Регулирующие стержни ядерного реактора

Введение

Устройство, используемое для регулирования мощности ядерного реактора.

Контрольные стержни используются в ядерных реакторах для управления скоростью деления ядерного топлива – урана или плутония. В их состав входят химические элементы, такие как бор, кадмий, серебро, гафний или индий, способные поглощать большое количество нейтронов, не подвергаясь при этом распаду. Эти элементы имеют различные сечения захвата нейтронов для нейтронов разных энергий. Кипящие водяные реакторы (BWR), реакторы под давлением (PWR) и тяжеловодные реакторы (HWR) работают с тепловыми нейтронами, а реакторы-размножители – с быстрыми нейтронами. В зависимости от энергетического спектра нейтронов, каждый тип реактора может использовать различные материалы для контрольных стержней. Контрольные стержни применялись в ядерных авиационных двигателях, например, в проекте "Плутон", в качестве средства управления.

Принцип работы

Контрольные стержни вставляются в ядро ядерного реактора и регулируются для управления скоростью ядерной цепной реакции и, тем самым, тепловой мощностью реактора, скоростью парообразования и электрической мощностью электростанции. Количество вставленных контрольных стержней и глубина их ввода оказывают существенное влияние на реактивность реактора. Когда реактивность (в виде эффективного коэффициента размножения нейтронов) превышает 1, скорость ядерной цепной реакции экспоненциально возрастает со временем. Когда реактивность ниже 1, скорость реакции экспоненциально уменьшается со временем. При полном вводе всех контрольных стержней реактивность поддерживается незначительно выше 0, что быстро замедляет работающий реактор до остановки и удерживает его в остановленном состоянии. Если все контрольные стержни полностью выведены, реактивность значительно превышает 1, и реактор быстро нагревается, пока какой-либо другой фактор (например, температурная обратная связь по реактивности) не замедлит скорость реакции. Поддержание постоянной выходной мощности требует поддержания долгосрочного среднего коэффициента размножения нейтронов вблизи 1. Новый реактор собирается с полностью введенными контрольными стержнями. Контрольные стержни частично выводятся из ядра для запуска ядерной цепной реакции и ее наращивания до требуемого уровня мощности. Нейтронный поток измеряется и приблизительно пропорционален скорости реакции и уровню мощности. Для увеличения мощности некоторые контрольные стержни на короткое время выводятся на небольшое расстояние. Для уменьшения мощности некоторые контрольные стержни на короткое время вводятся на небольшое расстояние. На реактивность влияют и другие факторы; для их компенсации автоматическая система управления регулирует положение контрольных стержней, вводя или выводя их на небольшие величины, в зависимости от необходимости в некоторых реакторах. Каждый контрольный стержень оказывает большее влияние на определенные части реактора, чем на другие; для поддержания схожих скоростей реакции и температур в различных частях активной зоны могут быть выполнены расчетные корректировки распределения топлива. Типичное время остановки для современных реакторов, таких как Европейский реактор под давлением или Advanced CANDU, составляет две секунды для снижения на 90%, что ограничено теплом распада. Контрольные стержни обычно используются в сборках управляющих стержней (обычно 20 стержней в коммерческой сборке PWR) и вводятся в направляющие каналы внутри топливных элементов. Контрольные стержни часто расположены вертикально внутри активной зоны. В РВР они вводятся сверху, а механизмы управления контрольными стержнями устанавливаются на головке корпуса реактора. В BWR, из-за необходимости установки сепаратора влаги над активной зоной, конструкция предусматривает ввод контрольных стержней снизу.

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.

Материалы

Химические элементы с полезным высоким сечением захвата нейтронов включают серебро, индий и кадмий. Другие элементы-кандидаты включают бор, кобальт, гафний, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, холмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций. Также могут использоваться сплавы или соединения, такие как сталь с высоким содержанием бора, сплав серебра, индия и кадмия, карбид бора, диборид циркония, диборид титана, диборид гафния, нитрат гадолиния, титанат гадолиния, титанат диспрозия и композит карбид бора–гексаборид европия. Выбор материала определяется энергией нейтронов в реакторе, их устойчивостью к нейтронному набуханию, а также требуемыми механическими свойствами и сроком службы. Стержни могут иметь форму трубок, заполненных нейтронопоглощающими таблетками или порошком. Трубки могут быть изготовлены из нержавеющей стали или других материалов, пропускающих нейтроны ("нейтронных окон"), таких как цирконий, хром, карбид кремния или кубический нитрид бора. "Выгорание" изотопов "поглотителя-яда" также ограничивает срок службы управляющего стержня. Его можно уменьшить, используя элемент, такой как гафний, "невыгорающий яд", который захватывает несколько нейтронов, прежде чем потерять эффективность, или не используя поглотители нейтронов для точной настройки. Например, в реакторах с каменно-угольным слоем или в перспективных новых реакторах с литий-7 в качестве замедлителя и теплоносителя, использующих топливные и поглощающие шарики. Некоторые редкоземельные элементы являются отличными поглотителями нейтронов и более распространены, чем серебро (запасы около 500 000 т). Например, иттербий (запасы около одного Мт) и иттрий, который в 400 раз более распространен, со средними значениями захвата, могут быть найдены и использованы вместе без разделения внутри минералов, таких как ксенотим (Yb) (Yb0.40Y0.27Lu0.12Er0.12Dy0.05Tm0.04Ho0.01)PO4 или кеивит (Yb) (Yb1.43Lu0.23Er0.17Tm0.08Y0.05Dy0.03Ho0.02)2Si2O7, что снижает стоимость. Ксенон также является сильным поглотителем нейтронов в газообразном состоянии и может использоваться для управления и (аварийной) остановки гелий-охлаждаемых реакторов, но не функционирует при потере давления или в качестве защитного газа от горения вместе с аргоном вокруг части корпуса, особенно в случае реакторов с захватом расплава или при заполнении натрием или литием. Ксенон, образующийся при делении, может быть использован после осаждения цезия, когда практически не остается радиоактивности. Кобальт-59 также используется в качестве поглотителя для получения кобальта-60 для использования в качестве источника гамма-излучения. Управляющие стержни также могут быть изготовлены в виде толстых вращающихся стержней с вольфрамовым отражателем и поглощающей стороной, которые могут быть остановлены пружиной менее чем за одну секунду. Сплавы серебра, индия и кадмия, обычно состоящие из 80% Ag, 15% In и 5% Cd, являются распространенным материалом для управляющих стержней для реакторов с водой под давлением. Несколько отличающиеся области поглощения энергии материалов делают сплав отличным поглотителем нейтронов. Он обладает хорошей механической прочностью и может быть легко изготовлен. Он должен быть заключен в нержавеющую сталь для предотвращения коррозии в горячей воде. Хотя индий встречается реже серебра, он дороже. Бор – еще один распространенный поглотитель нейтронов. Из-за различных сечений захвата 10B и 11B часто используются материалы, содержащие бор, обогащенный 10B путем изотопного разделения. Широкий спектр поглощения бора также делает его подходящим в качестве нейтронного экрана. Механические свойства бора в элементарном виде не подходят, поэтому вместо него должны использоваться сплавы или соединения. Обычно выбирают сталь с высоким содержанием бора и карбид бора. Последний используется в качестве материала для управляющих стержней как в PWR, так и в BWR. Разделение 10B/11B осуществляется в промышленных масштабах с помощью газовых центрифуг над BF3, но также может быть выполнено над BH3 из производства борана или непосредственно с помощью оптимизированной по энергии плавильной центрифуги, используя тепло свежеотделенного бора для предварительного нагрева. Гафний обладает отличными свойствами для реакторов, использующих воду в качестве замедлителя и теплоносителя. Он обладает хорошей механической прочностью, может быть легко изготовлен и устойчив к коррозии в горячей воде. Гафний может быть легирован другими элементами, например, с оловом и кислородом для повышения предела прочности при растяжении и ползучести, с железом, хромом и ниобием для повышения коррозионной стойкости и с молибденом для повышения износостойкости, твердости и обрабатываемости. Такие сплавы обозначаются как Hafaloy, Hafaloy M, Hafaloy N и Hafaloy NM. Высокая стоимость и низкая доступность гафния ограничивают его использование в гражданских реакторах, хотя он используется в некоторых реакторах ВМС США. Карбид гафния также может использоваться в качестве нерастворимого материала с высокой температурой плавления 3890 °C и плотностью выше, чем у диоксида урана, для погружения, не расплавляясь, в расплавленные продукты реактора. Титанат диспрозия проходил оценку для управляющих стержней реакторов с водой под давлением. Титанат диспрозия является перспективной заменой сплавам AgInCd, поскольку он имеет гораздо более высокую температуру плавления, не склонен реагировать с материалами оболочки, легко производится, не образует радиоактивных отходов, не набухает и не выделяет газы. Он был разработан в России и рекомендуется некоторыми для реакторов ВВЭР и РБМК. Недостатком является меньшее поглощение титана и оксидов, а также то, что другие нейтронопоглощающие элементы не реагируют с уже высокоплавкими материалами оболочки, и что простое использование неразделенного содержания с диспрозием внутри минералов, таких как кеивит Yb, внутри хрома, SiC или c11B15N трубок обеспечивает превосходную цену и поглощение без набухания и выделения газов. Диборид гафния является еще одним таким материалом. Его можно использовать отдельно или в спеченном порошке гафния и карбида бора. Можно использовать многие другие соединения редкоземельных элементов, такие как самарий с бором, например, борид европия и самария, который уже используется в цветной промышленности. Менее поглощающие соединения бора, аналогичные титану, но недорогие, такие как молибден в виде Mo2B5. Поскольку все они набухают с бором, на практике лучше использовать другие соединения, такие как карбиды или соединения с двумя или более нейтронопоглощающими элементами вместе. Важно, что вольфрам, и, вероятно, другие элементы, такие как тантал, обладают примерно такими же высокими характеристиками захвата, как и гафний, но с противоположным эффектом. Это нельзя объяснить только отражением нейтронов. Очевидным объяснением являются резонансные гамма-лучи, увеличивающие коэффициент деления и размножения, а не вызывающие большее захватывание урана и других веществ в метастабильных состояниях, таких как изотоп 235mU, период полураспада которого составляет примерно 26 минут.

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.

Дополнительные средства регулирования реактивности

Другие средства контроля реактивности включают (для PWR) растворимый поглотитель нейтронов (борная кислота), добавляемый в теплоноситель реактора, что позволяет полностью извлечь управляющие стержни при работе на установившейся мощности, обеспечивая равномерное распределение мощности и потока по всему активной зоне. Этот химический "шим" (регулировка), наряду с использованием выгораемых поглотителей нейтронов в топливных таблетках, используется для поддержания долгосрочной реактивности активной зоны, в то время как управляющие стержни используются для быстрых изменений мощности реактора (например, остановки и запуска). Операторы BWR используют поток теплоносителя через активную зону для управления реактивностью, изменяя скорость насосов рециркуляции реактора (увеличение потока теплоносителя через активную зону улучшает удаление паровых пузырьков, тем самым повышая плотность теплоносителя/замедлителя и увеличивая мощность).

Безопасность

В большинстве конструкций реакторов, в качестве меры безопасности, управляющие стержни крепятся к подъёмному механизму электромагнитами, а не прямой механической связью. Это означает, что при отключении электроэнергии или при ручном приведении в действие из-за неисправности подъёмного механизма, управляющие стержни автоматически падают под действием силы тяжести в активную зону, чтобы остановить реакцию. Примечательным исключением из этого режима безопасной работы является BWR, для которого требуется гидравлическое введение стержней при аварийной остановке, с использованием воды из специального резервуара под высоким давлением. Быстрое отключение реактора таким способом называется аварийной остановкой (скремблированием).

Критикальность Предотвращение аварий

Неправильное управление или отказ управляющих стержней часто указываются как причины ядерных аварий, включая взрыв SL-1 и Чернобыльскую катастрофу. Гомогенные поглотители нейтронов часто используются для управления авариями на критичность, связанными с водными растворами делящихся металлов. В ряде таких аварий в систему добавляли либо боракс (борат натрия), либо соединение кадмия. Кадмий может добавляться в виде металла в растворы азотной кислоты, содержащие делящийся материал; коррозия кадмия в кислоте затем приводит к образованию нитрата кадмия непосредственно в растворе. В реакторах с охлаждением диоксидом углерода, таких как АГР, если твердые управляющие стержни не способны остановить ядерную реакцию, в первичный контур теплоносителя может быть введен азот. Это объясняется тем, что сечение поглощения нейтронов у азота выше, чем у углерода или кислорода, что снижает реактивность активной зоны. С увеличением энергии нейтронов сечение поглощения нейтронов для большинства изотопов уменьшается. Изотоп бора 10B отвечает за основную часть поглощения нейтронов. Материалы, содержащие бор, также могут использоваться в качестве нейтронной защиты для снижения активации материалов, расположенных вблизи активной зоны реактора.