Повний посібник для розуміння графіту в ядерних реакторах

Графіт відіграє важливу роль у багатьох ядерних реакторах, особливо в тих, що працюють при високих температурах або в яких як паливо використовується природний уран. Графіт зазвичай використовується в ядерних реакторах як сповільнювач для уповільнення нейтронів, що утворюються під час поділу. Роль графіту в уповільненні цих нейтронів дозволяє значно підвищити ймовірність викликати подальші індуковані події поділу, таким чином продовжуючи ланцюгову реакцію.

Чому графіт використовується в ядерних реакторах?

Стримування нейтронів: Основна перевага графіту в ядерні реактори це його здатність сповільнювати швидкі нейтрони. Нейтрони вилітають зі швидкістю набагато вищою, ніж після реакції поділу. Нейтрони, що випромінюються в процесі поділу, повинні бути сповільнені, щоб вони з більшою ймовірністю викликали подальші реакції поділу в паливі реактора. Графіт слугує дуже хорошим сповільнювачем нейтронів і не буде поглинати нейтрони занадто сильно.

Стійкість до високих температур: Графіт може витримувати дуже високі температури, що є критично важливою властивістю в реакторах, призначених для роботи при високих температурах. Графіт - єдиний доступний матеріал, який зберігає свою структурну цілісність навіть при температурі вище 1000°C, що робить його добре придатним для використання у високотемпературних реакторах з газовим охолодженням (HTGR) і в деяких сучасних типах реакторів.

Графіт є "прозорим" для нейтронів: Графіт є "прозорим" матеріалом з точки зору поглинання нейтронів, що означає, що він не поглинає значну кількість нейтронів, які він сповільнює. Ця властивість допомагає гарантувати, що достатньо нейтронів залишається навколо, щоб ланцюгова реакція продовжувалася.

Забезпечує структурну стабільність: Графіт є відносно стабільним і довговічним матеріалом при впливі екстремальних умов; тому він забезпечує структурний каркас, який забезпечує належну роботу реактора. Він також може бути сформований у своєму первісному стані, щоб адаптуватися до форми реактора, що відкриває широке розмаїття варіантів застосування.

Як працює графіт в ядерних реакторах?

Реакція поділу: Поділ урану або іншого матеріалу, що розщеплюється, створює швидкі нейтрони.

Повільніші нейтрони для більшої кількості поділів: Уповільнені нейтрони, тепер відомі як теплові нейтрони, з більшою ймовірністю індукують більше поділів при зіткненні з урановим паливом. Таке сповільнення нейтронного циклу дозволяє контролювати і підтримувати ланцюгову ядерну реакцію.

Графіт як сповільнювач в ядерних реакторах

Непружне розсіювання: Нейтрони втрачають енергію через непружне розсіювання на атомах графіту, що призводить до їх уповільнення. Цей процес є дуже ефективним завдяки атомній структурі графіту, так що нейтрони, які втрачають швидкість, все ще мають достатньо енергії зіткнення, щоб втратити енергію нейтронів на поділ.

Доступність і вартість: Графіт широко розповсюджений у природі і є дешевшим за інші матеріали, які можуть виконувати ту саму функцію, наприклад, важку воду. Ця тенденція підвищує економічну доцільність графітових реакторів, особливо для виробництва великої кількості енергії.

Функції

Відбиття нейтронів: Графіт не лише сповільнює нейтрони, але й відбиває їх назад в активну зону реактора. Це важлива властивість, оскільки вона допомагає утримувати нейтрони в активній зоні там, де вони потрібні, підвищуючи ефективність реактора.

Контроль тепла: Хоча графіт є дуже сильним провідником тепла, він використовується для перенесення тепла від реакцій поділу з однієї ділянки по всьому реактору. Це особливо корисно для реакторів, які можуть працювати при високих температурах, таких як HTGR, оскільки вони повинні ефективно розсіювати тепло, щоб уникнути перегріву.

Структурна функціональність: Інша роль, яку відіграє графіт, є структурною за своєю природою в активній зоні реактора. Які властивості роблять його більш придатним і стабільним порівняно з матеріалами, які будуть потрібні в реакторах, що матимуть складну геометрію і потребуватимуть точності в екстремальних умовах?

Роль графіту в ефективності реактора

Використання природного урану: Основна перевага використання природного урану графіт як сповільнювач - це те, що він дозволяє реакторам використовувати природний уран як паливо. Більшість інших реакторів потребують так званого "збагаченого" урану, який набагато дорожчий за природний уран, тому реактори, які не потребують дорожчого збагаченого урану, також працюють з меншими експлуатаційними витратами.

Підвищені робочі температури: Завдяки графіту активна зона реактора може працювати при вищих температурах. Графіт забезпечує кращу теплову ефективність в таких реакторах, як HTGR, оскільки він здатний витримувати значну кількість тепла, що утворюється під час реакції поділу.

Міркування щодо безпеки

Покращення графіту: Через роки впливу радіації та підвищених температур графіт схильний до розкладання. Це може вплинути на його розм'якшувальні властивості і, якщо ця тенденція збережеться, можливо, призведе до структурної компрометації. Тому його довговічність всередині реакторів вимагає регулярних перевірок і технічного обслуговування.

Займистість: Графіт є легкозаймистим, особливо при високій температурі кисню. Це стало основною проблемою під час Чорнобильської катастрофи, коли пожежі графіту посилили характер катастрофи. Якщо графіт досить сильно нагрівається, він може спалахнути, тому необхідно бути особливо обережними, щоб запобігти цьому, якщо реактор вийде з ладу.

Радіаційне ураження: Тривалий вплив радіації може призвести до фізична властивість зміни в графіті, включаючи крихкість або розтріскування. Це може призвести до погіршення експлуатаційних характеристик і підвищених вимог до технічного обслуговування.

Майбутнє графіту в ядерних реакторах

Реактори нового покоління: Графіт вивчається для використання в ядерних реакторах наступного покоління, включаючи малі модульні реактори (ММР) і високотемпературні реактори з газовим охолодженням (ВТГР). Ці реактори є меншими, безпечнішими та ефективнішими, і в них графіт залишається ключовим компонентом конструкції.

Нові починання: Від розробки новітніх матеріалів, таких як нові форми графіту або композитних матеріалів, які можуть витримувати ще вищі рівні радіації та вищі температури, до підвищення безпеки та ефективності реактора.

Космічні застосування: Графіт також розглядається для використання в ядерних реакторах, призначених для позаземного застосування, де потреба в жаростійкості і здатність до нейтронного сповільнення роблять його привабливим варіантом для космічних реакторів.

Чи є графіт радіоактивним?

Чистий графіт сам по собі не є радіоактивним. Це стабільна речовина, що складається з вуглецю. Його можна безпечно використовувати у повсякденних цілях, наприклад, для виготовлення олівців, батарейок, промислового мастила тощо. Якщо графіт штучно опромінюється в ядерній промисловості або під час певних експериментів, або контактує з радіоактивними матеріалами (такими як уран, торій тощо), він може нести в собі радіоактивне забруднення.

Висновок

Графіт був невід'ємною частиною конструкції ядерних реакторів протягом багатьох років; він слугував модераторконструкційний матеріал і теплопровідник. Його здатність знижувати рівень нейтронів у поєднанні з термічною стабільністю і мінімальним поглинанням нейтронів робить його незамінним в реакторах, що працюють на рівні природного урану і при високій температурі. Таким чином, дослідження продовжують вирішувати ці основні проблеми безпеки, а реактори на основі графіту вдосконалюються. З розвитком ядерної енергетики протягом наступних десятиліть графіт може залишатися важливою частиною енергетичного балансу протягом багатьох років.