Реакторы с различными замедлителями


Реакторы с различными замедлителями

Сейчас мы рассмотрим реакторы с различными замедлителями. Раз упоминается замедлитель, то это, конечно, не быстрые реакторы, потому что в быстром реакторе замедлителя просто нет. В качестве замедлителя нейтронов используются вещества с малой ядерной массой, т.е. практически последним самым тяжелым замедлителем по массовому числу является углерод, углерод в виде графита (углерод имеет разные модификации, например, алмаз – это тоже углерод). А практически перечень используемых замедлителей, в общем, довольно ограничен, потому что к замедлителям предъявляется целый ряд определенных требований. Во-первых, в замедлителе должна быть достаточно высокая плотность вещества, поэтому газы в качестве замедлителя не используются. Например, гелий – у него тоже легкое ядро, но плотность гелия при атмосферном давлении очень мала, поэтому, чтобы гелий замедлял нейтроны достаточно интенсивно, нужно иметь очень высокое давление, а это, конечно, практически не реализуемо. Дальше, к замедлителю предъявляется требование малого поглощения нейтронов, потому что если замедлитель не только очень хорошо замедляет, но также хорошо и поглощает нейтроны, от него будет мало толку, поскольку он будет, в основном, захватывать нейтроны, т.е. одни ядра будут превращаться в другие, а на цепную реакцию деления нейтронов просто не останется. Вот к такому типу и замедляющих, и хорошо захватывающих нейтроны веществ относится литий - этот жидкий металл мы рассматривали ранее в качестве теплоносителя. Литий имеет два изотопа — 6Li  и 6Li, содержание 6Li составляет всего 6 или 7 %, но он захватывает нейтроны в десятки тысяч раз больше, чем 7Li и тем самым делает Li непригодным для использования в качестве замедлителя. Вот почему хороша вода – она может быть и замедлителем и теплоносителем, хотя вода и захватывает нейтроны, но, тем не менее, позволяет создать реактор, а вот литий не позволяет этого сделать.

Следующий из легких ядер – бор. У бора массовое число где-то между 10 и 11, потому что природный бор состоит из двух изотопов – 10В и 11В. Именно легкий 10В захватывает нейтроны, и именно благодаря этому все борсодержащие материалы годятся для использования в качестве поглотителя нейтронов. Например, все стержни регулирования ядерных реакторов делаются из карбида бора. Карбид применяется просто потому, что это термостойкое соединение, карбид бора изготавливается в виде спрессованных таблеток, бор также может использоваться в виде борной кислоты, которая добавляется в воду. Из-за большого поглощения нейтронов бор как замедлитель тоже не годится. А дальше после 11В идет как раз углерод. Вот и получается, что как замедлитель чаще всего используется легкая вода (или обычная вода). Обычно вода используется одновременно и как замедлитель и как теплоноситель, и раз она используется как теплоноситель, т.е. имеет высокую температуру, то требуется высокое давление в контуре замедлителя, хотя он в данном случае и замедлитель и теплоноситель.

Следующий тип замедлителя – это тяжелая вода (D2O), в которой вместо атомов обычного водорода в молекуле воды (H2O) содержится два атома тяжелого водорода, т.е. дейтерия. Отличительной особенностью тяжелой воды является исключительно низкое поглощение нейтронов. Т.е. получается очень хороший нейтронный баланс, раз замедлитель почти ничего не поглощает – то все нейтроны, которые рождаются при делении (если реактор большой, утечка нейтронов будет маленькая) идут на воспроизводство цепной реакции. И именно поэтому на тяжеловодном реакторе можно использовать природный необогащенный уран в качестве топлива, как он используется в канадских реакторах CANDU. Но если используется тяжелая вода как замедлитель, то уже появляются варианты — можно ее использовать просто как замедлитель, а можно и как замедлитель и как теплоноситель одновременно. Тяжелая вода дорогая, поэтому и возникают разные варианты ее использования, например, есть реализованный проект, в котором, замедлитель расположен отдельно – это тяжеловодный бак, пронизанный каналами, а в качестве замедлителя используется, например, графит (как в реакторе РБМК),  топливные сборки могут охлаждаться и газом и обычной водой, к примеру. Т.е. в этом случае есть место для вариаций конструкции реактора.