Нейтронные отражатели: принцип действия и применение.

Введение

Материал, способный отражать нейтроны; используется для управления реакциями деления. Методы визуализации, использующие зеркальное отражение нейтронов.

Нейтронный отражатель – любой материал, отражающий нейтроны. Под этим понимается упругое рассеяние, а не зеркальное отражение. В качестве материала могут использоваться графит, бериллий, сталь, карбид вольфрама, золото или другие материалы. Нейтронный отражатель может сделать иначе субкритическую массу делящегося вещества критической, или увеличить количество ядерных делений, происходящих в критической или сверхкритической массе. Такой эффект был продемонстрирован дважды в авариях с участием «Demon Core» – субкритической плутониевой ямы, которая стала критической в двух отдельных смертельных инцидентах, когда поверхность ямы была временно окружена избыточным количеством нейтронно-отражающего материала.

Ядерные реакторы

В цепной реакционной установке с урановым графитовым замедлителем критический размер может быть значительно уменьшен, окружив активную зону слоем графита, поскольку такая оболочка отражает многие нейтроны обратно в активную зону. Для обеспечения 30-летнего срока службы конструкция ядерного реактора SSTAR предусматривает размещение подвижного нейтронного отражателя над колонной топлива. Медленное опускание отражателя над колонной приведёт к прогоранию топлива сверху вниз. Отражатель из лёгкого материала, такого как графит или бериллий, также будет служить нейтронным замедлителем, уменьшая кинетическую энергию нейтронов, в то время как тяжёлый материал, такой как свинец или эвтектика свинец-висмут, будет оказывать меньшее влияние на скорость нейтронов. В энергетических реакторах нейтронный отражатель уменьшает неоднородность распределения мощности в периферийных топливных сборках, снижает утечку нейтронов и уменьшает перетекание теплоносителя в обход активной зоны. Уменьшая утечку нейтронов, отражатель повышает реактивность активной зоны и снижает количество топлива, необходимое для поддержания реактора в критическом состоянии в течение длительного периода. В реакторах с лёгкой водой нейтронный отражатель устанавливается для следующих целей:
Распределение потока нейтронов "выравнивается", то есть увеличивается отношение среднего потока к максимальному потоку. Следовательно, отражатели уменьшают неоднородность распределения мощности. Увеличивая поток нейтронов на краю активной зоны, обеспечивается более эффективное использование топлива в периферийных топливных сборках. Это топливо, в наружных областях активной зоны, теперь вносит больший вклад в общую выработку энергии. Нейтронный отражатель рассеивает обратно (или отражает) в активную зону многие нейтроны, которые в противном случае могли бы покинуть её. Отражённые обратно в активную зону нейтроны доступны для цепной реакции. Это означает, что минимальный критический размер реактора уменьшается. В качестве альтернативы, если размер активной зоны сохраняется, отражатель обеспечивает дополнительную реактивность для более глубокого выгорания топлива. Уменьшение требуемого критического размера активной зоны известно как выигрыш от отражателя. Нейтронные отражатели снижают утечку нейтронов, то есть уменьшают нейтронный флюенс на стенку корпуса реактора. Нейтронные отражатели уменьшают перетекание теплоносителя в обход активной зоны. Нейтронные отражатели служат тепловой и радиационной защитой активной зоны реактора.

In a uranium graphite chain reacting pile, the critical size may be considerably reduced by surrounding the pile with a layer of graphite, since such an envelope reflects many neutrons back into the pile. To obtain a 30 year life span, the SSTAR nuclear reactor design calls for a moveable neutron reflector to be placed over the column of fuel. The reflector's slow downward travel over the column would cause the fuel to be burned from the top of the column to the bottom. A reflector made of a light material like graphite or beryllium will also serve as a neutron moderator reducing neutron kinetic energy, while a heavy material like lead or lead bismuth eutectic will have less effect on neutron velocity. In power reactors, a neutron reflector reduces the non uniformity of the power distribution in the peripheral fuel assemblies, reduces neutron leakage and reduces a coolant flow bypass of the core. By reducing neutron leakage, the reflector increases reactivity of the core and reduces the amount of fuel necessary to maintain the reactor critical for a long period. In light water reactors, the neutron reflector is installed for following purposes:
The neutron flux distribution is “flattened“, i. e., the ratio of the average flux to the maximum flux is increased. Therefore, reflectors reduce the non uniformity of the power distribution. By increasing the neutron flux at the edge of the core, there is much better utilization in the peripheral fuel assemblies. This fuel, in the outer regions of the core, now contributes much more to the total power production. The neutron reflector scatters back (or reflects) into the core many neutrons that would otherwise escape. The neutrons reflected back into the core are available for chain reaction. This means that the minimum critical size of the reactor is reduced. Alternatively, if the core size is maintained, the reflector makes additional reactivity available for higher fuel burnup. The decrease in the critical size of core required is known as the reflector savings. Neutron reflectors reduce neutron leakage i. e. to reduce the neutron fluence on a reactor pressure vessel. Neutron reflectors reduce a coolant flow bypass of a core. Neutron reflectors serve as a thermal and radiation shield of a reactor core.