Особенности реакторов на быстрых нейтронах

6.1. ОСОБЕННОСТИ РЕАКТОРОВ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ

Реакторы на быстрых нейтронах в нашей стране начали разрабатываться с 1949 г., когда советский ученый А. И. Лейпунский высказал идею о возможности расширенного воспроизводства топлива. В таких реакторах должно находиться топливо ²³⁵U, ²³³U, ²³⁹Pu, вносящее основной вклад в баланс нейтронов и материал воспроизводства (²³⁸U, ²³²Th), используемый для получения вторичного топлива (²³⁹Pu, ²³³U). Воспроизводящий материал можно размещать внутри активной зоны, разбавляя ее, или снаружи, окружая активную зону и образуя так называемую зону воспроизводства. В действующих в настоящее время реакторах в основном использован второй вариант размещения топлива и воспроизводящего материала.

Высокая энергонапряженность активной зоны реактора и достаточно высокая температура теплоносителя требует использования в реакторах на быстрых нейтронах высокотемпературного топлива. В Советском Союзе используется окисное топливо. Определенные преимущества могут дать карбиды и нитриды урана и плутония, металлическое топливо с легирующими добавками, повышающими его радиационную и температурную стойкость. От материала топлива зависит диапазон допустимых значений параметров. Так, на рис. 6.1 представлена связь между диаметром топливного сердечника d_c, массовой q_м и линейной мощностью q_л == q_м•ρ_т•d_c² (ρ_т — плотность топлива, d_c d_c— диаметр топливного сердечника). Температурный перепад в топливном сердечнике

ΔT_т= q_м•ρ_т•d_c²/16λ_т q_л /4πλ_т

где λ_т — коэффициент теплопроводности топливной композиции, средний в интервале температур ΔT_т

В связи с более низким коэффициентом теплопроводности предельная q_л для окисного топлива из условия достижения максимально допустимой температуры в центре сердечника (см. рис. 6.1, линия 1) существенно меньше предельной q_л карбидного топлива (линия II). Следовательно, для достижения одной и той же массовой мощности q_мдиапазон диаметра топливных сердечников из карбидного топлива оказывается большим, что улучшает условия оптимизации конструкции. Например, при q_м=200 Вт/г для карбидного топлива d_c<9,8 мм, а для окисного топлива d_c≤7,0 мм.

К конструкционным материалам реакторов на быстрых нейтронах, особенно элементов активной зоны, наряду с традиционными требованиями технологичности, доступности, высокой коррозионной стойкости в теплоносителе, совместимости с топливом и продуктами деления (для оболочек твэлов) предъявляются повышенные требования высокой пластичности, длительной прочности, низкой скорости ползучести при температуре до 700—850 °С (в области горячих пятен на внутренней поверхности оболочки твэла), хорошей сопротивляемости малоцикловой усталости и термическим ударам, связанным с изменением условий охлаждения, высокой радиационной стойкости в потоке быстрых нейтронов. В последнем отношении условия работы конструкционных материалов реакторов на быстрых нейтронах максимально напряженные: для конструкций активной зоны флюенс составляет до 2•10²³ нейтр./см².

В настоящее время еще не разработаны конструкционные материалы, полностью соответствующие комплексу перечисленных требований. Удовлетворительные свойства до температуры 650— 720 °С показали аустенитные хромоникелевые нержавеющие стали, умеренно легированные (0Х18Н9Т, 0Х16Н15МЗБ). Эти стали совместимы как с окисным, так и с карбидным топливом, доступны и технологичны. Существенный недостаток нержавеющих сталей — их недостаточная радиационная стойкость, относительно низкая теплопроводность, что приводит к большим термическим напряжениям, особенно при переходных режимах работы. Для температур более 720 °С рассматривается возможность использования деформируемых никелевых сплавов типа инкалой, нимоник, хастелой. Первые испытания оболочек твэлов из этих материалов прошли успешно. Однако никелевые сплавы существенно дороже аустенитных сталей. Поэтому целесообразно их использовать только в наиболее высокотемпературных элементах активной зоны. Рабочая температура других узлов практически не превышает максимальной температуры теплоносителя, что дает возможность применять для этих узлов более дешевые аустенитные нержавеющие стали.