Реактордағы бос кеңістіктердің реактивтілікке әсері

Кіріспе

Реактордағы бос кеңістіктердің ядролық бөліну жылдамдығына тигізетін әсері

Ядролық инженерияда, бос кеңістік коэффициенті (дәлірек айтқанда, реактивтіліктің бос кеңістік коэффициенті) – реактордың модераторында немесе салқындатқышында бос кеңістіктер (әдетте, бу көпіршіктері) пайда болғанда, ядролық реактордың реактивтілігі қаншалықты өзгеретінін бағалауға қолданылатын сан. Реактордағы жалқы реактивтілік бірнеше факторға байланысты, олардың бірі – бос кеңістік коэффициенті. Модератор немесе салқындатқыш сұйық болатын реакторларда, бос кеңістік коэффициенті әдетте теріс (реактор жеткіліксіз модерацияланған болса) немесе оң (реактор артық модерацияланған болса) болады. Модератор да, салқындатқыш та сұйық емес реакторларда (мысалы, графитпен модерацияланған, газбен салқындатылған реактор) бос кеңістік коэффициенті нөлге тең болады. Модератор/салқындатқыш сұйық немесе газ емес реакторларға (суперкритикалық су реакторы) "бос кеңістік" коэффициентінің анықтамасы қалай қолданылады, бұл әлі анық емес.

Түсіндірме

Ядролық бөліну реакторлары ядролық тізбекті реакция арқылы жұмыс істейді, онда әр ядро бөліну кезінде жылу мен нейтрондар шығарады. Әр нейтрон басқа ядроға соқтығысып, оның бөлінуіне себеп болуы мүмкін. Нейтронның жылдамдығы оның қосымша бөлінуді тудыру ықтималдығына, ал нейтронды сіңіретін материалдың болуына да әсер етеді. Бір жағынан, термиялық нейтрондар жылдам нейтрондарға қарағанда бөлінетін ядроларға оңай сіңіріледі, сондықтан нейтрондарды баяулататын нейтрон модераторы ядролық реактордың реактивтілігін арттырады. Екінші жағынан, нейтронды сіңіретін материал реактордың реактивтілігін төмендетеді. Осы екі механизм ядролық реактордың жылу қуатын басқару үшін қолданылады. Ядролық реактордан пайдалы қуат алу және (көптеген реактор конструкциялары үшін) оны тұрақты жұмыс істеуі үшін салқындату жүйесі қажет. Кейбір реакторлар қысыммен берілген суды айналдырады, ал кейбіреулері сұйық металдарды – натрий, NaK, қорғасын немесе сынапты пайдаланады, ал тағы басқалары газдарды қолданады (құрлы газбен салқындатылатын реакторға қараңыз). Егер салқындатқыш сұйық болса, реактор ішіндегі температураның көтерілуі оның қайнауына әкелуі мүмкін. Бұл қайнау реактор ішіндегі көлемдік кеңістіктердің пайда болуына алып келеді. Салқындатқыш реактордан жоғалған жағдайда (суытқыш жоғалту оқиғасы деп аталады, ол басқа да қауіптерге әкеледі) да көлемдік кеңістіктер пайда болуы мүмкін. Кейбір реакторлар салқындатқышты тұрақты қайнау күйінде ұстап, пайда болған буды турбиналарды айналдыру үшін қолданады. Салқындатқыш сұйықтығы нейтронды сіңіретін материал ретінде, нейтрон модераторы ретінде, көбінесе екеуінің де рөлін атқарады, бірақ біреуі басым болады. Қай жағдайда болсын, реактор ішіндегі көлемдік кеңістік мөлшері реактордың реактивтілігіне әсер етеді. Реактор ішіндегі көлемдік кеңістіктердің өзгеруіне байланысты реактивтіліктің өзгеруі көлемдік кеңістік коэффициентіне тікелей пропорционалды. Оң көлемдік кеңістік коэффициенті реактивтіліктің реактор ішіндегі көлемдік кеңістік мөлшерінің артуымен бірге өсетінін білдіреді, мысалы, салқындатқыш негізінен нейтронды сіңіретін материал ретінде әрекет еткенде. Бұл оң көлемдік кеңістік коэффициенті оң кері байланыс циклын тудырады, ол бу көпіршіктерінің алғашқы пайда болуынан басталады. Егер автоматты басқару механизмі оған қарсы тұрмаса немесе оның жауап беру уақыты тым баяу болса, бұл реактордағы барлық салқындатқыш сұйықтығының тез қайнауына әкелуі мүмкін. Бұл оқиға Чернобыль апатында RBMK реакторында болды, себебі автоматты басқару механизмі көбінесе істен шығып, операторлар жоғары қуат деңгейін тез қалпына келтіруге тырысып жатқандықтан. Бақылау таяқшаларының нашар конструкциясының салдарынан операторлар ядродағы нейтрондық удың максималды деңгейі бар екенін білмеді. Керісінше, теріс көлемдік кеңістік коэффициенті реактор ішіндегі көлемдік кеңістік мөлшерінің артуымен бірге реактивтіліктің төмендейтінін білдіреді, бірақ реактор ішіндегі көлемдік кеңістік мөлшерінің азаюымен бірге реактивтіліктің артатынын да білдіреді. Үлкен теріс көлемдік кеңістік коэффициенттері бар қайнаған су реакторларында қысымның кенеттен өсуі (мысалы, ағын клапанының жоспарланбаған жабылуынан) көлемдік кеңістік мөлшерінің кенеттен азаюына әкеледі: жоғары қысым бу көпіршіктерінің конденсациялануына ("құлауына") әкеледі, ал жылу шығысы қауіпсіздік жүйелерімен, жоғары қуатқа байланысты көлемдік кеңістіктердің артуымен немесе қысымды төмендететін жүйелердің немесе компоненттердің істен шығуымен тоқтатылуы мүмкін, бұл көлемдік кеңістік мөлшерінің артуына және қуаттың төмендеуіне әкеледі. Қайнаған су реакторлары осы типтегі өтемақыларды басқаруға арналған және осыған қажет. Екінші жағынан, егер реактор ешқандай көлемдік кеңістіксіз жұмыс істеуге арналған болса, үлкен теріс көлемдік кеңістік коэффициенті қауіпсіздік жүйесі ретінде қызмет ете алады. Мұндай реактордағы салқындатқыштың жоғалтылуы жылу қуатын төмендетеді, бірақ шығарылған жылу енді алынып тасталмайды, сондықтан температура көтерілуі мүмкін (егер барлық басқа қауіпсіздік жүйелері бір мезгілде істен шықса). Осылайша, үлкен көлемдік кеңістік коэффициенті, оң немесе теріс болсын, реактор конструкциясына байланысты жобалау мәселесі (көбірек сақтықпен, жылдам әрекет ететін басқару жүйелерін қажет етеді) немесе қажетті сапа болуы мүмкін. Газбен салқындатылатын реакторларда көлемдік кеңістіктердің пайда болуына қатысты мәселелер жоқ.

Nuclear fission reactors run on nuclear chain reactions, in which each nucleus that undergoes fission releases heat and neutrons. Each neutron may impact another nucleus and cause it to undergo fission. The speed of this neutron affects its probability of causing additional fission, as does the presence of neutron absorbing material. On the one hand, thermal neutrons are more easily absorbed by fissile nuclei than fast neutrons, so a neutron moderator that slows neutrons will increase the reactivity of a nuclear reactor. On the other hand, a neutron absorber will decrease the reactivity of a nuclear reactor. These two mechanisms are used to control the thermal power output of a nuclear reactor. In order to extract useful power from a nuclear reactor, and (for most reactor designs) to keep it intact and functioning, a cooling system must be used. Some reactors circulate pressurized water; some use liquid metal, such as sodium, NaK, lead, or mercury; others use gases (see advanced gas cooled reactor). If the coolant is a liquid, it may boil if the temperature inside the reactor rises. This boiling leads to voids inside the reactor. Voids may also form if coolant is lost from the reactor in some sort of accident (called a loss of coolant accident, which has other dangers). Some reactors operate with the coolant in a constant state of boiling, using the generated vapor to turn turbines. The coolant liquid may act as a neutron absorber, as a neutron moderator, usually as both but with one or other role as the most influential. In either case, the amount of void inside the reactor can affect the reactivity of the reactor. The change in reactivity caused by a change of voids inside the reactor is directly proportional to the void coefficient. A positive void coefficient means that the reactivity increases as the void content inside the reactor increases due to increased boiling or loss of coolant; for example, if the coolant acts predominantly as neutron absorber. This positive void coefficient causes a positive feedback loop, starting with the first occurrence of steam bubbles. This can quickly boil all the coolant in the reactor, if not countered by an (automatic) control mechanism, or if said mechanism's response time is too slow. This happened in the RBMK reactor that was destroyed in the Chernobyl disaster as the automatic control mechanism was mostly disabled (and the operators were trying somewhat recklessly to rapidly restore a high power level. Due to poor control rod design, the operators were unaware that there was a maximal level of neutron poison in the core). A negative void coefficient means that the reactivity decreases as the void content inside the reactor increases—but it also means that the reactivity increases if the void content inside the reactor is reduced. In boiling water reactors with large negative void coefficients, a sudden pressure rise (caused, for example, by unplanned closure of a streamline valve) will result in a sudden decrease in void content: the increased pressure will cause some of the steam bubbles to condense ("collapse"); and the thermal output will possibly increase until it is terminated by safety systems, by increased void formation due to the higher power, or, possibly, by system or component failures that relieve pressure, causing void content to increase and power to decrease. Boiling water reactors are all designed (and required) to handle this type of transient. On the other hand, if a reactor is designed to operate with no voids at all, a large negative void coefficient may serve as a safety system. A loss of coolant in such a reactor decreases the thermal output, but of course heat that is generated is no longer removed, so the temperature could rise (if all other safety systems simultaneously failed). Thus, a large void coefficient, whether positive or negative, can be either a design issue (requiring more careful, faster acting control systems) or a desired quality depending on reactor design. Gas cooled reactors do not have issues with voids forming.

Реакторлардың жобалары

Қайнаған су реакторларының көбінесе теріс бос коэффициенттері болады, ал қалыпты жұмыс жағдайында теріс бос коэффициент реактор қуатын өзек арқылы су ағынының жылдамдығын өзгерту арқылы реттеуге мүмкіндік береді. Теріс бос коэффициент реактор қысымының кенеттен өсуіне (мысалы, ағын жолындағы клапанның кенеттен жабылуы) байланысты реактор қуатының жоспарланбаған өсуіне әкелуі мүмкін. Сонымен қатар, өзектің ағынының кенеттен азаюы (мысалы, қайта айналымдық сорғының істен шығуы) жағдайында теріс бос коэффициент қуаттың тербелісіне әкелуі мүмкін. Қайнаған су реакторлары ағын жолындағы клапанның кенеттен жабылуынан туындайтын қысымның өсу жылдамдығын қауіпсіз деңгейде ұстау үшін жасалған, және кез келген реактор қуатының кенеттен өсуі немесе қуаттың тұрақсыз тербелісі отын немесе құбырлардың зақымдануына әкелмес бұрын тоқтатылатынын қамтамасыз ететін бірнеше қауіпсіздік жүйелерін қамтиды. Қысымды су реакторлары салыстырмалы түрде аз көлемде бос орындармен жұмыс істейді, ал су модератор және салқындатқыш ретінде қызмет етеді. Сондықтан үлкен теріс бос коэффициент су қайнағанда немесе жоғалғанда қуаттың төмендеуін қамтамасыз етеді. CANDU реакторларының оң бос коэффициенттері бар, олардың шағын мөлшері басқару жүйелеріне қайнаған салқындатқышқа реактор қауіпті температураға жетпей тұрып жылдам жауап беруге мүмкіндік береді (қараңыз сілтемелер). Сонымен қатар, салқындатқыштың жоғалтылуы реакторды автоматты түрде тоқтатуға әкеледі, және жеңіл су реакторларынан айырмашылығы, реактор өзегіне "қалыпты" судың енгізілуі (мысалы, авариялық салқындатқыш ретінде) CANDU тек нейтронды сіңірудің болмауында ғана қауіптілікке жете алатындықтан, қауіптілік тудырмайды. RBMK реакторлары, мысалы Чернобыльдегі реакторлар, қауіпті түрде жоғары оң бос коэффициентіне ие болды. Бұл реактордың байытылмаған уранмен жұмыс істеуіне және ауыр суды қажет етпеуіне мүмкіндік берді, бұл шығындарды үнемдеуге мүмкіндік берді (сонымен қатар, басқа ресейлік негізгі реактор дизайнынан – ВВЭР-ден айырмашылығы, РБМК екі мақсатты болды, қару сапасындағы плутоний өндіре алды). Чернобыль апатынан бұрын бұл реакторлардың оң бос коэффициенті 4,7 бетаға тең болды, ал апаттан кейін олар қауіпсіз жұмыс істеуі үшін 0,7 бетаға дейін төмендетілді. Жылдам көбейту реакторлары жылдам нейтрондармен жұмыс істейтіндіктен модераторларды қолданбайды, бірақ салқындатқыш (көбінесе қорғасын немесе натрий) нейтронды сіңіруші және рефлектор ретінде қызмет ете алады. Осы себепті олардың оң бос коэффициенті бар. Магнокс реакторлары, газбен салқындатылатын озық реакторлар және тас төсектегі реакторлар газбен салқындатылады, сондықтан бос коэффициенттер мәселе тудырмайды. Шындығында, кейбір реакторлар салқындатқыш сұйықтығының толық жоғалуы белсенді басқару жүйесі болмаған жағдайда да, ядроның балқыуына әкелмейтіндей етіп жобалануы мүмкін. Кез келген реактор дизайны сияқты, салқындатқыш сұйықтығының жоғалуы апатқа әкелуі мүмкін көптеген мүмкін сәтсіздіктердің бірі ғана. Сұйық судың тас төсектегі реакторлардың өзегіне кездейсоқ енуі жағдайында оң бос коэффициент пайда болуы мүмкін. Магнокс және UNGG реакторлары электр қуаты мен қару-жараққа арналған плутоний өндіруге арналған. Advanced CANDU реакторы, CANDU негізіндегі әзірге салынбаған реактор типі, теріс бос коэффициентін уәделейді, бірақ ол отын ретінде аз байытылған уранды пайдалануы керек және "қалыпты" CANDU сияқты табиғи уранмен жұмыс істей алмайды. Ерітілген тұз реакторында тұз көбінесе күшті модератор да, нейтрондық у да емес. Егер термиялық нейтрондық спектр қолданылса, әдетте ядролық графит сияқты сыртқы модераторлар қолданылады. Ұшпалы бөлшектену өнімдері ерітіндіден "көпіршіктей шығып" кетеді, ал отын тұзда еріген кезде бұл көпіршік орнында және оның айналасында реактивтілікті төмендетеді. Сонымен қатар, бөлшектену өнімдерінің көпшілігі, ең бастысы Ксенон 135 – күшті нейтрондық улар болып табылады. Қолданылатын тұздардың қайнау температурасы салыстырмалы түрде жоғары болғандықтан (құйылған тұздың құрылымдық тұрақтылығы күмәнді болатын нүктеде), оның қайнауының салдарына көбінесе аз немесе мүлдем назар аударылмайды. Көбінесе еритілген тұз реакторлары тұздардың қайнау температурасынан әлдеқайда төмен температурада балқитын және олардың өзекті ұстағышта қатып қалуына мүмкіндік беретін балқыту плагинін қолданады.

Boiling water reactors generally have negative void coefficients, and in normal operation the negative void coefficient allows reactor power to be adjusted by changing the rate of water flow through the core. The negative void coefficient can cause an unplanned reactor power increase in events (such as sudden closure of a streamline valve) where the reactor pressure is suddenly increased. In addition, the negative void coefficient can result in power oscillations in the event of a sudden reduction in core flow, such as might be caused by a recirculation pump failure. Boiling water reactors are designed to ensure that the rate of pressure rise from a sudden streamline valve closure is limited to acceptable values, and they include multiple safety systems designed to ensure that any sudden reactor power increases or unstable power oscillations are terminated before fuel or piping damage can occur. Pressurized water reactors operate with a relatively small amount of voids, and the water serves as both moderator and coolant. Thus a large negative void coefficient ensures that if the water boils or is lost the power output will drop. CANDU reactors have positive void coefficients that are small enough that the control systems can easily respond to boiling coolant before the reactor reaches dangerous temperatures (see References). Furthermore, a loss of coolant accident automatically scrams the reactor and unlike in light water reactors, the introduction of "regular" water to the reactor core—for example as an emergency coolant—does not pose the risk of criticality as a CANDU can only reach criticality in the absence of the neutron absorption that is present in significant quantities of light water. RBMK reactors, such as the reactors at Chernobyl, had a dangerously high positive void coefficient. This allowed the reactor to run on unenriched uranium and to require no heavy water, saving costs (also, unlike other Russian main reactor design VVER, RBMKs were dual use, able to produce weapons grade plutonium). Before the Chernobyl accident these reactors had a positive void coefficient of 4.7 beta, which after the accident was lowered to 0.7 beta so they could safely remain in service. Fast breeder reactors do not use moderators, since they run on fast neutrons, but the coolant (often lead or sodium) may serve as a neutron absorber and reflector. For this reason they have a positive void coefficient. Magnox reactors, advanced gas cooled reactors and pebble bed reactors are gas cooled and so void coefficients are not an issue. In fact, some can be designed so that total loss of coolant does not cause core meltdown even in the absence of active control systems. As with any reactor design, loss of coolant is only one of many possible failures that could potentially lead to an accident. In case of accidental ingress of liquid water into the core of pebble bed reactors, a positive void coefficient may occur. Magnox and UNGG reactors were designed with the dual purpose of producing electrical power and weapon grade plutonium. The Advanced CANDU reactor, a never built proposed reactor type based on the CANDU, promises a negative void coefficient but it must use slightly enriched uranium as a fuel and cannot operate with natural uranium as the "regular" CANDU does. In a molten salt reactor the salt is usually neither a strong moderator nor a neutron poison. If a thermal neutron spectrum is used, external moderators such as nuclear graphite are usually employed. Volatile fission products can "bubble out" of solution and as the fuel is dissolved in the salt, this decreases reactivity at and around the site of the bubble. Furthermore, most of the fission product noble gases—chief among them Xenon 135 are strong neutron poisons. As the boiling point of the involved salts is relatively high (at a point at which the structural integrity of the housing for the molten salt would be in question), there is usually little to no emphasis put on the consequences of it boiling off. Frequently molten salt reactors employ a melt plug that melts at much lower temperatures than the boiling point of the salts and allows them to solidify in a core catcher.