Полное руководство по использованию графита в ядерных реакторах

Графит играет важную роль в ряде ядерных реакторов, особенно в тех, которые работают при высоких температурах или используют в качестве топлива природный уран. Графит обычно используется в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейтронов, образующихся при делении. Роль графита в замедлении нейтронов позволяет с гораздо большей вероятностью вызвать дальнейшие индуцированные события деления, тем самым продолжая цепную реакцию.

Почему графит используется в ядерных реакторах?

Нейтронное замедление: Основная особенность графита в ядерные реакторы это способность замедлять быстрые нейтроны. Нейтроны выбрасываются со скоростями, гораздо большими, чем после реакции деления. Нейтроны, испускаемые в процессе деления, необходимо замедлить, чтобы они с большей вероятностью вызвали дальнейшие реакции деления в топливе реактора. Графит служит очень хорошим замедлителем нейтронов и не поглощает нейтроны слишком сильно.

Стойкость к высоким температурам: Графит может выдерживать очень высокие температуры, что является критически важным свойством для реакторов, предназначенных для работы при высоких температурах. Графит - единственный доступный материал, который сохраняет свою структурную целостность даже при температурах выше 1 000°C, что делает его хорошо подходящим для использования в высокотемпературных реакторах с газовым охлаждением (HTGR) и некоторых современных типах реакторов.

Графиты "прозрачны" для нейтронов: Графит - "прозрачный" материал с точки зрения поглощения нейтронов, что означает, что он не поглощает значительное количество нейтронов, которые он поглощает. Это свойство позволяет гарантировать, что нейтронов останется достаточно для продолжения цепной реакции.

Обеспечивает структурную стабильность: Графит - относительно стабильный и прочный материал, подвергающийся воздействию экстремальных условий; поэтому он обеспечивает структурную основу, гарантирующую правильную работу реактора. Кроме того, в исходном состоянии ему можно придать форму, соответствующую форме реактора, что открывает возможности для использования большого количества вариантов.

Как графит используется в ядерных реакторах?

Реакция деления: При делении урана или другого делящегося материала образуются быстрые нейтроны.

Более медленные нейтроны для большего деления: Замедленные нейтроны, известные теперь как тепловые нейтроны, с большей вероятностью вызовут большее деление при столкновении с урановым топливом. Такое замедление нейтронного цикла позволяет контролировать и поддерживать цепную ядерную реакцию.

Графит как элемент питания в ядерных реакторах

Неупругое рассеяние: Нейтроны теряют энергию из-за неупругого рассеяния на атомах графита, что приводит к их замедлению. Этот процесс очень эффективен благодаря атомной структуре графита, так что нейтроны, теряющие скорость, все еще имеют достаточно энергии для столкновения, чтобы потерять энергию нейтрона на деление.

Доступность и стоимость: Графит распространен в природе и стоит дешевле, чем другие материалы, способные выполнять ту же функцию, например тяжелая вода. Эта тенденция повышает экономическую целесообразность графитовых реакторов, особенно с высокой энергетической мощностью.

Функции

Отражение нейтронов: Графит не только замедляет нейтроны, но и отражает их обратно в активную зону реактора. Это важное качество, поскольку оно помогает удерживать нейтроны в активной зоне, где они необходимы, повышая эффективность реактора.

Контроль тепла: Хотя графит является очень сильным проводником тепла, он используется для переноса тепла от реакций деления из одной области по всему реактору. Это особенно полезно для реакторов, которые могут работать при более высоких температурах, таких как реакторы HTGR, поскольку они должны эффективно отводить тепло, чтобы избежать перегрева.

Структурная функциональность: Еще одна роль, которую выполняет графит, - структурная в активной зоне реактора. Какие свойства делают его более подходящим и более стабильным по сравнению с материалами, которые потребуются в реакторах со сложной геометрией, требующих точности в экстремальных условиях?

Роль графита в повышении эффективности реакторов

Использование природного урана: Основное преимущество графит в качестве замедлителя позволяет реакторам использовать природный уран в качестве топлива. Для большинства других реакторов требуется так называемый "обогащенный" уран, который намного дороже природного урана, поэтому реакторы, не требующие дорогого обогащенного урана, работают с меньшими эксплуатационными затратами.

Повышенные рабочие температуры: Благодаря графиту активная зона реактора может работать при более высоких температурах. Графит позволяет повысить тепловую эффективность реакторов, таких как HTGR, поскольку он способен выдерживать значительное количество тепла, выделяемое в ходе реакции деления.

Соображения безопасности

Улучшение графита: В результате многолетнего воздействия радиации и повышенных температур графит подвержен разложению. Это может повлиять на его смягчающие свойства и, если такая тенденция сохранится, привести к нарушению структуры. Поэтому для обеспечения его долговечности в реакторах необходимо проводить регулярный осмотр и техническое обслуживание.

Воспламеняемость: Графит горюч, особенно в условиях высокой температуры кислорода. Это стало серьезной проблемой во время Чернобыльской катастрофы, когда возгорание графита усугубило характер бедствия. Если графит достаточно сильно нагреется, он может загореться, поэтому необходимо соблюдать особую осторожность, чтобы этого не произошло в случае сбоя в работе реактора.

Радиационное повреждение: Длительное воздействие радиации может привести к физическое свойство изменения в графите, включая охрупчивание или растрескивание. Это может привести к ухудшению эксплуатационных характеристик и повышению требований к техническому обслуживанию.

Будущее графита в ядерных реакторах

Реакторы нового поколения: Графит изучается на предмет использования в ядерных реакторах нового поколения, включая малые модульные реакторы (SMRs) и высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы (HTGRs). Эти реакторы меньше, безопаснее и эффективнее, и в них графит по-прежнему является ключевым компонентом конструкции.

Новые начинания: От разработки передовых материалов, таких как новые формы графита или композитные материалы, способные выдерживать еще более высокий уровень радиации и более высокие температуры, до повышения безопасности и эффективности реактора.

Космическое применение: Графит также рассматривается для использования в ядерных реакторах, предназначенных для внеземных применений, где необходимость в теплостойкости и способность к нейтронному замедлению делают его привлекательным вариантом для космических реакторов.

Является ли графит радиоактивным?

Сам по себе чистый графит не радиоактивен. Это стабильное вещество, состоящее из углерода. Его можно безопасно использовать в повседневных целях, например, для изготовления карандашей, батареек, промышленных смазок и т. д. Если графит искусственно облучают в ядерной промышленности или в некоторых экспериментах, или он контактирует с радиоактивными материалами (такими как уран, торий и т. д.), он может нести радиоактивное загрязнение.

Заключение

В течение многих лет графит был неотъемлемой частью конструкции ядерных реакторов; он служил в качестве модераторконструкционный материал и теплопроводник. Способность замедлять нейтроны в сочетании с термической стабильностью и минимальным поглощением нейтронов делает его незаменимым в реакторах, работающих при естественном содержании урана и высокой температуре. Поэтому продолжаются исследования, направленные на решение этих основных проблем безопасности, а реакторы на основе графита совершенствуются. По мере развития атомной энергетики в ближайшие десятилетия графит может оставаться важной частью энергетического баланса в течение многих лет.