Доклад «Поглотители тепловых нейтронов»

Поглотитель нейтронов – материал, с которым нейтроны интенсивно взаимодействуют посредством реакций, приводящих к исчезновению нейтронов как свободных частиц. Наличие вещества, поглощающего нейтроны в активной зоне ядерного реактора, обеспечивает поддержание цепной ядерной реакции на постоянном уровне Регулирование размножения нейтронов в тепловых ядерных реакторах осуществляется с помощью поглощающих нейтроны органов регулирования. В них используются материалы хорошо поглощающие нейтроны. . Поглотители нейтронов также используются для быстрого прекращения реакции деления.

Вывод поглотителя из активной зоны приводит к увеличению числа нейтронов. Мощность увеличивается при введении поглотителя, уменьшается число нейтронов в реакторе – уменьшается мощность. В случае возникновения аварийных ситуаций, требующих экстренной остановки реактора, используются специальные устройства – органы аварийной защиты.

Выбор материала для регулирования и аварийной защиты – ответственная задача. К такому материалу предъявляются основные требования:

- материал должен эффективно поглощать те нейтроны, доля которых в энергетическом спектре максимальна (т.е., если это реакторы на тепловых нейтронах, то поглощать надо тепловые нейтроны);

- поглощающая способность материала должна оставаться практически неизменной;

- не должен менять своих механических и теплофизических характеристик под действием реакторного облучения и высоких температур.

Какие же материалы используются в качестве тепловых нейтронов Для тепловых нейтронов поглотителями являются бор (10В, 11В – используется как отражатель нейтронов), кадмий, никель, самарий, титанат диспрозия, дисперсионные композиции на основе гадолиния и европия, бористые стали и др., для резонансных (быстрых) - 238U.

Для органов управления и защиты используются следующие материалы, см.таблицу 3.3.

Таблица 3.3

Наиболее часто в ядерной энергетике применяют  в качестве материала поглотителя:

Приведенные некоторые данные компанией РОСАТОМ о работе и конструкции высокотемпературных стержней и примененных в них поглотителях. Описаны стальные стержни с поглотителем из бористого сплава с рабочей температурой 600 градусов по цельсии, перемещающихся в сухих каналах с охлождаемой стенкой, и стержни из графита с редкоземельным поглотителем, эксплуатируемые без специального охлаждения в активной зоне с графитовым замедлителем, разогревающимся до 2200 градусов

 .

Реакция идет по двум каналам. Причем второй канал производит ядро трития, который является радиоактивным с периодом полураспада ~ 12 лет.

Как видно, в результате взаимодействия бора с нейтронами образуются альфа-частицы, обладающие большой кинетической энергией и малой длиной пробега, поэтому поглотители, изготовленные из бора или его соединений, нагреваются и требуют организации их охлаждения.

Использование бора для регулирования ЯР обусловлено достаточно большим сечением поглощения нейтронов в широком диапазоне энергий, доступностью и относительно низкой стоимостью.

В органах управления, как правило, используются карбид бора B4C, спрессованный в таблетки или брикеты, помещенные в оболочку из стали.

Из редкоземельных поглотителей нейтронов особого внимания заслуживает европий, обладающий двумя очень важными положительными качествами. В процессе работы реактора он незначительно изменяет свою поглощающую способность. В процессе поглощения нейтронов  последовательно переходит из одного изотопного состояния в другое, при этом почти не меняет поглощающей способности. Во-вторых, на ядрах европия идет реакция (  ), в результате чего энергия, уносимая g-квантами, рассеивается во всем объеме реактора, а не выделяется в нейтронопоглощающем материале.