CAPITOLUL 3MATERIALE MODERATOARE

ŞI AGENŢI DE RĂCIRE

OBIECTIVE

La sfârşitul acestui capitol cursantul trebuie să poată să:

3.1. Precizeze rolul moderatorului.

3.2 Enumere proprietatile unui bun moderator.

3.3 Enumere mărimile specifice.

3.4 Explice de ce apa grea este un moderator mai bun decat apa usoara pentru reactoarele CANDU.

3.5 Enumere factorii care pot conduce la scaderea izotopicului apei grele.

3.6 Precizeze rolul agentului de racire.

3.7 Clasifice agentii de racire dupa modul in care fluidul de racire inmagazineaza energia termica.

1

Procesul de reducere a energiei neutronilor generaţi prin fisiune, de la o valoare medie de 2 MeV la valorile de (0,025 – 1) eV, corespunzătoare echilibrului termic cu mediul din reactor şi care favorizează fisiunea 235U în reactorii termici, este cunoscut sub denumirea de moderare a neutronilor, iar materialele dispuse în zona activă care produc acest efect sunt denumite materiale moderatoare.Procesul de moderare are loc prin ciocniri elastice repetate ale neutronilor cu nucleele atomilor materialelor moderatoare. La fiecare ciocnire, neutronul va transfera nucleului o parte din energia sa. Acestă parte este cu atât mai mare, cu cât masa nucleului ciocnit este mai mică, şi este maximă când nucleul moderator are aceeaşi masă ca şi neutronul, adică în cazul hidrogenului.

În consecinţă, un bun moderator trebuie să:- aibă o masă atomică A mică, - o secţiune eficace microscopică de împrăştiere σs mare,- o secţiune eficace microscopică de absorbţie σa mică pentru neutronii

rezultaţi din fisiune.

Caracterizarea capacităţii de moderare a diverselor materiale a impus introducerea unor mărimi specifice:1. Decrementul logaritmic mediu al energiei ξ, care descrie pierderea medie de energie a neutronului în urma ciocnirii lui cu un nucleu al moderatorului.2. Puterea de moderare, PM, descrie nu numai calităţile de disipare a energiei neutronilor rapizi, ale unui material, dar ţine cont şi de secţiunea eficace de împrăştiere a nucleelor acestuia.3. Raportul de moderare, RM, completează informaţia dată de puterea de moderare, ţinând seama şi de secţiunea eficace de absorbţie a moderatorului.4. Densitatea de moderare, DM, reprezintă numărul de neutroni ce au o anumită valoare E, a energiei, pe unitatea de volum, în timp de o secundă.

Tabelul 3.1 prezintă unii parametrii caracteristici ai principalelor materiale moderatoare.

Tabelul 3.1.Caracteristicile unor moderatori

Moderatorul ξ PM RMApa 0,95 1,28 58

Apa grea 0,51 0,18 21000Grafitul 0,1589 0.065 200Beriliul 0,2078 0,16 130

2

După cum se observă apa grea are cel mai bun raport de moderare, in schimb apa uşoară, având cea mai mare putere de moderare, asigură o dimensiune mai redusă reactoarelor care o utilizează ca moderator.În alegerea unui moderator, pe lângă criteriile nucleare esnţiale, menţionate mai sus, se urmăreşte şi asigurarea altor caracteristici ale materialului, cum sunt: o bună stabilitate termică şi la iradiere, compatibilitatea chimică cu materialele structurale şi cu agenţii de răcire, o conductibilitate termică ridicată, tehnologii de producţie accesibile, la un preţ de cost cât mai redus.La reactorii termici, materialele moderatoare care au secţiune eficace de împrăştiere mare pot servi şi ca reflector de neutroni. Atât apa uşoară cât şi apa grea îndeplinesc această condiţie.

Apa grea

Caracteristicile apei grele ca moderator sunt evidenţiate în tabelul 3.1. Raportul de moderare mare permite ca reactorii nucleari ce folosesc acest moderator să utilizeze drept combustibil uraniul natural sub formă de UO2.

Proprietăţi şi efecte ale iradierii

În tabelul 3.2 se prezintă comparativ unele proprietăţi fizice ale D2O şi H2O.

Tabelul 3.2.Proprietăţi fizice ale D2O şi H2O

Proprietatea U.M. D2O H2OMasa moleculară u. a. m. 20,03 18,016Densitate Kg/m3 1107 1000Punct de fierbere K 377,5 373,1Punct de îngheţ K 276,96 273,15Temperatură critică K 644,6 647,3Căldură de vaporizare

kJ/kg 2037,4 2232,9

Conductibilitate termică

W/(m·K) 1,96 2,12

Vâscozitate kg/(m·s) 1,25 10-3 1,06 10-3

Indice de refracţie - 1,3283 1,3326

Una din problemele specifice utizării apei grele o constituie poluarea izotopică. Principala sursă o constituie umiditatea atmosferică. Ca atare, în reactor, deasupra apei grele se introduce un gaz inert uscat, la o uşoară suprapresiune. De asemenea, introducerea apei grele pe trasee tehnologice se

3

face după o atentă uscare a acestora. Instalaţiile de purificare cu răşini schimbătoare de ioni pot fi folosite numai după o prealabilă deuterare. Ca urmare a scăpărilor apei uşoare în apa grea, datorită unor schimbătoare de căldură corodate, la reactorul nuclear se urmăreşte continuu, cu o aparatură adecvată, concentraţia izotopică a moderatorului.Radioliza apei grele decurge în acelaşi mod ca cea a apei obişnuite. Ca urmare a iradierii apei cu neutroni rapizi şi radiaţii gama, se constată apariţia unor molecule D2 şi D2O2.In cazul apei grele, se impune recuperarea deuteriului trecut în faza gazoasă şi reformarea D2O, prin recombinare catalitică. Ca şi în cazul apei obişnuite, viteza de radioliză poate fi micşorată prin purificarea iniţială a apei şi eliminarea produselor de coroziune.Un alt efect important al iradierii este formarea de produşi radioactivi. Spre deosebire de apa obişnuită, apa grea este expusă unei reacţii nucleare de formare a tritiului, nucleu β-radioactiv cu o energie a radiaţiilor de 0,018 MeV şi timp de înjumătăţire mare. Această reacţie duce la tritierea apei grele, provocând o radioactivitate ce ajunge la 40 Ci/dm3. O altă reacţie caracteristică este 2H(γ, n)1H, care duce la scăderea continuă a concentraţiei în deuteriu a apei grele prin formarea de hidrogen. Eliminarea hidrogenului intrat prin diferite căi în moderator se realizează în instalaţiile de reconcentrare a apei grele, bazate pe procedeul de distilare sub vid.

Agenţi de răcire

Energia termică, generată în elementele combustibile ca urmare a reacţiilor nucleare, este evacuată din zona activă a reactorului cu ajutorul unor fluide denumite agenţi de răcire. Căldura de la suprafaţa tecilor elementelor combustibile este transferată fluidelor de răcire, care o transportă spre (la) generatoarele de abur.

După forma în care fluidul de răcire înmagazinează energia termică la trecerea prin reactor distingem:- agenţi de răcire care îşi păstrează starea fizică, înmagazinând căldura prin creşterea energiei interne fără schimbare de fază;- agenţi de răcire care îşi modifică starea fizică, înmagazinând căldura sub formă de căldură de vaporizare;

În figura 3.1. se redă sistemul de răcire la un reactor de tip PHWR. Acesta este format din două bucle, (1) şi (2); fiecare buclă asigură răcirea a jumătate din ansamblul celor 380 de tuburi de presiune în care sunt introduse fasciculele de elemente combustibile. Agentul de răcire (apă grea sub presiune) din bucla (1) străbate zona activă în sensul indicat de săgeata (a) prin 95 de tuburi de presiune (3) şi, apoi, prin tuburile de legătură (4) ajunge

4

la colectorul (5) şi generatorul de abur (6). Apa grea este apoi aspirată prin pompă (7) şi împinsă în colectorul (8), de unde prin tuburile de legătură (9), străbate zona activă (în sensul săgeţii b) prin al doilea grup de 95 tuburi de presiune (10) ale buclei (1). Apoi, apa grea ajunge prin tuburile de legătură (11) în colectorul (12) şi generatorul de aburi (13). De aici ea este aspirată de pompa (14), care o introduce în colectorul (15); apoi prin tuburile de legătură (16) apa reintră în primul grup de tuburi de presiune. Funcţionarea buclei (2) este identică cu cea a buclei (1), descrisă mai sus. Temperatura agentului primar (apa grea) la intrarea în tuburile de presiune este de 2630C, iar presiunea de 11,32 MPa (a). La ieşire, temperatura apei grele este de 585 K (3120C), iar presiunea de 10,3 MPa. Generatorii (6) şi (13) produc abur la presiunea de 4,55 MPa şi temperatura de 531 K (2580C).

Pentru reactorii de putere cu neutroni termici (PWR şi PHWR) agentul de răcire este apa uşoară (presurizată sau în fierbere) şi, respectiv, apa grea (presurizată). În cazul reactorilor cu apă grea (PHWR) temperatura apei grele,

5

ca agent de răcire, este mai mică de 585 K (3120C) în timp ca apa grea cu rol de moderator este menţinută la circa 340 K (670C).

6