affect the reactivity; to compensate for them, an automatic control system adjusts the control rods small amounts in or out, as needed in some reactors. Each control rod influences some part of the reactor more than others; calculated adjustments to fuel distribution can be made to maintain similar reaction rates and temperatures in different parts of the core. Typical shutdown time for modern reactors such as the European Pressurized Reactor or Advanced CANDU reactor is two seconds for 90% reduction, limited by decay heat. Control rods are usually used in control rod assemblies (typically 20 rods for a commercial PWR assembly) and inserted into guide tubes within the fuel elements. Control rods often stand vertically within the core. In PWRs they are inserted from above, with the control rod drive mechanisms mounted on the reactor pressure vessel head. In BWRs, due to the necessity of a steam dryer above the core, this design requires insertion of the control rods from beneath.

Материалдар

Күміс, индий және кадмий пайдалы түрде жоғары нейтронды тұтқындау қимасына ие химиялық элементтер болып табылады. Басқа кандидат элементтерге бор, кобальт, гафний, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, холмий, эрбий, тулий, иттербий және лютеций жатады. Сонымен қатар, жоғары боры бар болат, күміс-индий-кадмий қорытпасы, борон карбиді, цирконий дибориді, титан дибориді, гафний дибориді, гадолиний нитраты, гадолиний титанаты, диспрозий титанаты және борон карбиді-европий гексабориді композиті сияқты қорытпалар немесе қосылыстар қолданылуы мүмкін. Материалды таңдау реактордағы нейтрон энергиясына, олардың нейтрондық ісінуге төзімділігіне және қажетті механикалық және қызмет ету мерзіміне байланысты. Тағандар нейтрондарды сіңіретін гранулалармен немесе ұнтақпен толтырылған түтікшелер түрінде болуы мүмкін. Түтікшелер тот баспайтын болаттан немесе цирконий, хром, кремний карбиді немесе кубикалық (кубикалық борон нитриді) сияқты басқа "нейтрон терезесі" материалдарынан жасалуы мүмкін. "Жанатын у" изотоптарының жануы да басқару таяғының қызмет ету мерзімін шектейді. Оларды азайту үшін гафний сияқты элементті, тиімділігін жоғалтпай тұрып бірнеше нейтрондарды ұстап алатын "жанып кетпейтін уды" немесе нейтронды сіңіретін заттарды пайдаланбау керек. Мысалы, тас төсектегі реакторларда немесе литий-7 типті жаңа реакторларда отын және сіңіргіштер тас түрінде қолданылады. Кейбір сирек кездесетін элементтер өте жақсы нейтрондарды сіңіреді және күмістен (қорытындысы шамамен 500 000 тонна) жиі кездеседі. Мысалы, иттербий (қоры 1 миллион тонна шамасында) және иттрий, орташа тұтқындау мәндері бар, күмістен 400 есе көп таралған, ксенотим (Yb) (Yb0.40Y0.27Lu0.12Er0.12Dy0.05Tm0.04Ho0.01)PO4 немесе кевит (Yb) (Yb1.43Lu0.23Er0.17Tm0.08Y0.05Dy0.03Ho0.02)2Si2O7 сияқты минералдардың ішінде бөлек қолданылуы мүмкін, бұл шығындарды төмендетеді. Ксенон да газ ретінде нейтрондарды сіңіретін күшті зат болып табылады және оны гелиймен салқындатылған реакторларды басқару және (қажетті жағдайда) тоқтату үшін қолдануға болады, бірақ қысым жоғалған жағдайда немесе ыдыс бөлігінің айналасында, әсіресе ядроны ұстап алатын реакторлар жағдайында немесе натриймен немесе литиймен толтырылған жағдайда, аргонмен бірге жанудан қорғайтын газ ретінде жұмыс істемейді. Ксенонның цезийдің тұнбалануын күтіп, радиоактивтілік қалмағанда қолдануға болады. Кобальт-59 гамма сәуле көзі ретінде пайдалану үшін кобальт-60 өндіру үшін сіңіргіш ретінде де қолданылады. Басқару таяқшалары вольфрамды шағылыстырғыш және сіңіруші жағы бар қалың бұрылатын таяқшалар түрінде де жасалуы мүмкін, ол пружинамен бір секундтан аз уақыт ішінде тоқтатылады. Күміс-индий-кадмий қорытпалары, әдетте 80% Ag, 15% In және 5% Cd, қысымдағы су реакторлары үшін кең таралған басқару таяқшасы материалы болып табылады. Материалдардың энергияны сіңіретін аймақтарының айырмашылығы қорытпаны өте жақсы нейтронды сіңіретін етеді. Ол жақсы механикалық беріктікке ие және оны оңай жасауға болады. Ыстық судың коррозиясын болдырмау үшін ол тот баспайтын болатпен қоршалуы керек. Индий күміске қарағанда сирек кездесетін болса да, ол қымбат. Бор да кең таралған нейтронды сіңіргіш. 10B және 11B-нің әртүрлі көлденең қималарына байланысты, 10B-мен изотоптық бөліну арқылы байытылған борды құрайтын материалдар жиі қолданылады. Бордың кең жұтылу спектрі оны нейтрон қалқаны ретінде де жарамды етеді. Бордың механикалық қасиеттері оның элементарлық түрінде жарамсыз, сондықтан оның орнына қорытпалар немесе қосылыстар қолданылуы керек. Жалпы таңдалғандары - жоғары боры бар болат және борон карбиді. Соңғысы PWR және BWR-де басқару таяқшасы ретінде қолданылады. 10B/11B бөлуді коммерциялық түрде BF3 үстіндегі газды центрифугалармен жүзеге асырады, бірақ оны BH3 үстінде боран өндірісінен немесе тікелей энергияны оңтайландыруға арналған балқыту центрифугасымен, алдын ала қыздыру үшін жаңадан бөлінген бордың жылуын пайдалана отырып, жасауға болады. Гафнийдің суды жұмсарту және салқындату үшін қолданатын реакторлар үшін өте жақсы қасиеттері бар. Оның механикалық беріктігі жақсы, оны оңай жасау мүмкін және ыстық суда коррозияға төзімді. Гафний қақтамен және оттегімен созылу және жыртылу беріктігін арттыру үшін, темірмен, хроммен және ниобиймен коррозияға төзімділік үшін, молибденмен тозуға төзімділік, қаттылық және машинамен өңдеуге қабілеттілік үшін қорытылуы мүмкін. Мұндай қорытпалар Hafaloy, Hafaloy M, Hafaloy N және Hafaloy NM деп аталады. Гафнийдің жоғары құны және аз қолжетімділігі оның азаматтық реакторларда қолданылуын шектейді, бірақ ол кейбір АҚШ Әскери-теңіз күштері реакторларында қолданылады. Гафний карбиді де 3890°C жоғары балқу температурасы және уран диоксидінен жоғары тығыздығы бар еритін емес материал ретінде қолданылуы мүмкін, кор кезеңінде еримей, төменге түсуі үшін. Диспрозий титанаты қысымдағы су басқару таяқшалары үшін бағалануда. Диспрозий титанаты Ag In Cd қорытпаларына перспективті балама болып табылады, өйткені оның балқу температурасы әлдеқайда жоғары, қаптама материалдарымен реакцияға түспейді, өндіру оңай, радиоактивті қалдықтарды өндірмейді, ісінбейді және газ шығармайды. Ол Ресейде әзірленген және кейбір VVER және RBMK реакторлары үшін ұсынылады. Кемшілігі - титанның және сіңіру қабілетінің аздығы, басқа нейтронды сіңіретін элементтер қаптама материалдарымен реакцияға түспейді және диспрозийдің ксенотим (Yb) (Yb0.40Y0.27Lu0.12Er0.12Dy0.05Tm0.04Ho0.01)PO4 немесе кевит (Yb) (Yb1.43Lu0.23Er0.17Tm0.08Y0.05Dy0.03Ho0.02)2Si2O7 сияқты минералдардың ішіндегі диспрозиймен ажыратылмайтын мазмұнының артықшылығы бар. Гафний дибориді де осындай материал болып табылады. Оны жеке немесе гафний және борон карбиді ұнтақтарының шиналанған қоспасы ретінде қолдануға болады. Сирек кездесетін элементтердің көптеген басқа қосылыстарын, мысалы, самарийді европий және самарий бориді сияқты бормен қолдануға болады, ол қазірдің өзінде бояу өнеркәсібінде қолданылады. Титанға ұқсас, бірақ арзан боронның аз сіңіретін қосылыстары, мысалы, молибден Mo2B5. Олардың барлығы бормен ісінетіндіктен, практикада карбоидтер немесе екі немесе одан көп нейтронды сіңіретін элементтердің бірге қосылыстары жақсырақ. Вольфрамның, және мүмкін басқа элементтердің, мысалы, танталдың, гафний сияқты жоғары тұтқындау қасиеттеріне ие екені, бірақ кері әсері бар екені маңызды. Бұл тек нейтронның шағылысуымен ғана түсіндірілмейді. Нақты түсіндірмесі - уранның тұрақсыз жағдайлары үшін, мысалы, 235mU изотопы үшін, жартылай өмірі шамамен 26 минутты құрайтын, резонанстық гамма сәулелерінің бөліну және өсіру коэффициентін арттыруы.

Chemical elements with usefully high neutron capture cross sections include silver, indium, and cadmium. Other candidate elements include boron, cobalt, hafnium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, and lutetium. Alloys or compounds may also be used, such as high boron steel, silver indium cadmium alloy, boron carbide, zirconium diboride, titanium diboride, hafnium diboride, gadolinium nitrate, gadolinium titanate, dysprosium titanate, and boron carbide–europium hexaboride composite. The material choice is influenced by the neutron energy in the reactor, their resistance to neutron induced swelling, and the required mechanical and lifespan properties. The rods may have the form of tubes filled with neutron absorbing pellets or powder. The tubes can be made of stainless steel or other "neutron window" materials such as zirconium, chromium, silicon carbide, or cubic (cubic boron nitride). The burnup of "burnable poison" isotopes also limits lifespan of a control rod. They may be reduced by using an element such as hafnium, a "non burnable poison" which captures multiple neutrons before losing effectiveness, or by not using neutron absorbers for trimming. For example, in pebble bed reactors or in possible new type lithium 7 moderated and cooled reactors that use fuel and absorber pebbles. Some rare earth elements are excellent neutron absorbers and are more common than silver (reserves of about 500,000t). For example, ytterbium (reserves about one M tons) and yttrium, 400 times more common, with middle capturing values, can be found and used together without separation inside minerals like xenotime (Yb) (Yb0.40Y0.27Lu0.12Er0.12Dy0.05Tm0.04Ho0.01)PO4, or keiviite (Yb) (Yb1.43Lu0.23Er0.17Tm0.08Y0.05Dy0.03Ho0.02)2Si2O7, lowering the cost. Xenon is also a strong neutron absorber as a gas, and can be used for controlling and (emergency) stopping helium cooled reactors, but does not function in cases of pressure loss, or as a burning protection gas together with argon around the vessel part especially in case of core catching reactors or if filled with sodium or lithium. Fission produced xenon can be used after waiting for caesium to precipitate, when practically no radioactivity is left. Cobalt 59 is also used as an absorber for winning of cobalt 60 for use as a gamma ray source. Control rods can also be constructed as thick turnable rods with a tungsten reflector and absorber side turned to stop by a spring in less than one second. Silver indium cadmium alloys, generally 80% Ag, 15% In, and 5% Cd, are a common control rod material for pressurized water reactors. The somewhat different energy absorption regions of the materials make the alloy an excellent neutron absorber. It has good mechanical strength and can be easily fabricated. It must be encased in stainless steel to prevent corrosion in hot water. Although indium is less rare than silver, it is more expensive. Boron is another common neutron absorber. Due to the different cross sections of 10B and 11B, materials containing boron enriched in 10B by isotopic separation are frequently used. The wide absorption spectrum of boron also makes it suitable as a neutron shield. The mechanical properties of boron in its elementary form are unsuitable, and therefore alloys or compounds have to be used instead. Common choices are high boron steel and boron carbide. The latter is used as a control rod material in both PWRs and BWRs. 10B/11B separation is done commercially with gas centrifuges over BF3, but can also be done over BH3 from borane production or directly with an energy optimized melting centrifuge, using the heat of freshly separated boron for preheating. Hafnium has excellent properties for reactors using water for both moderation and cooling. It has good mechanical strength, can be easily fabricated, and is resistant to corrosion in hot water. Hafnium can be alloyed with other elements, e. g. with tin and oxygen to increase tensile and creep strength, with iron, chromium, and niobium for corrosion resistance, and with molybdenum for wear resistance, hardness, and machineability. Such alloys are designated as Hafaloy, Hafaloy M, Hafaloy N, and Hafaloy NM. The high cost and low availability of hafnium limit its use in civilian reactors, although it is used in some US Navy reactors. Hafnium carbide can also be used as an insoluble material with a high melting point of 3890 °C and density higher than that of uranium dioxide for sinking, unmelted, through corium. Dysprosium titanate was undergoing evaluation for pressurized water control rods. Dysprosium titanate is a promising replacement for Ag In Cd alloys because it has a much higher melting point, does not tend to react with cladding materials, is easy to produce, does not produce radioactive waste, does not swell and does not outgas. It was developed in Russia and is recommended by some for VVER and RBMK reactors. A disadvantage is less titanium and oxide absorption, that other neutron absorbing elements do not react with the already high melting point cladding materials and that just using the unseparated content with dysprosium inside of minerals like Keiviit Yb inside chromium, SiC or c11B15N tubes deliver superior price and absorption without swelling and outgassing. Hafnium diboride is another such material. It can be used alone or in a sintered mixture of hafnium and boron carbide powders. Many other compounds of rare earth elements can be used, such as samarium with boron like europium and samarium boride, which is already used in the colour industry. Less absorptive compounds of boron similar to titanium, but inexpensive, such as molybdenum as Mo2B5. Since they all swell with boron, in practice other compounds are better, such as carbides, or compounds with two or more neutron absorbing elements together. It is important that tungsten, and probably also other elements such as tantalum, have much the same high capture qualities as hafnium, but with the opposite effect. This is not explainable by neutron reflection alone. An obvious explanation is resonance gamma rays increasing the fission and breeding ratio versus causing greater capture of uranium, and others over metastable conditions such as for isotope 235mU, which has a half life of approximately 26 minutes.

Реактивтілікті реттеудің қосымша құралдары

Реактивтілікті бақылаудың басқа тәсілдері (PWR үшін) реактор салқындатқышына еритін нейтронды сіңіргіш (борал қышқылы) қосуды қамтиды, бұл стационарлық қуат жұмысы кезінде басқару таяқшаларын толық шығаруға мүмкіндік береді, соның арқасында бүкіл активті аймақ бойынша қуат пен нейтрондық ағын тең бөлінеді. Бұл химиялық түзету, отын пеллетеріндегі нейтронды уландырғыштарды қолданумен бірге, активті аймақтың ұзақ мерзімді реактивтілігін реттеуге көмектеседі, ал басқару таяқшалары реактор қуатын жылдам өзгерту үшін қолданылады (мысалы, тоқтату және іске қосу). BWR операторлары реактивтілікті басқару үшін активті аймақ арқылы салқындатқыш ағынын өзгертеді, реактор айналымдық сорғыларының жылдамдығын реттеу арқылы (активті аймақ арқылы салқындатқыш ағымының артуы бу көпіршіктерін кетіруді жақсартады, осылайша салқындатқыш/модератордың тығыздығын арттырып, қуатты ұлғайтады).

Қауіпсіздік

Реакторлардың көпшілігінде қауіпсіздік шарасы ретінде басқару таяқшалары тікелей механикалық байланыс емес, көтергіш механизмдерге электромагниттер арқылы бекітіледі. Бұл, қуат жоғалу жағдайында немесе көтергіш механизмнің істен шығуына байланысты қолмен іске қосылған жағдайда, басқару таяқшалары гравитация күшімен реакцияны тоқтату үшін толығымен реактордың активтік аймағына түсіп, автоматты түрде төмендейді дегенді білдіреді. Бұл қауіпсіздік принципінен ерекшелік – BWR реакторы, ол төтенше жағдайларда арнайы резервуардан жоғары қысыммен берілетін суды пайдаланып, гидравликалық түрде енгізілуді талап етеді. Реакторды осылайша жылдам тоқтату "скрам" деп аталады.

Апаттардың алдын алу

Басқарудың нашарлауы немесе басқару таяқшаларының істен шығуы жиі ядролық апаттардың себебі деп айтылады, оның ішінде SL-1 жарылысы мен Чернобыль апаты да бар. Біртекті нейтрон жұтушылар бөлінетін металдардың сулы ерітінділеріне қатысты сынды апаттарды басқару үшін жиі қолданылады. Мұндай жағдайларда бірнеше апатта жүйеге боракс (натрий бораты) немесе кадмий қосылысы қосылған. Кадмийді бөлінетін материалдың азот қышқылындағы ерітінділеріне металл түрінде қосуға болады; қышқылда кадмийдің коррозиялануы нәтижесінде кадмий нитраты түзіледі. АГР сияқты көмірқышқыл газымен салқындатылатын реакторларда егер қатты басқару таяқшалары ядролық реакцияны тоқтатуға қабілетсіз болса, азот газы біріншілік салқындату контурына жіберілуі мүмкін. Бұл азоттың нейтрондарды жұту қимасы көміртекке немесе оттегіне қарағанда жоғары болғандықтан, ядроның реакциялық қабілеті төмендейді. Нейтрон энергиясы артқан сайын, көптеген изотоптардың нейтронды жұту қимасы азаяды. Боронның 10B изотопы нейтрондарды жұтудың көп бөлігіне жауапты. Бор құрамындағы материалдар реакторлық ядроға жақын материалдардың белсенділігін азайту үшін нейтронды қорғаныс ретінде де қолданылуы мүмкін.