Какие элементы годятся для использования в качестве выгорающего поглотителя?

Какие элементы годятся для использования в качестве выгорающего поглотителя?

Первое требование — эти ядра должны иметь высокие сечения захвата. Какой здесь критерий? Что значит высокие? По сравнению с чем? По сравнению с сечением деления 235U. Откуда вытекает это требование? Это требование связано с экономичностью эксплуатации. И борный поглотитель (борную кислоту), и поглощающие стержни вы можете вывести до нуля, полностью. А если поглотитель выгорает медленно, имеет низкое сечение, то реактор у вас просто не доработает кампанию. Т.е. он будет высвобождать реактивность, но слишком медленно, и у вас в конце останется много поглотителя. Допустим, если взять 235U, он обычно выгорает (я сейчас условно говорю) на 50 %. Значит, в выгоревшем топливе, которое идет на выгрузку, еще половина 235U остается. Это нормально, потому что при переработке он может быть там повторно использован и т.д. Но если в реакторе останется половина невыгоревшего поглотителя, то реактор будет сильно зашлакован и не доработает полную кампанию. А это будет тогда, когда сечение поглотителя равно сечению 235U. Вот 550 барн (или 650) – это сечение полного поглощения. Сечение поглотителя, по крайней мере, должно быть выше. Минимальный поглотитель по сечению, который годится – это бор. Т.е. бор может использоваться не только в виде раствора борной кислоты, но и как выгорающий поглотитель. В природном боре два изотопа — 10В и 11В. В 11В, его 80 %, поглощения почти нет, т.е. он не поглощающий изотоп. А вот у  10В, его 20 %, s = 4×103
барн — тепловое сечение. Т.е. сечение у 10В в 7 – 6 раз больше, чем сечение деления  235U.  Поэтому бор использовался на подводных лодках, на ледоколах, добавленный прямо в топливо как выгорающий поглотитель.

Вопрос – его тоже на всю кампанию не хватало?

Какие элементы годятся для использования в качестве выгорающего поглотителя? Конечно, поэтому он использовался всегда в комбинации. Надо еще ведь следующее сказать, что важен закон высвобождения реактивности во времени. Рассмотрим зависимость запаса реактивности Dkвыгоран  от времени (рис. 17.9). Помните, мы решали уравнения и показали, что концентрация ядер 235U уменьшается линейно, линейно накапливаются осколки от выгорания, ядра  236U и т.д. Это приводит к тому, что запас реактивности на выгорание уменьшается линейно. И kэфф, в общем то, будет уменьшается так же, как будет уменьшаться запас реактивности на выгорание. Допустим, что t = 0 – это начало кампании и вы сюда можете добавить столько бора, чтобы в начале кампании kэфф было равно единице. Dk, запас реактивности, был бы равен нулю. Добавляете и добавляете, в расчете на то, что он будет выгорать. Но выгорать же он не будет до конца, вот если бы было идеально, то бор вот так бы вот выгорал, в начале у него такая реактивность, потом меньше, меньше остается и выгорел бы в тот момент, когда наступил конец кампании. Так не получается. Потому что на самом деле бор выгорает вот по такому закону и здесь получается график вот какой то такой. Значит, получается, что здесь вы скомпенсировали запас реактивности, а вот здесь вот – нет, т.е. вам разницу между этим и этим нужно компенсировать все равно стержнями. Т.е. полностью эта задача на оптимум – с  одной стороны, если вы заложите поглотителя меньше – одна ситуация будет. Больше заложите – так он не позволит вам доработать до конца кампании, реактор раньше остановится. Можно даже сказать, что результирующая кривая часто бывает не монотонная. На рис. 17.10 изображен конкретный случай, как менялось во времени kэфф – оно росло, потом уменьшалось, т.е. функция  была не монотонная. Вот, например, на первом ледоколе «Ленин» применили борный выгорающий поглотитель. Когда запас реактивности у него пошел вниз – его же надо было чем то компенсировать — значит, надо было поднимать компенсирующую решетку. Но вот был момент, когда запас на решетке стал буквально 4 см, т.е. реактор мог вполне остановиться на четверти кампании, если бы операторы просчитались, но все-таки он медленнее, медленнее пошел и потом все благополучно дошло. Причем здесь могут быть две ситуации. С одной стороны –реактивность может слишком круто идти вниз – тогда нужно иметь запас реактивности на стержнях, чтобы скомпенсировать это. А с другой стороны, если реактивность будет высвобождаться слишком быстро – надо ее «придавливать», чтобы реактор с погруженными стержнями не стал надкритическим. Т.е. в этой ситуации две стороны, и задача это довольно сложная.

И сегодня пришли к идеологии сильно блокированных поглотителей, у которых сечение захвата составляет сотни тысяч барн. Вот есть такой редкоземельный элемент гадолиний — и гадолиний и окись гадолиния добавляют в твэлы, эти твэлы называются твэги. Т.е. тепловыделяющие элементы с гадолинием получили название твэги.

 Вопрос – идеология чего?

Сильно экранированных выгорающих поглотителей. В этом случае поглотитель обязательно должен быть гетерогенный.