Исследовательский реактор


Исследовательский реакторЗдесь следует сказать, что нейтроны являются важным инструментом изучения фундаментальных свойств твердого тела, структуры материалов. Это одно направление использования исследовательских реакторов.  С другой стороны – в исследовательских реакторах ведется наработка радиоактивных изотопов для промышленности, для медицины. На нейтронных пучках в Обнинске, сотрудниками Физико-энергетического института  и института медицинской радиологии проводится лечение больных, очень успешно по сравнению с другими методами. В таких реакторах исследуют поведение конструкционных материалов в реальных условиях температур, нейтронного потока излучения. Эти исследования необходимы потому, что свойства материалов в реакторе меняются, и если не знать, как ведет себя материал в поле нейтронного излучения, то построить реактор, конечно, можно, но вряд ли этот реактор долго проработает. Уже в ходе  эксплуатации было выяснено (осознано это было потом), что, например, конструкционные стали одних типов, одной структуры охрупчиваются, т.е. теряют пластичность. Вот, вы, наверное, знаете, что на ВВЭР периодически стали проводить отжиги радиационных дефектов. Почему?  Потому что корпус реактора – это самый ответственный элемент реактора, если сталь в состоянии поставки, она пластичная, и на деформацию отвечает упругостью, т.е. ничего плохого не происходит. А вот если сталь станет хрупкой, как стекло, потеряет пластичность, то может произойти хрупкое разрушение с очень тяжелыми последствиями. Вот и при длительном облучении нейтронами происходит постепенная потеря пластичности. Поэтому была разработана технология, по которой после выгрузки топлива внутрь корпуса составляется электропечь, разогревается до температуры, которая выше, чем температура эксплуатации корпуса — тогда происходят обратные процессы релаксации этих радиационных дефектов, восстанавливается кристаллическая решетка твердого тела, восстанавливаются свойства стали, которые были первоначально. А для других марок стали обнаружено сильное распухание, т.е. изменение объема. В аустенитных сталях при высоких температурах толщина оболочки (кожуха) ТВС может увеличиваться до 30 %, из-за этого явления на быстрых реакторах (БН-350, 600) были обнаружены застревания при выгрузке. Поэтому надо было разобраться в происходящих процессах,  найти предел безопасной эксплуатации и определить, какие марки стали или методы обработки наиболее успешно можно использовать. Вот все эти вопросы изучаются на этих исследовательских реакторах.

Наконец, вы видите, что существует большое многообразие типов реакторов, у каждого из них своя конструкция тепловыделяющего элемента, и испытать на ресурс тепловыделяющий элемент во вне реакторных условий практически невозможно. На тепловом стенде, теплогидравлическом, вы создаете какие-то одни условия эксплуатации, коррозионную среду, которая там есть, температуру, давление и т.д. Но без  нейтронов это будут не комплексные исследования, вы не получите представительных результатов. Поэтому во многих ведущих ядерных странах были построены специальные исследовательские реакторы, их уже скорее можно назвать испытательные реакторы, где за счет нейтронов, получаемых в активной зоне, облучается экспериментальный канал, экспериментальная сборка какого-то будущего энергетического или специального реактора. Т.е. нейтронами он подпитывается извне, за счет работы реактора, который работает на сравнительно холодной воде, в простых условиях, где ничего не происходит, но в самом канале создается и высокая температура и нужное давление, и коррозионная среда, и, самое главное, фактор радиационного воздействия, т.е. поток нейтронов и так называемый флюенс, т.е. интегральная доза нейтронов или, другими словами, выгорание. Таким образом, если вы сможете провести испытания образцов тепловыделяющих элементов в таком испытательном реакторе заданное время, с нужным выгоранием, с нужным облучением, с температурой — то тогда вы можете судить – работоспособна конструкция или нет. Без этих испытаний строить реактор – чревато большими экономическими потерями т.к. без испытаний конструкция активной зоны, топливной сборки считается недоработанной. Вот это входит в задачу исследовательских реакторов. Т.е. они, как правило, имеют охлаждение обычной водой, с невысокой температурой, зато оснащены большим количеством экспериментальных устройств — каналов, с совершенно автономными контурами охлаждения, может быть, и с натриевой петлей, и с другими – газовой, высокотемпературной  и т.д. Вот значение исследовательских реакторов.

Вопрос – вы говорили, у ВВЭР отжигают форму. Когда это делают?    

Сегодня существуют определенные требования, которые определяются флюенсом, т.е. интегральной дозой быстрых нейтронов на корпус реактора. Поскольку на корпус реактора постоянно действует нейтронный поток, в нем накапливаются радиационные дефекты за счет того, что атомы в кристаллической решетке смещаются от своих нормальных положений, в которых они находятся в необлученном материале. Смещенные атомы где-то застревают в узлах кристаллической решетки, из-за этого как раз происходит потеря пластичности. Сегодня имеется большое количество экспериментальных данных, позволяющих судить о том, когда нужно проводить отжиг радиационных дефектов. Если интегральный поток быстрых нейтронов достигает, например, 1021
нейтр./см2, то нужно проводить отжиг радиационных дефектов. Т.е. выгружать топливо, всю внутреннюю конструкцию и прогревать корпус до температуры 4000 С (если в нормальном режиме работы 3000
С), тогда корпус восстанавливается.

Вопрос – а это  уже проводилось? 

Было, на многих станциях.

Вопрос – а раз в сколько лет делают это?

Это зависит от режима эксплуатации, я не знаю точно, думаю, один раз в 10 –15 лет, примерно такого порядка. Проведение отжига зависит от многих причин. Например, в более поздних проектах стали ставить более мощную защиту от нейтронов – между активной зоной и корпусом, которая уменьшает поток нейтронов, падающих на корпус, это уменьшает радиационное повреждение корпуса. Проведение отжига зависит от схем перегрузки топлива. Например, если, у вас есть зоны нескольких обогащений, то в одном случае вы свежее топливо подгружаете, допустим, на периферию, и там получается максимальная мощность и максимальный поток – поэтому  корпус быстрее охрупчивается. Другой вариант, когда вы свежее топливо, наоборот, помещаете в центр зоны и идете к периферии. На периферии всегда находятся уже выгоревшие сборки, это уменьшает количество дефектов может на 20-30 % и соответственно на несколько лет отодвигает проведение отжига. Т.е. существует много факторов, которые влияют на проведение отжига. За этим процессом ведется очень строгий мониторинг, например, в подводных лодках просто из корпуса реактора вырезали образцы для исследования.