Тяжелые ядра

Стали.

Средние ядра.

Натрий-23. – теплоноситель быстрых реакторов. Сильный резонанс около 2.8 кэВ.

Железо –(осн изотоп 56) – Заметное поглощение (активация), первые резонансы после 1 кэВ с сильными провалами.

Никель(58) и Хром(60). Близкие родственники железа.

Считается, что сталь состоит из «родственных изотопов» железа (⁵⁶Fe), хрома (⁵⁸Cr) и никеля (⁶⁰Ni). Здесь указаны только основные изотопы, природные железо-хром-никель, обычно, содержат 3-5 соседних изотопов в меньших концентрациях. Легирующие 1-10% изотопы титана, марганца и пр. учитываются только в прецизионных расчетах.

Сталь намного прочнее циркония.

В тепловой области имеет относительно высокое поглощение (порядка 10 бн). При применении стали приходится повышать обогащение топлива на 1.5-2% минимум и топливо становится дорогим (Обнинская, Билибинская АЭС, блоки АМБ Белоярской АЭС). Высокое поглощение в стали приводит к появлению дефектов решетки в виде вакансий, которые измеряются «смещением на атом» (или displacement per atom- dpa). Температура критической хрупкости, которая в технике остается постоянной, в реакторе возрастает со временем и подходит к пределу безопасной эксплуатации (обычно 170-190 ⁰С). Это угрожает хрупким разрушением главным образом корпусу. Приходится либо выводить блок из эксплуатации, либо проводить процедуру отжига высокочастотным током. Такая процедура в 90е годы была проведена на всех корпусах В-440.

В области промежуточных и быстрых энергий сечения стали и циркония примерно равны и выбор всегда делается в пользу стали

Цирконий и сплавы.

Сечение циркония показано на рис. 1.5.

Рис. 1.5 Цирконий-90

Слабое тепловое поглощение около 0.1 бн. Является катализатором при генерации водорода из воды. Окисляется в реакции с водой, однако оксидный слой защищает поверхность. Изменение прочностных свойств начинается с температуры 350 ⁰С, поэтому эксплуатационная температура не должна превышать ее.

При температуре выше 1200 ⁰С реакция становится экзотермической и цепной (паро-циркониевая реакция) с большим выделением водорода. Поэтому эта температура считается пределом безопасной эксплуатации.

Выделение водорода как в реакторе, так и в обезвоженном бассейне выдержки угрожает накоплением водорода, а затем (концентрация более 5%) и взрывом, что и наблюдалось в БВ Фукусимы.

Сплав цирконий-ниобий (до 2-3%) пластичен, что при распухании топливной таблетки приводит к «посадке» оболочки на топливо и быстрому росту напряжений с последующей разгерметизации твэл.

Большая группа средних ядер и редких земель используемых для органов СУЗ.

Таблица 1.1. Свойства ядер, применяемых в конструкциях ОР СУЗ.

Изот	g(г/см3)	Т(плав, ^0C)	sс^тепл(бн)	RIa(бн)
^112Cd	8.6			--
Dy	8.6
^152Eu	5.2
^157Gd	8.		46 000
^115In	7.3
^167Er	0.41%		10 000
^192Ir	22.4
^186Re
^107Ag
^178Hf	13.1
^135Xe			10^6

Часть из этих поглотителей используются как класс «выгорающих поглотителей». Основное требование к ВП –высокое сечение поглощения. Главное отличие ВП(от обычных)–они внедряются в топливо и поэтому неперемещаемы –неизвлекаемы.

Эрбий166-167

Рис. 1.6Эрбии166-167

Основной изотоп ¹⁶⁷Er имеет сильный резонанс при 0.47 эВ (рис. 1.6.). Следующий резонанс этого изотопа лежит уже в области нескольких эВ и не играет такой роли, как первый. Еще дальше расположен и имеет меньшую величину первый резонанс ¹⁶⁶Er. Таким образом, основную роль в процессах поглощения нейтронов играет изотоп ¹⁶⁷Erи именно его присутствием в топливе определяется величина парового коэффициента реактивности реактора РБМК.

Гадолиний Gd

Обладает особыми свойствами выгорающего поглотителя в ВВЭР и ряде других реакторов спецназначения благодаря изотопу ¹⁵⁷Gd с сечением около миллиона бн в тепловой точке. НатуральныйGd имеет сечение в тепловой области по закону 1/v, в тепловой точке значение 46 000 бн.

Рис. 1.7 Гадолиний -157

Используется в виде окисла Gd₂O₃. Широко применяется в качестве выгорающего поглотителя в специальных твэлах реакторов ВВЭР и специальных реакторах ледоколов и ПАТЭС.

Диспрозий

Имеет не очень высокое сечение поглощения в тепловой области –ок 1000 бн.,

Огромным преимуществом диспрозия является поглощение в реакции (n, γ), что позволяет избежать нагрева органа поглощения СУЗ и его распухания от альфа-частиц.

Эти свойства определили быстрое распространение диспрозия в органах СУЗ ВВЭР (Концевые вставки на поглощающих элементах), стержнях кластеров КРО в РБМК.

Используется в поглощающих элементах органов СУЗ виде титаната диспрозия Dy₂O₃ -TiO_2.

Некоторые средние ядра часто встречаются в следах радиационных аварий, их особые «неблагоприятные» для здоровья свойства- средний период распада(30лет), наличие достаточно высокой энергии распада (0.5-1МэВ) и способность замещать в химических процессах элементы живых тканей (Ca, K) это ⁹⁰Sr¹³⁷Cs, ¹³¹I, ¹³³I, ¹³⁵I.

Полоний-210, 212. Высокоактивные по a-распаду, затрудняют применение тория, используются для изготовления нейтронных источников.

Свойства ядер четно-четной группы.

Спин ядра всегда 0, составное ядро с s-нейтронами 1/2, одна система резонансных уровней. Среднее расстояние между уровнями примерно10-20эВ, первые неупругие уровни 46,146,300 кэВ. Тепловое сечение захвата –около 2-7бн(²³⁸U=2.8), резонансный интеграл захвата-200-300бн (²³⁸U=270). Порог деления 1-1.4МэВ.

Четно-нечетные ядра.

Спин ядра полуцелый (1/2, 7/2), две системы уровней и резонансов. Плотность резонансов высокая (около 1-5эВ). Неупругие уровни начинаются с 1 кэВ.

Сводная таблица важнейших характеристик тяжелых ядер дана ниже Табл.1.2.

	n^т *	sf^т, бн	sc^т, бн	a^т=sc/sf	Ic, бн	If, бн	bэфф,%$	I	J
Th-232			7.40						½
U-233	2.50			0.098			0.27
U-235	2.42			0.184			0.65	7/2	3^-,4^-
U-238			2.7	---
Pu-239	2.88			0.420			0.21	1/2	0^+,1^+
Pu-241	2.93			0.365

*Примечание: Величина n^т дана для тепловых нейтронов, она возрастает с энергией нейтронов примерно на 0.3/МэВ.

Отметим очень высокие «топливные» свойства и одновременно высокую ядерную опасность плутониев и урана-233 (выделено жирным) а именно: высокое сечение деления, высокое n^т, малое значение b.

Сечения показаны на рис. 1.7-1.11

Рис.1.8 Уран- 235

Тепловое сечение близко к 1/v, тепловое сечение поглощения 680, деления-500 бн.

Первый резонанс на «магическом значении» энергии 0.3 эВ небольшой(около 300 бн). С 1 эВ резонансы очень плотные и плохо разрешаются уже с 100 эВ. Хорошо делится, число вторичных нейтронов 2.4, доля запаздывающих нейтронов «удобна для управления» =0.64%,

Рис.1.9 Уран- 238

Не делится на тепловых нейтронах, однако делится начиная с 1 МэВ.

Тепловое сечение точно по закону 1/v, тепловое сечение поглощения 2.8 бн. Первый резонанс на 6.7 эВ большой(около 10⁺⁴бн), далее резонансы через 20 эВ. С 100 кэВ резонансы плотные и плохо разрешаются.Мощные неупругие уровни 46, 144, 300кэВ.

Рис.1.10 Плутоний-239

Тепловое сечение далеко не 1/v, тепловое сечение поглощения 1000, деления-700бн.

Первый резонанс на «магическом значении» энергии 0.3 эВ огромный (около 3000 бн). Этот резонанс сильно влияет на безопасность, проявился на аварии Чернобыле (возможно и на Фукусима). С 10 эВ резонансы очень плотные и плохо разрешаются уже с 300 эВ. Хорошо делится, число вторичных нейтронов 2.9, очень опасен в управлении поскольку доля запаздывающих нейтронов «неудобна для управления» =0.2%,

Радиационно чрезвычайно опасен: удельная активность по рентгеновскому+гамма+альфа+нейтроны на 4 порядка выше урана. Металлический Pu имеет высочайшую проникающую способность (ползет даже через аргоновые швы), оседает в костях надолго, выводится плохо.

Дата добавления: 2015-06-04