Переважна більшість енергетичних ядерних реакторів, що використовуються в енергоблоках АЕС, є тепловими.
Тепловий ядерний реактор (на відміну від швидкого та проміжного) - це реактор, в якому більшість поділів ядер палива здійснюється тепловими нейтронами.
Інакше кажучи, тепловому реактору властивий тепловий (приблизно максвеллівський) енергетичний спектр нейтронів.
Нейтронний цикл - це сукупність фізичних процесів, які повторюються в межах середнього часу життя кожного покоління.
3.2.1. Основними фізичними процесами нейтронного циклу в тепловому реакторі є такі.
а) Народження вільних нейтронів у реакціях поділу ядер палива. Нагадаємо, що всі нейтрони поділу народжуються швидкими (з E > 0.1 МеВ), а їхній енергетичний розподіл описується спектром Ватта, якому властиві найімовірніша енергія нейтронів Eнім = 0.71 МеВ і середня енергія нейтронів Eсер = 2 МеВ.
б) Сповільнення нейтронів - процес просторового перенесення нейтронів у середовищі активної зони, що супроводжується зменшенням їхньої кінетичної енергії за рахунок реакцій розсіяння на ядрах цього середовища.
Істотними рисами процесу сповільнення нейтронів у реакторі є:
- джерелом руху нейтронів, що сповільнюються, є початкова кінетична енергія, з якою народжуються при поділах швидкі нейтрони;
- нейтрони рухаються прямолінійно й рівномірно доти, доки не зустрічають перешкоди у вигляді ядер, з якими вони вступають у взаємодії; найхарактернішим типом взаємодії швидких і проміжних нейтронів з ядрами середовища, що містить сповільнювачі, є пружні та непружні розсіяння (мікроперерізи поглинання в діапазоні енергій нейтронів, що сповільнюються, малі порівняно з мікроперерізами розсіяння); при розсіянні ядро випускає нейтрон, що має, як правило, меншу кінетичну енергію, ніж вихідний нейтрон до розсіяння; ця закономірність дозволяє розглядати серію реакцій розсіяння в процесі сповільнення нейтронів як серію актів механічного зіткнення (в яких бере участь один середньостатистичний нейтрон), в результаті яких він втрачає свою кінетичну енергію в процесі сповільнення до рівня енергії теплових нейтронів; кожний нейтрон, що сповільнюється, при кожному розсіювальному зіткненні уявляється таким, що зменшує швидкість і змінює напрямок свого руху;
- під час серії послідовних розсіянь нейтрон, що сповільнюється, в об'ємі середовища описує просторову ламану лінію, що складається з приблизно однакових відрізків, кожен з яких є, як ми умовилися раніше (див. п.2.4.2), середньою довжиною вільного пробігу розсіяння (λs = 1/Σs);
- нейтрони в процесі сповільнення рухаються з великими (за звичайними мірками) швидкостями (порядку від км/с до сотень тисяч км/с); тому в процесі сповільнення неминучий витік частини нейтронів, що сповільнюються, за межі активної зони реактора, що призводить до втрати частини нейтронів із циклу розмноження;
- наприкінці процесу сповільнення, в інтервалі енергій від 600 до 6 еВ, неминуча також втрата ще частини нейтронів, що сповільнюються, за рахунок резонансного захоплення їх ядрами урану-238.
Нейтрони, що вціліли в процесі сповільнення в активній зоні реактора, стають тепловими і вступають у якісно новий процес - дифузії.
в) Дифузія теплових нейтронів - процес просторового перенесення теплових нейтронів у середовищі при постійному середньому значенні їхньої кінетичної енергії.
*) Ще раз звернімо увагу: коли вимовляється термін "дифузія", мова завжди й обов'язково йде про теплові нейтрони.
Істотними рисами процесу дифузії є:
- джерелом руху теплових нейтронів у процесі дифузії є кінетична енергія ядер атомів середовища, в якому вони рухаються, оскільки останні самі перебувають у стані теплового руху; одержуючи енергію від одного ядра середовища, тепловий нейтрон здатний до наступного розсіяння збільшити свою швидкість, а, зазнаючи зустрічного розсіяння, - зменшити швидкість нижче певного середнього рівня; середнє ж значення енергії теплового нейтрона залишається величиною сталою;
- найхарактерніший тип нейтронно-ядерної реакції нейтронів у процесі їх дифузії визначається тим матеріалом активної зони реактора, в об'ємі якого відбувається дифузія; у сповільнювачах найхарактернішим є розсіяння, у поглиначах - радіаційне захоплення теплових нейтронів;
- при дифузії, як і при сповільненні, просторовий шлях теплового нейтрона являє собою якісно таку саму ламану лінію;
- хоча швидкості теплових нейтронів істотно менші за швидкості епітеплових нейтронів, вони все ж достатньо високі (> 2.2 км/с), що зумовлює безповоротний витік деякої частини теплових нейтронів за межі активної зони реактора;
До розгляду характеристик процесів нейтронного циклу зазначимо ще одну обставину. Зі сказаного ясно, що в поділах ядер палива народжуються швидкі нейтрони, а теплові нейтрони з'являються внаслідок сповільнення в активній зоні швидких нейтронів. Прийнято вважати, що нейтрон, який сповільнюється, стає тепловим у той момент, коли наприкінці процесу сповільнення він перетинає деяку граничну енергію, звану енергією зшивки (Eс). При цій енергії спектр нейтронів, що сповільнюються (спектр Фермі), плавно (без розривів чи зламів) переходить у спектр теплових нейтронів (спектр Максвелла).
Рис.3.1. Спрощені (плоскі) ілюстрації процесів сповільнення та дифузії нейтронів в однорідному середовищі.
Величина енергії зшивки в теплових реакторах залежить від температури нейтронів і лежить у межах (6 ÷ 10) kTн, а в реакторах із конкретним складом активної зони перебуває в прямій залежності від середньої температури активної зони: чим вища температура активної зони, тим вища температура нейтронів Tн, що визначає (як зазначалося в п.2.3.2) положення максимуму максвеллівського розподілу на осі енергій нейтронів (Eнім = kTн); а чим вища Tн, тим більше весь спектр та, зокрема, його праве крило, на "хвості" якого міститься енергія зшивки Eс, зсуваються в область вищих енергій. У таких випадках кажуть, що спектр теплових нейтронів жорсткішає, і тим більше, чим вища середня температура активної зони реактора.
Отже, зі зростанням температури реактора величина енергії зшивки в ньому зростає.
Тепловий ядерний реактор (на відміну від швидкого та проміжного) - це реактор, в якому більшість поділів ядер палива здійснюється тепловими нейтронами.
Інакше кажучи, тепловому реактору властивий тепловий (приблизно максвеллівський) енергетичний спектр нейтронів.
Нейтронний цикл - це сукупність фізичних процесів, які повторюються в межах середнього часу життя кожного покоління.
3.2.1. Основними фізичними процесами нейтронного циклу в тепловому реакторі є такі.
а) Народження вільних нейтронів у реакціях поділу ядер палива. Нагадаємо, що всі нейтрони поділу народжуються швидкими (з E > 0.1 МеВ), а їхній енергетичний розподіл описується спектром Ватта, якому властиві найімовірніша енергія нейтронів Eнім = 0.71 МеВ і середня енергія нейтронів Eсер = 2 МеВ.
б) Сповільнення нейтронів - процес просторового перенесення нейтронів у середовищі активної зони, що супроводжується зменшенням їхньої кінетичної енергії за рахунок реакцій розсіяння на ядрах цього середовища.
Істотними рисами процесу сповільнення нейтронів у реакторі є:
- джерелом руху нейтронів, що сповільнюються, є початкова кінетична енергія, з якою народжуються при поділах швидкі нейтрони;
- нейтрони рухаються прямолінійно й рівномірно доти, доки не зустрічають перешкоди у вигляді ядер, з якими вони вступають у взаємодії; найхарактернішим типом взаємодії швидких і проміжних нейтронів з ядрами середовища, що містить сповільнювачі, є пружні та непружні розсіяння (мікроперерізи поглинання в діапазоні енергій нейтронів, що сповільнюються, малі порівняно з мікроперерізами розсіяння); при розсіянні ядро випускає нейтрон, що має, як правило, меншу кінетичну енергію, ніж вихідний нейтрон до розсіяння; ця закономірність дозволяє розглядати серію реакцій розсіяння в процесі сповільнення нейтронів як серію актів механічного зіткнення (в яких бере участь один середньостатистичний нейтрон), в результаті яких він втрачає свою кінетичну енергію в процесі сповільнення до рівня енергії теплових нейтронів; кожний нейтрон, що сповільнюється, при кожному розсіювальному зіткненні уявляється таким, що зменшує швидкість і змінює напрямок свого руху;
- під час серії послідовних розсіянь нейтрон, що сповільнюється, в об'ємі середовища описує просторову ламану лінію, що складається з приблизно однакових відрізків, кожен з яких є, як ми умовилися раніше (див. п.2.4.2), середньою довжиною вільного пробігу розсіяння (λs = 1/Σs);
- нейтрони в процесі сповільнення рухаються з великими (за звичайними мірками) швидкостями (порядку від км/с до сотень тисяч км/с); тому в процесі сповільнення неминучий витік частини нейтронів, що сповільнюються, за межі активної зони реактора, що призводить до втрати частини нейтронів із циклу розмноження;
- наприкінці процесу сповільнення, в інтервалі енергій від 600 до 6 еВ, неминуча також втрата ще частини нейтронів, що сповільнюються, за рахунок резонансного захоплення їх ядрами урану-238.
Нейтрони, що вціліли в процесі сповільнення в активній зоні реактора, стають тепловими і вступають у якісно новий процес - дифузії.
в) Дифузія теплових нейтронів - процес просторового перенесення теплових нейтронів у середовищі при постійному середньому значенні їхньої кінетичної енергії.
*) Ще раз звернімо увагу: коли вимовляється термін "дифузія", мова завжди й обов'язково йде про теплові нейтрони.
Істотними рисами процесу дифузії є:
- джерелом руху теплових нейтронів у процесі дифузії є кінетична енергія ядер атомів середовища, в якому вони рухаються, оскільки останні самі перебувають у стані теплового руху; одержуючи енергію від одного ядра середовища, тепловий нейтрон здатний до наступного розсіяння збільшити свою швидкість, а, зазнаючи зустрічного розсіяння, - зменшити швидкість нижче певного середнього рівня; середнє ж значення енергії теплового нейтрона залишається величиною сталою;
- найхарактерніший тип нейтронно-ядерної реакції нейтронів у процесі їх дифузії визначається тим матеріалом активної зони реактора, в об'ємі якого відбувається дифузія; у сповільнювачах найхарактернішим є розсіяння, у поглиначах - радіаційне захоплення теплових нейтронів;
- при дифузії, як і при сповільненні, просторовий шлях теплового нейтрона являє собою якісно таку саму ламану лінію;
- хоча швидкості теплових нейтронів істотно менші за швидкості епітеплових нейтронів, вони все ж достатньо високі (> 2.2 км/с), що зумовлює безповоротний витік деякої частини теплових нейтронів за межі активної зони реактора;
До розгляду характеристик процесів нейтронного циклу зазначимо ще одну обставину. Зі сказаного ясно, що в поділах ядер палива народжуються швидкі нейтрони, а теплові нейтрони з'являються внаслідок сповільнення в активній зоні швидких нейтронів. Прийнято вважати, що нейтрон, який сповільнюється, стає тепловим у той момент, коли наприкінці процесу сповільнення він перетинає деяку граничну енергію, звану енергією зшивки (Eс). При цій енергії спектр нейтронів, що сповільнюються (спектр Фермі), плавно (без розривів чи зламів) переходить у спектр теплових нейтронів (спектр Максвелла).
Рис.3.1. Спрощені (плоскі) ілюстрації процесів сповільнення та дифузії нейтронів в однорідному середовищі.
Величина енергії зшивки в теплових реакторах залежить від температури нейтронів і лежить у межах (6 ÷ 10) kTн, а в реакторах із конкретним складом активної зони перебуває в прямій залежності від середньої температури активної зони: чим вища температура активної зони, тим вища температура нейтронів Tн, що визначає (як зазначалося в п.2.3.2) положення максимуму максвеллівського розподілу на осі енергій нейтронів (Eнім = kTн); а чим вища Tн, тим більше весь спектр та, зокрема, його праве крило, на "хвості" якого міститься енергія зшивки Eс, зсуваються в область вищих енергій. У таких випадках кажуть, що спектр теплових нейтронів жорсткішає, і тим більше, чим вища середня температура активної зони реактора.Отже, зі зростанням температури реактора величина енергії зшивки в ньому зростає.