Гомогенные и гетерогенные реакторы

Ядерные реакторы подразделяются на две большие группы - гомогенные и гетерогенные реакторы. На этой странице я рассмотрел основные отличия этих типов реакторов.

Гомогенные реакторы. Замедлитель и ядерное топливо в гомогенной активной зоне облучаются потоками тепловых нейтронов одинаковой плотности φ. Гомогенная смесь состоит из замедлителя и ядерного топлива (урана). Количество тепловых нейтронов, поглощённых за 1 с в единице объёма гомогенной смеси:

Σ_aφ=(Σ^З_a+Σ^U_a)φ,
где φ — нейтронный поток
Σ_a — макроскопическое сечение поглощения смеси;
Σ^З_a — макроскопическое сечение поглощения замедлителя;
Σ^U_a — макроскопическое сечение поглощения урана.

Таким образом, коэффициент θ равен доле тепловых нейтронов, поглощённых в уране:

θ=Σ^U_aφ/Σ_aφ=Σ^U_a/(Σ^U_a+Σ^З_a).

Из анализа формулы следует три вывода:

• коэффициент θ гомогенной смеси не зависит от скорости нейтронов v, а значит, и от температуры нейтронов T_n, если сечение поглощения σ_a всех компонентов смеси подчиняется закону 1/v
• с увеличением концентрации урана в смеси коэффициент θ стремится к единице. Наоборот, разбавление урана замедлителем ведёт к уменьшению коэффициента θ
• с повышением обогащения урана возрастают сечение поглощения σ^U_a и коэффициент θ.

 

Гетерогенные реакторы. Гетерогенная активная зона, в отличие от гомогенной, неоднородна для тепловых нейтронов, так как сечения поглощения замедлителя и материала ТВЭЛа резко различаются. Рассмотрим изменение величины θ при переходе от гомогенной системы к гетерогенной на примере цилиндрической ячейки, состоящей из уранового стержня и замедлителя. Быстрые нейтроны теряют свою энергию в замедлителе, так как урановый стержень состоит только из тяжелых атомов. Следовательно, замедлитель является источником тепловых нейтронов. Из замедлителя тепловые нейтроны перетекают в урановый стержень. Величина потока нейтронов φ уменьшается от границы ячейки к её центру. Поглощение тепловых нейтронов в гетерогенном реакторе ядрами замедлителя больше, чем в гомогенном. Поэтому при одинаковом составе активной, зоны коэффициент θ_гет гетерогенного реактора меньше, чем коэффициент θ_гом гомогенного реактора. Переход от гомогенной системы к гетерогенной ухудшает использование тепловых нейтронов в цепной реакции. Например, в квадратной уран-графитовой решётке с шагом a=30 см и стержнем из природного урана диаметром d=3 см отношение количества атомов N_C/N_U = 215, а коэффициент θ_гет = 0,885. В гомогенной смеси с таким соотношением ядер углерода и природного урана значение θ_гом = 0,915. В данном случае эффективность использования тепловых нейтронов при переходе к гетерогенной системе снижается примерно на 3%.