Загальна схема ядерного реактору

Характеристикою здатності до ланцюгового ділення системи є ефективний коефіцієнт розмноження нейтронів

k_еф = N_i+1/N_і,

де N_і, N_i+1 – число нейтронів попереднього та наступного поколінь.

В ідеальному випадку k^ід_еф = ν-1. Реально за рахунок поглинання нейтронів ця величина суттєво менша за ідеальну.

В реакторній фізиці прийнято використовувати поняття реактивності (коефіцієнту реактивності):

ρ = (k_еф-1)/ k_еф ≈ k_еф-1

При ρ =0 маємо критичну масу. Для довгострокової роботи реактору потребується суттєвий запас реактивності системи Δρ > 0.

Для нескінченного середовища k_еф ^∞> k_еф для будь-якої реальної геометрії за рахунок нейтронів витоку. Зменшення впливу ефекту:

- оптимізація форми;

- використання відбивача.

Оптимізація форми (сфера) доповнюється інженерними потребами у плоских поверхнях (прямокутний паралелепіпед). Оптімумом виступає циліндрична форма.

До складових ядерного реактору входять:

- ядерне паливо (у обсязі, суттєво більшому за критичну масу);

- уповільнювач нейтронів (для реакторів на теплових нейтронах);

- система керування з поглиначем нейтронів (для компенсації запасу реактивності);

- відбивач нейтронів витоку;

- система тепловідведення з теплоносієм;

- біологічний захист.

1.5 Класифікація ядерних реакторів за призначенням

Тип реакторів	Головна вимога	Аналог
Енергетичні	Висока економічність	Прилад
Дослідницькі	Високий потік нейтронів/потужне гама-поле/інші специфічні властивості	Інструмент
Транспортні	Максимальна компактність, значна маневреність	Двигун
Промислові	Максимальне напрацювання плутонію-239/урану-233/радіонуклідів	Копальня
Багатоцільові	Синтез декількох головних вимог	Комбайн

1.6 Інтегральні характеристики економічності енергетичних ядерних реакторів

- економічні;

- технічні.

Основною економічною характеристикою є тариф на електроенергію (теплоенергію), що включає три складових:

Т = Т_паливн + Т_експл + Т_{інвестиц} ≈ 2-10 цент/(кВт*год)

Паливна складова Т_паливн ≈ 20-30% Т

Т_{інвестиц} = а_{інвестиц} * W_ел / (t_експл * W_ел) = а_{інвестиц}/ t_експл ≈ 20% Т;

Питома собівартість а_{інвестиц} = A_{інвестиц}/W_ел ≈ 1 млн $/МВт (для ІІІ-го покоління).

Основні технічні характеристики економічності:

- питоме вигоряння v = W_ел t_комп/ M_комп ≈ 10-50 ГВт*доба/тона U;

- ККД = W_ел/ W_тепл ≈ 30-40%;

- КВВП = Q_ел^факт / (t *W_ел^проект) ≈ 70-90%

1.7 Основні вимоги до складових

Ядерне паливо:

- радіаційна стійкість (максимум вигоряння);

- термічна стійкість (максимум ККД);

- можливість надійної герметизації (ізоляції від теплоносія);

- хімічна сумісність зовнішньої оболонки з теплоносієм.

Уповільнювач:

- висока уповільнююча здатність;

- мінімальне поглинання нейтронів.

Теплоносій:

- висока теплоємність (ефективний тепловідбір);

- помірна густина (розумні витрати на перекачку);

- низька корозійна активність (сумісність з зовнішньою оболонкою палива);

- мінімальне поглинання нейтронів;

- (для реакторів на швидких нейтронах) низька уповільнююча здатність.

Внутризонні елементи системи управління:

- максимальне поглинання нейтронів;

- радіаційна стійкість;

- термічна стійкість;

- можливість надійної герметизації (ізоляції від теплоносія);

- хімічна сумісність зовнішньої оболонки з теплоносієм.

Останні 4 аналогічні вимогам до ядерного палива.

Конструкційні елементи

- мінімальне поглинання нейтронів;

- радіаційна стійкість;

- термічна стійкість;

- хімічна сумісність контактуючих поверхонь з теплоносієм.

1.8 Класифікація ядерних реакторів

За енергетичним спектром нейтронів:

- на теплових нейтронах;

- на проміжних нейтронах;

- на швидких нейтронах.

За видом уповільнювача:

- легководні;

- важководні;

- графітові;

- без уповільнювача («швидкі» реактори).

За видом теплоносія:

- легководні;

- важководні;

- газові;

- металеві («швидкі» реактори).

Принципово можливе використання Ве.

Теплоносій Уповільнювач	H2O	D2O	He	CO2	Na	Pb+Bi
H2O	+			(+)
D2O	+	+	(+)	+
C (графіт)	+
Відсутній					+	+

За структурою активної зони:

- гомогенні;

- гетерогенні

За конструкцією вміщуючої судини:

- корпусні;

- канальні

За тиском вміщуючої судини:

- басейнові;

- під тиском

За типом паливного циклу:

- уран-плутонієві;

- уран-торієві

За агрегатним станом палива:

- метал;

- керамічне паливо;

- розплав.

1.9 Основні типи енергетичних реакторів

За поширенням у світі (теплоносій/уповільнювач):

- водо-водяні під тиском (ВВЕР/PWR);

- водо-водяні киплячі (BWR);

- водо-графітові (РБМК);

- газо-важководні (CANDU);

- газо-графітові (AGR);

- натрієві на швидких нейтронах (БН).

Історичні причини суттєвого поширення:

- водо-водяні під тиском – транспортні реактори (СРСР, США);

- водо-водяні киплячі – найпростіші технічні рішення;

- водо-графітові – високі КВ, КВВП;

- газо-важководні – незбагачений уран (Канада)

2 Водо-водяні реактори під тиском