Подавляющее большинство энергетических ядерных реакторов, используемых в энергоблоках АЭС, являются тепловыми.
Тепловой ядерный реактор (в отличие от быстрого и промежуточного) - это реактор, в котором большинство делений ядер топлива осуществляется тепловыми нейтронами.
Иначе говоря, тепловому реактору свойственен тепловой (приблизительно максвелловский) энергетический спектр нейтронов.
Нейтронный цикл - это совокупность физических процессов, которые повторяются в пределах среднего времени жизни каждого поколения.
3.2.1. Основными физическими процессами нейтронного цикла в тепловом реакторе являются следующие.
а) Рождение свободных нейтронов в реакциях деления ядер топлива. Напомним, что все нейтроны деления рождаются быстрыми (с E > 0.1 МэВ), а их энергетическое распределение описывается спектром Уатта, которому свойственны наиболее вероятная энергия нейтронов Eнв = 0.71 МэВ, и средняя энергия нейтронов Eср = 2 МэВ.
б) Замедление нейтронов - процесс пространственного переноса нейтронов в среде активной зоны, сопровождающийся уменьшением их кинетической энергии за счёт реакций рассеяния на ядрах этой среды.
Существенными чертами процесса замедления нейтронов в реакторе являются:
- источником движения замедляющихся нейтронов является начальная кинетическая энергия, с которой рождаются в делениях быстрые нейтроны;
- нейтроны движутся прямолинейно и равномерно до тех пор, пока не встречают препятствия в виде ядер, с которыми они вступают во взаимодействия; наиболее характерным типом взаимодействия быстрых и промежуточных нейтронов с ядрами среды, содержащей замедлители, являются упругие и неупругие рассеяния (микросечения поглощения в диапазоне энергий замедляющихся нейтронов малы по сравнению с микросечениями рассеяния); при рассеянии ядро испускает нейтрон, имеющий, как правило, меньшую кинетическую энергию, чем исходный нейтрон до рассеяния; эта закономерность позволяет рассматривать серию реакций рассеяния в процессе замедления нейтронов как серию актов механического соударения (в которых участвует один среднестатистический нейтрон), в результате которых он теряет свою кинетическую энергию в процессе замедления до уровня энергии тепловых нейтронов; каждый замедляющийся нейтрон при каждом рассеивающем соударении представляется как уменьшающий скорость и меняющий направление своего движения;
- во время серии последовательных рассеяний замедляющийся нейтрон в объёме среды описывает пространственную ломаную линию, состоящую из приблизительно одинаковых отрезков, каждый из которых является, как мы условились ранее (см.п.2.4.2), средней длиной свободного пробега рассеяния (λs = 1/Σs);
- нейтроны в процессе замедления движутся с большими (по обычным меркам) скоростями (порядка от км/с до сотен тысяч км/с); поэтому в процессе замедления неизбежна утечка части замедляющихся нейтронов за пределы активной зоны реактора, приводящая к потере части нейтронов из цикла размножения;
- в конце процесса замедления, в интервале энергий от 600 до 6 эВ, неизбежна также потеря ещё части замедляющихся нейтронов за счёт резонансного захвата их ядрами урана-238.
Уцелевшие в процессе замедления в активной зоне реактора нейтроны становятся тепловыми и вступают в качественно новый процесс - диффузии.
в) Диффузия тепловых нейтронов - процесс пространственного переноса тепловых нейтронов в среде при постоянном среднем значении их кинетической энергии.
*) Ещё раз обратим внимание: когда произносится термин "диффузия", речь всегда и обязательно идет о тепловых нейтронах.
Существенными чертами процесса диффузии являются:
- источником движения тепловых нейтронов в процессе диффузии является кинетическая энергия ядер атомов среды, в которой они движутся, поскольку последние сами находятся в состоянии теплового движения; получая энергию от одного ядра среды, тепловой нейтрон способен до следующего рассеяния увеличить свою скорость, а, испытывая встречное рассеяние, - уменьшить скорость ниже некоторого среднего уровня; среднее же значение энергии теплового нейтрона остаётся величиной постоянной;
- наиболее характерный тип нейтронно-ядерной реакции нейтронов в процессе их диффузии определяется тем материалом активной зоны реактора, в объёме которого происходит диффузия; в замедлителях наиболее характерным является рассеяние, в поглотителях - радиационный захват тепловых нейтронов;
- при диффузии, как и при замедлении, пространственный путь теплового нейтрона представляет собой качественно такую же ломаную линию;
- хотя скорости тепловых нейтронов существенно меньше скоростей эпитепловых нейтронов, они все же достаточно высоки (> 2.2 км/с), что обуславливает безвозвратную утечку некоторой части тепловых нейтронов за пределы активной зоны реактора;
До рассмотрения характеристик процессов нейтронного цикла отметим ещё одно обстоятельство. Из сказанного ясно, что в делениях ядер топлива рождаются быстрые нейтроны, а тепловые нейтроны появляются в результате замедления в активной зоне быстрых нейтронов. Принято считать, что замедляющийся нейтрон становится тепловым в тот момент, когда в конце процесса замедления он пересекает некоторую граничную энергию, называемую энергией сшивки (Eс). При этой энергии спектр замедляющихся нейтронов (спектр Ферми) плавно (без разрывов или изломов) переходит в спектр тепловых нейтронов (спектр Максвелла).
Рис.3.1. Упрощенные (плоские) иллюстрации процессов замедления и диффузии нейтронов в однородной среде.
Величина энергии сшивки в тепловых реакторах лежит в зависимости от температуры нейтронов в пределах (6 ÷ 10) kTн и в реакторах с конкретным составом активной зоны находится в прямой зависимости от средней температуры активной зоны: чем выше температура активной зоны, тем выше температура нейтронов Tн, определяющая (как отмечалось в п.2.3.2) положение максимума максвелловского распределения на оси энергий нейтронов (Eнв = kTн); а чем выше Tн, тем больше весь спектр и, в частности, - его правое крыло, на "хвосте" которого находится энергия сшивки Eс, смещаются в область более высоких энергий. В таких случаях говорят, что спектр тепловых нейтронов ужестчается, и тем больше, чем выше средняя температура активной зоны реактора.
Значит, с ростом температуры реактора величина энергии сшивки в нём растёт.
Тепловой ядерный реактор (в отличие от быстрого и промежуточного) - это реактор, в котором большинство делений ядер топлива осуществляется тепловыми нейтронами.
Иначе говоря, тепловому реактору свойственен тепловой (приблизительно максвелловский) энергетический спектр нейтронов.
Нейтронный цикл - это совокупность физических процессов, которые повторяются в пределах среднего времени жизни каждого поколения.
3.2.1. Основными физическими процессами нейтронного цикла в тепловом реакторе являются следующие.
а) Рождение свободных нейтронов в реакциях деления ядер топлива. Напомним, что все нейтроны деления рождаются быстрыми (с E > 0.1 МэВ), а их энергетическое распределение описывается спектром Уатта, которому свойственны наиболее вероятная энергия нейтронов Eнв = 0.71 МэВ, и средняя энергия нейтронов Eср = 2 МэВ.
б) Замедление нейтронов - процесс пространственного переноса нейтронов в среде активной зоны, сопровождающийся уменьшением их кинетической энергии за счёт реакций рассеяния на ядрах этой среды.
Существенными чертами процесса замедления нейтронов в реакторе являются:
- источником движения замедляющихся нейтронов является начальная кинетическая энергия, с которой рождаются в делениях быстрые нейтроны;
- нейтроны движутся прямолинейно и равномерно до тех пор, пока не встречают препятствия в виде ядер, с которыми они вступают во взаимодействия; наиболее характерным типом взаимодействия быстрых и промежуточных нейтронов с ядрами среды, содержащей замедлители, являются упругие и неупругие рассеяния (микросечения поглощения в диапазоне энергий замедляющихся нейтронов малы по сравнению с микросечениями рассеяния); при рассеянии ядро испускает нейтрон, имеющий, как правило, меньшую кинетическую энергию, чем исходный нейтрон до рассеяния; эта закономерность позволяет рассматривать серию реакций рассеяния в процессе замедления нейтронов как серию актов механического соударения (в которых участвует один среднестатистический нейтрон), в результате которых он теряет свою кинетическую энергию в процессе замедления до уровня энергии тепловых нейтронов; каждый замедляющийся нейтрон при каждом рассеивающем соударении представляется как уменьшающий скорость и меняющий направление своего движения;
- во время серии последовательных рассеяний замедляющийся нейтрон в объёме среды описывает пространственную ломаную линию, состоящую из приблизительно одинаковых отрезков, каждый из которых является, как мы условились ранее (см.п.2.4.2), средней длиной свободного пробега рассеяния (λs = 1/Σs);
- нейтроны в процессе замедления движутся с большими (по обычным меркам) скоростями (порядка от км/с до сотен тысяч км/с); поэтому в процессе замедления неизбежна утечка части замедляющихся нейтронов за пределы активной зоны реактора, приводящая к потере части нейтронов из цикла размножения;
- в конце процесса замедления, в интервале энергий от 600 до 6 эВ, неизбежна также потеря ещё части замедляющихся нейтронов за счёт резонансного захвата их ядрами урана-238.
Уцелевшие в процессе замедления в активной зоне реактора нейтроны становятся тепловыми и вступают в качественно новый процесс - диффузии.
в) Диффузия тепловых нейтронов - процесс пространственного переноса тепловых нейтронов в среде при постоянном среднем значении их кинетической энергии.
*) Ещё раз обратим внимание: когда произносится термин "диффузия", речь всегда и обязательно идет о тепловых нейтронах.
Существенными чертами процесса диффузии являются:
- источником движения тепловых нейтронов в процессе диффузии является кинетическая энергия ядер атомов среды, в которой они движутся, поскольку последние сами находятся в состоянии теплового движения; получая энергию от одного ядра среды, тепловой нейтрон способен до следующего рассеяния увеличить свою скорость, а, испытывая встречное рассеяние, - уменьшить скорость ниже некоторого среднего уровня; среднее же значение энергии теплового нейтрона остаётся величиной постоянной;
- наиболее характерный тип нейтронно-ядерной реакции нейтронов в процессе их диффузии определяется тем материалом активной зоны реактора, в объёме которого происходит диффузия; в замедлителях наиболее характерным является рассеяние, в поглотителях - радиационный захват тепловых нейтронов;
- при диффузии, как и при замедлении, пространственный путь теплового нейтрона представляет собой качественно такую же ломаную линию;
- хотя скорости тепловых нейтронов существенно меньше скоростей эпитепловых нейтронов, они все же достаточно высоки (> 2.2 км/с), что обуславливает безвозвратную утечку некоторой части тепловых нейтронов за пределы активной зоны реактора;
До рассмотрения характеристик процессов нейтронного цикла отметим ещё одно обстоятельство. Из сказанного ясно, что в делениях ядер топлива рождаются быстрые нейтроны, а тепловые нейтроны появляются в результате замедления в активной зоне быстрых нейтронов. Принято считать, что замедляющийся нейтрон становится тепловым в тот момент, когда в конце процесса замедления он пересекает некоторую граничную энергию, называемую энергией сшивки (Eс). При этой энергии спектр замедляющихся нейтронов (спектр Ферми) плавно (без разрывов или изломов) переходит в спектр тепловых нейтронов (спектр Максвелла).
Рис.3.1. Упрощенные (плоские) иллюстрации процессов замедления и диффузии нейтронов в однородной среде.
Величина энергии сшивки в тепловых реакторах лежит в зависимости от температуры нейтронов в пределах (6 ÷ 10) kTн и в реакторах с конкретным составом активной зоны находится в прямой зависимости от средней температуры активной зоны: чем выше температура активной зоны, тем выше температура нейтронов Tн, определяющая (как отмечалось в п.2.3.2) положение максимума максвелловского распределения на оси энергий нейтронов (Eнв = kTн); а чем выше Tн, тем больше весь спектр и, в частности, - его правое крыло, на "хвосте" которого находится энергия сшивки Eс, смещаются в область более высоких энергий. В таких случаях говорят, что спектр тепловых нейтронов ужестчается, и тем больше, чем выше средняя температура активной зоны реактора.Значит, с ростом температуры реактора величина энергии сшивки в нём растёт.