Posted inFizika

Yadro reaktori nima

Faol zona — ATR tadqiqot reaktorining faol qismi[ingl.] Aydaxo milliy laboratoriyasida. Unda moviy shu’la yaqqol ko‘rinadi — bu Vavilov — Cherenkov effekti.

Yadro (atom) reaktori — energiya ajralishi bilan kechadigan boshqariladigan, o‘z-o‘zini davom ettiruvchi yadro bo‘linishining zanjir reaksiyasini amalga oshirish uchun mo‘ljallangan qurilma.

Birinchi yadro reaktori 1942-yil dekabrida AQSHda E. Fermi rahbarligida qurilib ishga tushirilgan. AQSHdan tashqarida qurilgan birinchi reaktor ZEEP bo‘lib, u Kanadada 5-sentabr 1945-yilda ishga tushirilgan. SSSRdagi dastlabki yadro reaktori esa F-1 qurilmasi bo‘lib, u 25-dekabr 1946-yilda Moskvada I. V. Kurchatov rahbarligida ishga tushgan. 1978-yilga kelib dunyoda turli turdagi yuzga yaqin yadro reaktori ishlayotgan edi.

Tarixi

«Uran loyihasi» nomli natsistlar Germaniyasining Kayzer Vilgelm jamiyatida faoliyat yuritgan nazariy guruhiga Vaytsekker rasman rahbarlik qilgan. Amaldagi rahbar esa Geyzenberg edi. U zanjir reaksiyasining nazariy asoslarini ishlab chiqqan, Vaytsekker esa guruh a’zolari bilan birga birinchi reaktor — «uran mashinasi»ni yaratishga e’tibor qaratgan. 1940-yil bahorining oxirida guruh olimlaridan biri — Xartek — uran oksidi va qattiq grafit sekinlatkichidan foydalanib, zanjir reaksiyasini yuzaga keltirish bo‘yicha ilk tajribani o‘tkazgan. Ammo mavjud bo‘linuvchi material bu maqsadga erishish uchun yetarli bo‘lmagan. 1941-yilda Leypsig universitetida Geyzenberg guruhi a’zosi Dyopel og‘ir suvli sekinlatkichga ega tajriba qurilmasini barpo etgan. Undagi tajribalarda 1942-yil mayiga kelib neytronlar hosil bo‘lishi ularning yutilishidan ko‘proq bo‘lishiga erishilgan. Nemis olimlari to‘liq zanjir reaksiyasiga 1945-yil fevralida Xaygerlox yaqinidagi tog‘ konida o‘tkazilgan tajribada erishgan. Ammo bir necha haftadan so‘ng Germaniyaning yadro dasturi tugatilgan.

«Chikago polenitsasi-1».

Yadrolar bo‘linishining zanjir reaksiyasi (qisqacha — zanjir reaksiyasi) birinchi marta 1942-yil dekabrida amalga oshirilgan. Chikago universitetining E. Fermi rahbarligidagi fiziklar guruhi dunyodagi birinchi yadro reaktorini yaratgan. U «Chikago polenitsasi» (Chicago Pile-1, CP-1) deb nomlangan. U grafit bloklaridan tashkil topgan bo‘lib, bloklar orasiga tabiiy uran va uning dioksididan yasalgan sharchalar joylashtirilgan. Tez neytronlar 235U yadrolari bo‘linganda hosil bo‘ladi. Grafit ularni issiqlik energiyasigacha sekinlatadi va ular yangi yadrolarning bo‘linishiga sabab bo‘ladi. CP-1 kabi, bo‘linishlarning asosiy qismi issiqlik neytronlari ta’sirida yuz beradigan reaktorlar issiqlik neytronli reaktorlar deb ataladi. Ularda yadro yoqilg‘isiga nisbatan juda ko‘p miqdorda sekinlatkich mavjud bo‘ladi.

SSSRda reaktorlarni ishga tushirish, ishlatish va nazorat qilish xususiyatlari bo‘yicha nazariy hamda tajribaviy tadqiqotlarni akademik I. V. Kurchatov rahbarligidagi fiziklar va muhandislar guruhi olib borgan. Birinchi sovet reaktori F-1 SSSR Fanlar akademiyasining 2-laboratoriyasida (Moskva) qurilgan. Ushbu reaktor 25-dekabr 1946-yilda kritik holatga keltirilgan. F-1 reaktori grafit bloklardan yig‘ilib, diametri taxminan 7,5 m bo‘lgan shar shaklida edi. Sharning diametri 6 m bo‘lgan markaziy qismida grafit bloklardagi teshiklarga uran sterjenlari joylashtirilgan. F-1 reaktorida ham, CP-1 reaktorida ham sovitish tizimi bo‘lmagan, shu sababli ular juda kichik quvvatlarda ishlagan. F-1 reaktoridagi tadqiqotlar natijalari konstruksiyasi murakkabroq sanoat reaktorlarini loyihalash uchun asos bo‘lgan. 1948-yilda I-1 reaktori (boshqa ma’lumotlarga ko‘ra, u A-1 deb atalgan) plutoniy ishlab chiqarish uchun ishga tushirilgan, 27-iyun 1954-yilda esa dunyodagi birinchi atom elektr stansiyasi — elektr quvvati 5 MVt bo‘lgan stansiya — Obninsk shahrida ishga tushirilgan.

shuningdek: Yadro reaktorlarining avlodlari

Tuzilishi va ishlash tamoyili

Energiya ajralish mexanizmi

Moddaning o‘zgarishi faqat unda energiya zaxirasi mavjud bo‘lgandagina erkin energiya ajralishi bilan kechadi. Bu moddaning mikrozarralari o‘tish mumkin bo‘lgan boshqa holatga qaraganda tinchlik energiyasi yuqoriroq holatda ekanini anglatadi. O‘z-o‘zidan o‘tishga doimo energiya to‘sig‘i xalaqit beradi. Uni yengish uchun mikrozarra tashqaridan ma’lum miqdorda energiya — qo‘zg‘alish energiyasini olishi kerak. Ekzoenergetik reaksiyada qo‘zg‘alishdan keyingi o‘zgarishda jarayonni qo‘zg‘atish uchun sarflanganidan ko‘proq energiya ajraladi. Energiya to‘sig‘ini yengishning ikki usuli mavjud: to‘qnashayotgan zarralarning kinetik energiyasi yoki qo‘shilayotgan zarraning bog‘lanish energiyasi hisobiga.

Energiya ajralishining makroskopik miqyosini nazarda tutsak, reaksiyalarni qo‘zg‘atish uchun zarur kinetik energiyaga moddaning barcha zarralari yoki dastlab hech bo‘lmasa bir qismi ega bo‘lishi kerak. Bunga muhit haroratini issiqlik harakati energiyasi jarayon kechishini cheklovchi energiya chegarasiga yaqinlashadigan darajagacha ko‘tarish bilangina erishiladi. Molekulyar o‘zgarishlar, ya’ni kimyoviy reaksiyalarda bunday ko‘tarilish odatda yuzlab kelvinni, yadro reaksiyalarida esa kamida 107 K ni tashkil etadi. Buning sababi to‘qnashayotgan yadrolarning Kulon to‘siqlari juda balandligidir. Yadro reaksiyalarini issiqlik ta’sirida qo‘zg‘atish amalda faqat Kulon to‘siqlari eng past bo‘lgan eng yengil yadrolarni sintez qilishda amalga oshirilgan (termoyadro sintezi).

Qo‘shilayotgan zarralar orqali qo‘zg‘atish katta kinetik energiya talab qilmaydi, shuning uchun muhit haroratiga ham bog‘liq emas. Chunki jarayon zarrachalarga xos tortishish kuchlarining foydalanilmagan bog‘lanishlari hisobiga ro‘y beradi. Biroq reaksiyalarni qo‘zg‘atish uchun ana shu zarralarning o‘zi zarur. Agar alohida reaksiya hodisasini emas, balki makroskopik miqyosda energiya olishni nazarda tutsak, bunga faqat zanjir reaksiyasi yuzaga kelgandagina erishiladi. Zanjir reaksiyasi esa reaksiyani qo‘zg‘atuvchi zarralar ekzoenergetik reaksiya mahsulotlari sifatida qayta paydo bo‘lganda yuzaga keladi.

Issiqlik neytronlarida ishlovchi geterogen reaktorning sxematik tuzilishi
1 — Boshqaruv sterjeni;
2 — Radiatsiyadan himoya;
3 — Issiqlik izolatsiyasi;
4 — Sekinlatkich;
5 — Yadro yoqilg‘isi;
6 — Issiqlik tashuvchi.

Tuzilishi

Har qanday yadro reaktori quyidagi qismlardan iborat:

Ishlashning fizik tamoyillari

Yadro reaktorining joriy holatini samarali neytronlar ko‘payish koeffitsiyenti k yoki reaktivlik ρ orqali tavsiflash mumkin. Ular quyidagi munosabat bilan bog‘langan:

ρ=k−1k

Bu kattaliklar uchun quyidagi qiymatlar xos:

  • k > 1 — zanjir reaksiyasi vaqt o‘tishi bilan kuchayadi, reaktor kritikdan yuqori holatda bo‘ladi, uning reaktivligi ρ > 0;
  • k < 1 — reaksiya so‘nadi, reaktor kritikdan past, ρ < 0;
  • k = 1, ρ = 0 — yadrolar bo‘linishlari soni doimiy, reaktor barqaror kritik holatda bo‘ladi.

Yadro reaktorining kritiklik sharti:

k=k0w=1, bu yerda
  • w — reaktor faol zonasida yutilgan neytronlar ulushining reaktorda hosil bo‘ladigan barcha neytronlarga nisbati (yoki neytronning faol zona chegaralangan hajmidan chiqib ketmaslik ehtimoli);
  • k0 — cheksiz katta o‘lchamdagi faol zonada neytronlarning ko‘payish koeffitsiyenti.

Ko‘payish koeffitsiyentini birga tenglashtirishga neytronlar ko‘payishi va yo‘qotilishini muvozanatlash orqali erishiladi. Yo‘qotishlarning aslida ikki sababi bor: bo‘linishsiz yutilish va neytronlarning ko‘payish muhiti tashqarisiga chiqib ketishi.

Neytronlarning chiqib ketishini kamaytirish maqsadida faol zonaga shar yoki sharga yaqin shakl, masalan, kalta silindr yoxud kub shakli beriladi, chunki bu shakllarda sirt yuzasining hajmga nisbati eng kichik bo‘ladi.

Yadro bo‘linishining boshqariladigan zanjir reaksiyasi muayyan sharoitlarda amalga oshirilishi mumkin. Yoqilg‘i yadrolari bo‘linishida bevosita bo‘linish paytida hosil bo‘ladigan tezkor neytronlar va bo‘linish parchalari radioaktiv yemirilganda ajralib chiqadigan kechikkan neytronlar vujudga keladi. Tezkor neytronlarning yashash vaqti juda qisqa, shu bois hatto reaktorni boshqarishning zamonaviy tizim va vositalari ham neytronlarning zarur ko‘payish koeffitsiyentini faqat tezkor neytronlar hisobiga saqlab tura olmaydi. Kechikkan neytronlarning yashash vaqti 0,1 dan 10 soniyagacha. Kechikkan neytronlarning yashash muddati nisbatan uzun bo‘lgani tufayli boshqaruv tizimi yutuvchi sterjenlarni siljitishga va shu tariqa neytronlar ko‘payishining zarur koeffitsiyentini (reaktivlikni) saqlashga ulguradi.

Muayyan avlodda bo‘linish reaksiyasini keltirib chiqargan kechikkan neytronlar sonining ayni avlodda bo‘linishni keltirib chiqargan barcha neytronlar soniga nisbati kechikkan neytronlarning samarali ulushi deb ataladi — βsamar. Shunday qilib, yadro bo‘linishining zanjir reaksiyasi quyidagi ssenariylar bo‘yicha rivojlanishi mumkin:

  1. ρ < 0, k < 1 — reaktor kritikdan past holatda, reaksiya jadalligi va reaktor quvvati kamayadi;
  2. ρ = 0, k = 1 — reaktor kritik holatda, reaksiya jadalligi va reaktor quvvati doimiy;
  3. ρ > 0, k > 1 — reaktor kritikdan yuqori holatda, reaksiya jadalligi va reaktor quvvati ortadi.

Oxirgi holatda kritikdan yuqori reaktorning bir-biridan tubdan farq qiladigan ikki holati bo‘lishi mumkin:

  • 0 < ρ < βsamar — reaktivlik noldan katta, ammo kechikkan neytronlarning samarali ulushi βsamar qiymatidan kichik bo‘lganda zanjir reaksiyasi kechikkan neytronlarning kechikish vaqti bilan belgilanadigan tezlikda kechadi. Reaktor tezkor neytronlarga nisbatan kritikdan past bo‘ladi, zarur ortiqcha kritiklik esa hosil bo‘ladigan kechikkan neytronlar hisobiga ta’minlanadi. Bunda bo‘linish reaksiyasi boshqariladigan;
  • ρ > βsamar — reaktor reaktivligi kechikkan neytronlarning samarali ulushidan oshganda, reaktor tezkor neytronlar bo‘yicha kritik holatga yetadi va bo‘linish zanjir reaksiyasining quvvati eksponensial ravishda o‘sa boshlaydi. Quvvatning ortish vaqti shu qadar qisqaki, hech bir boshqaruv tizimi (jumladan, avariya tizimlari ham) ishga tushishga ulgurmaydi. Bunda quvvat ortishini faqat faol zonada kechadigan fizik jarayonlar cheklashi mumkin. Masalan, issiqlik neytronli reaktorda bu harorat ko‘tarilganda neytronlarni yutish kesimining kamayishidir. Bu manfiy quvvatga bog‘liq reaktivlik koeffitsiyentining.

fizik sabablaridan biri. Ravshanki, k<k0, chunki cheksiz muhitdan farqli ravishda, cheklangan hajmda neytronlarning chiqib ketishi sababli yo‘qotishlar mavjud. Shu bois biror tarkibli moddada k0<1 bo‘lsa, o‘z-o‘zini davom ettiradigan zanjir reaksiyasi cheksiz hajmda ham, har qanday cheklangan hajmda ham yuzaga kelmaydi. Shunday qilib, k0 muhitning neytronlarni ko‘paytira olish imkoniyatini belgilaydi.

k0 ni issiqlik reaktorlari uchun «4 ko‘paytuvchi formulasi» orqali aniqlash mumkin:

k0=μϕθη, bu yerda

Zamonaviy energetik reaktorlarning hajmi yuzlab m³ ga yetishi mumkin. Bu hajm, asosan, kritiklik shartlari bilan emas, balki issiqlikni olib chiqish imkoniyatlari bilan belgilanadi.

Kritik hajm — reaktorning kritik holatdagi faol zonasi hajmi. Kritik massa — reaktorning kritik holatda turgan bo‘linuvchi moddasi massasi.

Kritik massasi eng kichik reaktorlarda yoqilg‘i sifatida toza bo‘linuvchi izotoplar tuzlarining suvdagi eritmalari ishlatiladi, neytron qaytargich esa suvdan iborat bo‘ladi. 235U uchun bu massa 0,8 kg, 239Pu uchun 0,5 kg, 251Cf uchun esa 0,01 kg. Biroq ma’lumki, dunyodagi birinchi boyitilgan uranli LOPO reaktorida berilliy oksididan qaytargich qo‘llanilgan va kritik massa 0,565 kg bo‘lgan, garchi uran-235 izotopi bo‘yicha boyitish darajasi 14 % dan sal ko‘proq bo‘lsa ham. 242mAm izomerida kritik massa taxminan 20 g bo‘lib, ushbu izomer bo‘yicha boyitish darajasi 95 % dan yuqori bo‘ladi.

Zanjir reaksiyasini boshlash uchun, odatda, uran yadrolarining o‘z-o‘zidan bo‘linishi natijasida paydo bo‘ladigan neytronlar kifoya qiladi. Reaktorni ishga tushirish uchun tashqi neytron manbasidan, masalan, Ra va Be, 252Cf yoki boshqa moddalardan ham foydalanish mumkin.

Yod chuquri

Yod chuquri yoki ksenon bilan zaharlanish — yadro reaktori to‘xtatilgandan keyin qisqa umrli ksenon 135Xe izotopining to‘planishi bilan tavsiflanadigan holat. U yod-135 izotopining yemirilish mahsuloti bo‘lgani uchun jarayon shunday nomlangan. Ksenon-135 ning issiqlik neytronlarini yutish kesimi katta bo‘lgani reaktorda vaqtincha sezilarli manfiy reaktivlikni yuzaga keltiradi, bu esa reaktor to‘xtatilgandan keyin muayyan vaqt (taxminan 1–2 sutka) davomida uni loyihaviy quvvatga chiqarishni qiyinlashtiradi.

Tasnifi

Vazifasiga ko‘ra

Foydalanish maqsadiga ko‘ra yadro reaktorlari quyidagilarga bo‘linadi:

Reaktorlar ko‘pincha ikki yoki undan ortiq vazifani bajarish uchun qo‘llaniladi. Bunday hollarda ular ko‘p maqsadli deb ataladi. Masalan, ayrim energetik reaktorlar, ayniqsa, atom energetikasining dastlabki davrida, asosan, tajribalar uchun mo‘ljallangan edi. Tez neytronli reaktorlar bir vaqtning o‘zida ham energiya ishlab chiqarishi, ham izotoplar olishi mumkin. Sanoat reaktorlari asosiy vazifasidan tashqari ko‘pincha elektr va issiqlik energiyasini ham ishlab chiqaradi.

Neytronlar spektriga ko‘ra

Yoqilg‘i joylashuviga ko‘ra

Geterogen reaktorda yoqilg‘i va sekinlatkich fazoda ajralgan bo‘lishi mumkin. Xususan, bo‘shliqli reaktorda sekinlatkich-qaytargich ichida sekinlatkich bo‘lmagan yoqilg‘ili bo‘shliqni o‘rab turadi. Yadro fizikasi nuqtayi nazaridan gomogenlik yoki geterogenlik mezoni konstruktiv yechim emas, balki yoqilg‘i bloklarining mazkur sekinlatkichda neytronlarning sekinlashish masofasidan kattaroq oraliqda joylashtirilganidir. Shu sababli «zich panjara» deb ataladigan reaktorlar yoqilg‘i odatda sekinlatkichdan ajratilganiga qaramay, gomogen reaktorlar sifatida hisoblanadi.

Geterogen reaktordagi yadro yoqilg‘isi bloklari issiqlik ajratuvchi yig‘malar (IAY) deb ataladi. Ular faol zonaning muntazam panjarasi tugunlariga joylashtiriladi va yacheykalarni hosil qiladi.

Yoqilg‘i turiga ko‘ra

Boyitish darajasiga ko‘ra:

Kimyoviy tarkibiga ko‘ra:

Issiqlik tashuvchi turiga ko‘ra

Sekinlatkich turiga ko‘ra

Konstruksiyasiga ko‘ra

Ikkala variant ham geterogen reaktorlarning kichik turlaridir:

Bug‘ hosil qilish usuliga ko‘ra

MAGATE tasnifi

Atom energiyasi bo‘yicha xalqaro agentlik (MAGATE) energetik yadro reaktorlarining asosiy turlarini ularda qo‘llaniladigan issiqlik tashuvchi va sekinlatkich materiallariga qarab quyidagicha tasniflaydi::

Dunyoda eng keng tarqalgan reaktorlar suv-suv turiga mansub — VVER (taxminan 62 %) va qaynaydigan reaktorlardir (20 %).

Reaktor materiallari

Reaktorlar quriladigan materiallar yuqori haroratda, neytronlar, γ-kvantlar va bo‘linish parchalari nurlanishi ta’sirida ishlaydi. Shu sababli texnikaning boshqa sohalarida qo‘llaniladigan materiallarning hammasi ham reaktor qurishga mos kelmaydi. Reaktor materiallari tanlanayotganda ularning radiatsiyaga chidamliligi, kimyoviy inertligi, yutilish kesimi va boshqa xossalari hisobga olinadi.

MaterialZichlik, g/sm³Makroskopik yutilish kesimi Εm−1
issiqlik neytronlaribo‘linish spektridagi neytronlar
Alyuminiy2,71,32,5⋅10−3
Magniy1,740,143⋅10−3
Sirkoniy6,40,764⋅10−2
Zanglamaydigan po‘lat8,024,71⋅10−1

Yoqilg‘i elementlarining qobiqlari, kanallar, sekinlatkichlar (qaytargichlar) yutilish kesimi kichik materiallardan tayyorlanadi. Neytronlarni kam yutadigan materiallardan foydalanish neytronlarning samarasiz sarfini kamaytiradi, yadro yoqilg‘isi yuklamasini qisqartiradi va takror ishlab chiqarish koeffitsiyentini (TK) oshiradi. Yutuvchi sterjenlar uchun esa, aksincha, yutilish kesimi katta materiallar mos keladi. Bu reaktorni boshqarish uchun kerakli sterjenlar sonini ancha kamaytiradi.

Tez neytronlar, γ-kvantlar va bo‘linish parchalari moddaning tuzilishini shikastlaydi. Jumladan, qattiq moddada tez neytronlar atomlarni kristall panjaradan urib chiqaradi yoki joyidan siljitadi. Natijada materiallarning plastik xossalari va issiqlik o‘tkazuvchanligi yomonlashadi. Shuningdek, ko‘pchilik materiallarning mustahkamlik xossalari harorat ko‘tarilishi bilan keskin pasayadi. Energetik reaktorlarda konstruksion materiallar yuqori haroratlarda ishlaydi. Bu konstruksion materiallar tanlovini, ayniqsa, yuqori bosimga bardosh berishi kerak bo‘lgan reaktor qismlari uchun cheklaydi. Atom elektr stansiyasidagi reaktorning ishlash muddati uning korpusi metallining holatiga bog‘liq, chunki korpus kuchli ionlashtiruvchi nurlanish ta’siriga uchraydi (reaktor korpusi yadro energetika qurilmasining almashtirib bo‘lmaydigan asosiy qismi, shu bois uning resursi atom energoblokining xizmat muddatini belgilaydi). Neytron nurlanishi ta’sirida korpusning payvand choklaridagi metallning mo‘rtlashuvi reaktor xizmat muddatini cheklovchi omillardan biridir. Reaktor korpusi metallining resurs xususiyatlarini tiklash (ya’ni korpusni tiklovchi toblash) texnologiyalari mavjud (masalan, VVER turidagi reaktorlar uchun 80 dan ortiq %).

Murakkab molekulalar nurlanish ta’sirida soddaroq molekulalar yoki tarkibiy atomlarga parchalanadi. Masalan, suv kislorod va vodorodga parchalanadi. Bu hodisa radioliz deb ataladi. Bunday materiallarning radiatsiyaga chidamsizligi yuqori haroratlarda kamroq seziladi. Atomlarning harakatchanligi juda ortib, kristall panjaradan urib chiqarilgan atomlarning o‘z joyiga qaytishi yoki rekombinatsiya tufayli vodorod va kislorodning suv molekulasiga birikishi ehtimoli sezilarli darajada oshadi. Shu bois energetik qaynashsiz reaktorlarda (masalan, VVER) suv radiolizi uncha ahamiyatli emas. Kuchli tadqiqot reaktorlarida esa sezilarli miqdorda portlovchi vodorod-kislorod aralashmasi ajraladi. Atom stansiyalarida uni yoqib yo‘qotish uchun maxsus tizimlar mavjud.

Reaktor materiallari bir-biriga tegib turadi (yoqilg‘i elementi qobig‘i issiqlik tashuvchi va yadro yoqilg‘isi bilan, issiqlik ajratuvchi kassetalar esa issiqlik tashuvchi va sekinlatkich bilan va hokazo). Tabiiyki, tutashgan materiallar kimyoviy inert (o‘zaro mos) bo‘lishi kerak. Uran bilan issiq suvning kimyoviy reaksiyaga kirishishi nomuvofiqlikka misoldir.

Yadro yoqilg‘isining kuyishi va qayta ishlab chiqarilishi

Yadro reaktori ishlashi davomida yoqilg‘ida bo‘linish parchalari to‘planishi tufayli uning izotop va kimyoviy tarkibi o‘zgaradi, transuran elementlar, asosan, Pu izotoplari hosil bo‘ladi. Bo‘linish parchalarining reaktor reaktivligiga ta’siri zaharlanish (radioaktiv parchalar uchun) va shlaklanish (barqaror izotoplar uchun) deb ataladi.

Reaktor zaharlanishining asosiy sababi — 135Xe bo‘lib, u neytronlarni yutish kesimining eng katta qiymatiga (2,6⋅106 barn) ega. Yarim yemirilish davri 135Xe T1/2 = 9,2 soat; bo‘linishdagi hosil bo‘lish ulushi 6—7 %. 135Xe ning asosiy qismi 135I ning yemirilishidan hosil bo‘ladi ( (T1/2 = 6,8 soat). Zaharlanishda Ksamar 1—3 % ga o‘zgaradi. 135Xe ning katta yutilish kesimi va oraliq 135I izotopi mavjudligi ikkita muhim hodisani yuzaga keltiradi:

  1. 135Xe konsentratsiyasi ortadi va natijada reaktor to‘xtatilgach yoki quvvati pasaytirilgach uning reaktivligi kamayadi («yod chuquri»). Bu qisqa muddatli to‘xtash va chiqish quvvati tebranishlariga yo‘l qo‘ymaydi. Ushbu ta’sir boshqaruv organlarida reaktivlik zaxirasini yaratish orqali bartaraf etiladi. Yod chuqurining chuqurligi va davomiyligi neytron oqimi F ga bog‘liq: F = 5⋅1018 neytron/(sm²·soniya) bo‘lganda yod chuquri ˜ 30 soat davom etadi, chuqurligi esa 2 baravar kattaroq: Ksamar ning 135Xe bilan zaharlanishdan kelib chiqqan statsionar o‘zgarishiga nisbatan.
  2. Zaharlanish oqibatida neytron oqimi F, demak, reaktor quvvatining fazoviy-vaqt bo‘yicha tebranishlari yuzaga kelishi mumkin. Bunday tebranishlar F > 1018 neytron/(sm²·soniya) bo‘lganda va reaktor katta o‘lchamli bo‘lganda yuzaga keladi. Tebranish davrlari ˜ 10 soat.

Yadrolar bo‘linganda yutilish kesimi bo‘linuvchi izotopning yutilish kesimidan farq qiladigan ko‘plab barqaror parchalar paydo bo‘ladi. Yutilish kesimi katta bo‘lgan parchalarning konsentratsiyasi reaktor ishlashining dastlabki bir necha sutkasida to‘yinish darajasiga yetadi. Asosan, bu 149Sm bo‘lib, u K nisamar 1 % ga o‘zgartiradi). Yutilish kesimi kichik bo‘lgan parchalarning konsentratsiyasi va ular keltirib chiqaradigan manfiy reaktivlik vaqt o‘tishi bilan chiziqli oshadi.

Yadro reaktorida transuran elementlar quyidagi sxemalar bo‘yicha hosil bo‘ladi:

  1. 235U + n → 236U + n → 237U →(7 sutka)→ 237Np + n → 238Np →(2,1 sutka)→ 238Pu
  2. 238U + n → 239U →(23 daqiqa)→ 239Np →(2,3 sutka)→ 239Pu (+parchalar) + n → 240Pu + n → 241Pu (+parchalar) + n → 242Pu + n → 243Pu →(5 soat)→ 243Am + n → 244Am →(26 daqiqa)→ 244Cm

Strelkalar orasidagi vaqt yarim yemirilish davrini, «+n» esa neytron yutilishini bildiradi.

Reaktor ishlashining boshida 239Pu chiziqli ravishda to‘planadi, bunda (235U ning kuyish darajasi bir xil bo‘lganda) uran qanchalik kam boyitilgan bo‘lsa, to‘planish shunchalik tez bo‘ladi. Keyinchalik 239Pu konsentratsiyasi uranning boyitilish darajasiga bog‘liq bo‘lmagan, balki 238U va 239Pu ning neytronlarni tutib qolish kesimlari nisbatiga bog‘liq doimiy qiymatga yaqinlashadi. 239Pu ning muvozanat konsentratsiyasiga yetishishning xarakterli vaqti ~ 3/F yil (F 1013 neytron/sm²×soniya birliklarida). 240Pu va 241Pu izotoplari muvozanat konsentratsiyasiga faqat yadro yoqilg‘isi qayta ishlangandan keyin uni reaktorda takror kuydirish orqali yetadi.

Yadro yoqilg‘isining kuyish darajasi reaktorda 1 tonna yoqilg‘iga hisoblangan jami ajralgan energiya bilan tavsiflanadi. Bu kattalik quyidagicha:

  • ˜ 10 GVt·sutka/t — og‘ir suvli reaktorlar;
  • ˜ 20–30 GVt·sutka/t — kam boyitilgan uranli (2—3 % 235U) reaktorlar;
  • 100 GVt·sutka/t gacha — tez neytronli reaktorlar.

1 GVt·sutka/t kuyish 0,1 % yadro yoqilg‘isining sarflanishiga mos keladi.

Yoqilg‘i kuygan sari reaktorning reaktivligi kamayadi. Kuygan yoqilg‘i faol zonaning hammasidan bir vaqtda almashtiriladi yoki asta-sekin almashtirilib, turli «yoshdagi» yoqilg‘i elementlari ishlashda qoldiriladi.

Yoqilg‘i to‘liq almashtirilganda reaktorda ortiqcha reaktivlik yuzaga keladi va uni kompensatsiyalash kerak bo‘ladi. Ikkinchi holatda esa kompensatsiya faqat reaktorning birinchi ishga tushirilishida talab qilinadi. Yoqilg‘ini uzluksiz qayta yuklash kuyish chuqurligini oshirish imkonini beradi, chunki reaktor reaktivligi bo‘linuvchi izotoplarning o‘rtacha konsentratsiyalari bilan belgilanadi.

Yuklangan yoqilg‘ining massasi ajralib chiqqan energiyaning «og‘irligi» hisobiga chiqarib olingan yoqilg‘i massasidan katta bo‘ladi. Reaktor to‘xtatilgandan keyin ham yoqilg‘ida energiya ajralishi davom etadi: dastlab, asosan, kechikkan neytronlar ta’siridagi bo‘linish hisobiga, keyin esa 1–2 daqiqadan so‘ng bo‘linish parchalari va transuran elementlarning β- va γ-nurlanishi hisobiga. Agar reaktor to‘xtatilishidan oldin yetarlicha uzoq ishlagan bo‘lsa, to‘xtaganidan 2 daqiqa o‘tib energiya ajralishi dastlabki quvvatning taxminan 3 %, 1 soatdan keyin 1 %, bir sutkadan keyin 0,4 % va bir yildan keyin 0,05 % ini tashkil etadi.

Reaktorda hosil bo‘lgan bo‘linuvchi Pu izotoplari miqdorining kuygan 235U miqdoriga nisbati konversiya koeffitsiyenti KK deb ataladi. KK boyitish va kuyish darajasi kamayganda ortadi. Tabiiy uranda ishlovchi og‘ir suvli reaktor uchun 10 GVt·sutka/t kuyishda KK = 0,55, kichik kuyish darajalarida esa (bu holatda KK dastlabki plutoniy koeffitsiyenti deb ataladi) KK = 0,8. Agar yadro reaktori bir xil izotoplarni ham sarflasa, ham ishlab chiqarsa (ko‘paytiruvchi reaktor), qayta ishlab chiqarish tezligining kuyish tezligiga nisbati takror ishlab chiqarish koeffitsiyenti KV deyiladi. Issiqlik neytronli yadro reaktorlarida KV < 1, tez neytronli reaktorlarda esa KV 1,4–1,5 ga yetishi mumkin. Tez neytronli reaktorlarda KV ortishining asosiy sababi, ayniqsa, 239Pu uchun tez neytronlarda g ortishi, a esa kamayishidir.

Yadro reaktorini boshqarish

Ilgari yadro reaktorini boshqarish faqat neytronlarning bir qismi bo‘linish parchalaridan kechikib chiqishi tufayli mumkin deb hisoblangan. Bu kechikish bir necha millisoniyadan bir necha daqiqagacha davom etishi mumkin. Chernobil avariyasidan so‘ng xavfsizlik talablari qayta ko‘rib chiqildi va yadro reaktorlari bo‘linish jarayoni istalgan paytda reaktivlikka ta’sir etuvchi parametrlarning kichik o‘zgarishlariga nisbatan barqaror muvozanatda bo‘ladigan qilib loyihalanadigan bo‘ldi. Shunday qilib, yadro reaksiyasi tezligining tasodifiy o‘zgarishi so‘nadi, boshqaruv sterjenlarini siljitish yoki boshqa parametrlarni sekin o‘zgartirish esa reaktor quvvatining kvazistatsionar o‘zgarishiga olib keladi.

Reaktorni boshqarish uchun faol zonaga kiritiladigan yutuvchi sterjenlar qo‘llaniladi. Ular neytronlarni kuchli yutadigan materiallardan (asosan, B, Cd va ayrim boshqalardan) tayyorlanadi va/yoki borat kislotasi eritmasi ma’lum konsentratsiyada issiqlik tashuvchiga ( qo‘shiladi (bor bilan boshqarish). Sterjenlarning harakati operator yoki neytron oqimini avtomatik rostlash apparaturasi signallari asosida ishlaydigan maxsus mexanizmlar — yuritmalar bilan boshqariladi.

Turli avariya holatlari uchun har bir reaktorda zanjir reaksiyasini zudlik bilan to‘xtatish ko‘zda tutiladi. Buning uchun barcha yutuvchi sterjenlar faol zonaga tushiriladi — bu avariyaviy himoya tizimidir. Faol zona yemirilgan og‘ir avariyada sterjenlarni tushirish imkonsiz bo‘lib qolishi mumkin. Shu bois zamonaviy VVER reaktorlarida «Faol zonani avariyada sovitish tizimi» (FZAST) mavjud: reaktor yuqorisida joylashgan, tarkibida borat kislotasining suvli eritmasi bo‘lgan maxsus baklar. Og‘ir avariya yuz berganda bu baklardagi suyuqlik o‘z oqimi bilan reaktorning faol zonasiga tushadi va neytronlarni yaxshi yutadigan borli moddaning katta miqdori hisobiga yadro zanjir reaksiyasi so‘nadi.

Qoldiq issiqlik ajralishi

Bevosita yadro xavfsizligi bilan bog‘liq muhim muammolardan biri — qoldiq issiqlik ajralishidir. Bu yadro yoqilg‘isining o‘ziga xos xususiyati bo‘lib, bo‘linish zanjir reaksiyasi to‘xtatilgandan hamda har qanday energiya manbayiga xos odatdagi issiqlik inersiyasidan keyin ham reaktorda uzoq vaqt issiqlik ajralishi davom etadi. Bu texnik jihatdan murakkab qator muammolarni keltirib chiqaradi.

Qoldiq issiqlik ajralishi β- va γ- yemirilishiga uchraydigan bo‘linish mahsulotlari tufayli yuzaga keladi. Bu mahsulotlar reaktor ishlagan vaqt davomida yoqilg‘ida to‘planadi. Bo‘linish mahsulotlarining yadrolari yemirilish tufayli ancha barqaror yoki butunlay barqaror holatga o‘tib, sezilarli energiya chiqaradi.

Qoldiq issiqlik ajralishi quvvati tez kamayib, barqaror ish rejimidagi qiymatlardan ancha kichik bo‘lib qolsa-da, kuchli energetik reaktorlarda uning mutlaq qiymati katta bo‘lib qoladi. Shuning uchun qoldiq issiqlik ajralishi reaktor to‘xtatilgandan keyin ham uzoq vaqt faol zonadan issiqlikni olib ketishni ta’minlashni talab qiladi. Buning uchun reaktor qurilmasi tuzilishida ishonchli elektr ta’minotiga ega sovitish tizimlari bo‘lishini, shuningdek, uzoq muddat (3—4 yil) ishlatib bo‘lingan yadro yoqilg‘isini maxsus harorat rejimiga ega omborlarda — odatda reaktor yaqinida joylashgan saqlash hovuzlarida saqlashni talab qiladi.

Adabiyotlar

Havolalar