Выгорание ядерного топлива. Классификация ядерных реакторов. Принципиальная схема ядерного энергетического реактора. Термоядерные реакторы. Теплообменный аппарат ядерных энергетических установок

1 Выгорание ядерного топлива

Выгорание ядерного топлива - это процесс превращения ядер делящегося нуклида в ядра других, неделящихся нуклидов вследствие деления и радиационного захвата нейтронов.

Количество разделившегося ²³⁵U за время t (сут) работы на мощности N (МВт), т. е. при энерговыработке Q_к=N*t (МВт*сут),

m_дел = 1,05*N*t = 1,0* Q_к , [г],                                         

где 1,05 - масса урана (г), который необходимо        разделить, чтобы получить энергию 1 МВт*сут; для ²³⁹Рu - 1,07 г/(МВт*сут).

Количество образовавшегося ²³⁶U вследствие радиационного захвата нейтронов в ²³⁵U при работе ЯР на мощности N (МВт) в течение времени t (сут)

m_y=(s_y/s_f)*m_дел= 1,05*a*Q_к , [г],

где a=s_y/s_f  - параметр, зависящий от энергии нейтронов, взаимодействующих с топливом.

Количество выгоревшего (т. е. разделившегося и претерпевшего радиационный захват ²³⁵U при работе ЯР на мощности N (МВт) в течение времени t (сут) при энерговыработке Q_к (МВт*сут)

m_выг = m_дел +m_y ⁼ 1,05 (1 + a )N*t , [г].                                      

В ЯР на тепловых нейтронах для ²³⁵U a=0,17 и

m_выг=1.23*N*t , [г].                                                                     

Скорость выгорания прямо пропорциональна мощности ЯР. Например, для ²³⁵U

 dm_выг/dt = 0,05*N , [г/ч].                                                            

Если в качестве топлива используется природный или обогащенный уран, то при работе ЯР на мощности кроме основного изотопа ²³⁵U частично делится также ²³⁸U, что учитывается коэффициентом размножения на быстрых нейтронах m.

Кроме того, часть энергии деления ядра уносится за пределы активной зоны вместе с нейтронами и g-излучением. Если учесть эту потерю коэффициентом h_а.з и деление ²³⁸U коэффициентом m, то в общем случае количество выгоревшего ²³⁵U при работе ЯР на мощности N (МВт) в течение времени t (сут)

m_{выг u-235}=((1.05*(1+a))/m*h_а.з)*N*t  , [г]                                   

Для ²³⁹Pu

 m_{выг Pu}=0,063*N (МВт) t (ч) = 1,52*N (МВт) t (сут) , [г].                  

Один из важнейших показателей экономичности ЯР (ЯЭУ и АЭС в целом)  - глубина выгорания топлива. Чаще всего среднюю глубину выгорания В определяют как количество энергии, полученной с единицы массы топлива, загруженного в ЯР, за время его пребывания в активной зоне. Это есть удельное энерговыделение.

Если ЯР с загрузкой m_топ (кг) выработал N (МВт)*t (сут) =Q_к (МВт*сут) энергии, то глубина выгорания

В = Q_к/^m_топ = N*t/m_топ , [МВт.сут/кг].                                     0.1

Максимальная глубина выгорания в отдельных твэлах всегда больше В на величину, пропорциональную коэффициентам неравномерности. Предельная глубина выгорания определяется технологической стойкостью твэлов в зависимости от обогащения топлива, типа теплоносителя, материала оболочки и конструкции твэла.

Глубину выгорания можно также выражать отношением масс выгоревшего делящегося нуклида, например ²³⁵U (m_выг, кг), и загруженного топлива (m_топ,т):

В1=m_выг/m_топ  , [кг/т].                                              0.2

Можно относить выгоревший делящийся нуклид (m_выг) к загруженному    делящемуся нуклиду (m_U-235, m_Pu-239)

В3 =( m_выг /m_{u-235,Рu-239})*100 %                                0.3

или уменьшение ядерной концентрации делящегося нуклида за кампанию Т к ее первоначальному значению:

В3= 100(N°_u-235-N_u-235(T))/N°_u-235 %

Глубину выгорания можно также оценивать по количеству накопившихся осколков деления.

m = m_выг + m_ост                                               0.4

Полный расход топлива учитывает все топливо, которое загружается в активную зону для обеспечения заданной кампании: и выгоревшее (m_выг), и оставшееся (m_ост) к концу кампании, но выгружаемое из активной зоны при перегрузке.

10 Классификация ядерных реакторов.

             Ядерные реакторы классифицируют: по основному целевому назначению, по уровню энергии нейтронов, участвующих в реакции деления , по расположению в реакторе топлива и замедлителя, по виду и агрегатному состоянию вещества, применяемого в качестве теплоносителя, а так же по конструкционному признаку (корпусной или канальной).

             В зависимости от целевого назначения: энергетические, промышленные, исследовательские, экспериментальный и многоцелевые.

             По степени воспроизводства нового по изотопному состава топлива по сравнению со сжигаемым ( на U238® Pu239,Th232®U233):

1.  конвертеры, где производится новое ядерное топливо в количествах меньших, чем сжигаемые, и

2. размножители, где производится ядерное топливо в количествах больших , чем сжигаемое.

             В зависимости от уровня энергии нейтронов, определяющих основную долю деления ядер топлива: реакторы на тепловых, быстрых и промежуточных нейтронах.