1.3 Лекция презентация

1.

Военный институт (военно-морской политехнический)
ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия»
Дисциплина: «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности»
Лекция 1.3
Тема: «Физические процессы, протекающие в ядерном реакторе»
Старший преподаватель кафедры ЯЭУ, КБН, капитан 2 ранга Макаров Александр Владимирович
Военный институт (военно-морской политехнический) ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия»

2.

Цели занятия
I.
Учебная цель: Изучить общие положения обеспечения ядерной безопасности.
Изучить корабельную ядерную энергетическую установку.
II.
Воспитательная цель: формировать и развивать у курсантов необходимые
личностные качества, стремление к совершенствованию личной подготовки.
2

3. Вопрос 1. Основные процессы, протекающие в ядерном реакторе. Вопрос 2. Виды ионизирующих излучений на кораблях с ЯЭУ. Вопрос 3.

Учебные вопросы
Вопрос 1. Основные процессы, протекающие в ядерном реакторе.
Вопрос 2. Виды ионизирующих излучений на кораблях с ЯЭУ.
Вопрос 3. Водно-химический режим.
3

4.

Литература
4
Основная:
1. Саматов А.А., Калгушкин И.Ю., Макаров А.В. Эксплуатация ядерных энергетических
установок. СПб.: ВМПИ ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия», 2023 г. –
Электронное учебное издание.
2. Костына М.В., Горшков А.А. Корабельные ядерные паропроизводящие установки.
СПб: ВМПИ. 2024. Электронное учебное пособие.
3. Макаров А.В., Саматов А.А., Фадеева Ю.О., Корабельные реакторные установки.
СПб.: ВМПИ ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия», 2024 г. – Электронное
учебное издание.
Дополнительная:
1. Щербина Н.Я. Основы профессии. Учебное пособие. – СПб.: ВМИИ, 2008 г.
2. Зимин В.А. Корабельные энергетические установки. Учебное пособие. – СПб.:
ВМИИ, 2010 г.

5.

Нормативно-правовые акты
1.
2.
3.
5
Федеральный закон №3 «О радиационной безопасности населения».
Наставление по обеспечению радиационной безопасности в ВС (НОРБ ВС-2003).
Наставление по обеспечению радиационной безопасности при эксплуатации
кораблей ВМФ (НОРБ-ВМФ-2004).
4. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/09).
5. Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности
(ОСПОРБ-99/10).
6. Корабельный устав ВМФ-2001. М.: Воениздат 2002 г.
7. Правила водоподготовки и химического контроля качества воды АЭУ пла с водоводяными реакторами. 1989 г.
8. Общие положения обеспечения ядерной и радиационной безопасности
корабельных ядерных энергетических установок (ОПБ-К-98/05).
9. Правила ядерной безопасности корабельных АЭУ (ПБЯ-В.08-88/05).
10. Руководство по обеспечению ядерной безопасности объектов ВМФ
(РБЯ ВМФ-2001). М.: Воениздат 2002 г.
11. Руководство по радиохимическому и аппаратурно-технологическому контролю
на кораблях с АЭУ (РТК-2004).

6.

Интернет-ресурсы (при свободном доступе)
6
www.mil.ru – МО РФ/библиотеки и архивы;
www.cnlib.ru – Центральная военно-морская библиотека;
www.nlr.ru – Российской Национальной библиотека (Публичная библиотека имени М.Е.
Салтыкова-Щедрина);
www.knigafund.ru – Базовая библиотека для Вузов и студентов;
www.biblioclub.ru – Электронная библиотека.

7.

Вопрос 1. Основные процессы, протекающие в ядерном реакторе
7
Цепная реакция деления
В ЯР протекают три типа процессов, изменяющих количество
нейтронов.
Первый тип – это скорость рождения нейтронов в ЯР (Р), т.е.
количество нейтронов, рождающихся каждую секунду.
Второй тип – поглощение нейтронов (П) – это количество нейтронов,
которые поглощаются за одну секунду в ЯР всеми имеющимися ядрами,
в том числе и делящимися.
Третий тип – утечка нейтронов (У), когда нейтроны вылетают за
пределы ЯР и безвозвратно теряются.

8.

Вопрос 1. Основные процессы, протекающие в ядерном реакторе
Соотношение скоростей этих процессов
нейтронов в ЯР и его временнóе поведение:
определяет
8
баланс
1) если Kэф > 1, ЯР называют надкритическим, в нем постоянно
увеличиваются количество нейтронов, а следовательно, и мощность. В
этом случае говорят, что ЯР разгоняется;
2) если Kэф < 1, ЯР называют подкритическим: количество
нейтронов, а следовательно, и количество делений уменьшается,
мощность снижается, и цепная реакция затухает;
3) критическое (т.е. стационарное) состояние ЯР характеризуется
значением если
Kэф = 1, когда скорость рождения нейтронов точно равна скорости
исчезновения нейтронов; мощность постоянна.

9.

Вопрос 1. Основные процессы, протекающие в ядерном реакторе
Механизм деления:
Схема деления согласно капельной модели ядра
9

10.

Вопрос 1. Основные процессы, протекающие в ядерном реакторе
235
U
Реакция деления ядра 92 тепловым нейтроном
10

11.

Вопрос 1. Основные процессы, протекающие в ядерном реакторе
11
Осколки и энергия деления
В зависимости от вида испускаемых возбуждённым ядром частиц известны
следующие основные виды радиоактивного распада:
– -распад, то есть распад, сопровождающийся испусканием возбуждёнными
ядрами -частиц (массой А = 4 а.е.м. с зарядом z = 2), по существу являющихся
лишёнными внешних электронов ядрами атомов гелия,
;
– -распад, то есть распад с испусканием быстрых электронов или позитронов. Эти
две частицы равной массы отличаются только знаками электрического заряда: электрон
имеет единичный отрицательный заряд, а позитрон – единичный положительный заряд;
общее их название – -частицы;
– -распад, то есть распад, сопровождающийся испусканием жёсткого
электромагнитного излучения с частотой выше частоты рентгеновского излучения,
называемого гамма-излучением;
– нейтронный распад, сопровождающийся испусканием возбуждённым ядром
нейтрона. Благодаря этому виду радиоактивного распада в ядерном реакторе
появляются так называемые запаздывающие нейтроны, имеющие большое значение
для управляемости реактора.

12.

Вопрос 1. Основные процессы, протекающие в ядерном реакторе
Выражение закона радиоактивного распада можно записать:
Экспоненциальный закон радиоактивного распада
12

13.

Вопрос 1. Основные процессы, протекающие в ядерном реакторе
13
Высвобождение энергии при делении.
Ядерная реакция деления – одно из наглядных подтверждений
гипотезы А.Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии, которая
применительно к делению ядра формулируется так:
Величина высвобождаемой при делении ядра энергии прямо
пропорциональна величине дефекта масс, причём коэффициентом
пропорциональности в этой взаимосвязи является квадрат скорости
света:
E = m · с2

14.

Вопрос 1. Основные процессы, протекающие в ядерном реакторе
14
Нейтронные ядерные реакции
Радиационный захват. Составное ядро захватывает и удерживает
попавший нейтрон, а избыток привнесённой им энергии сверх
ближайшего уровня устойчивости – «сбрасывает» с испускаемым
гамма-квантом излучения.

15.

Вопрос 1. Основные процессы, протекающие в ядерном реакторе
15
Нейтронные ядерные реакции
Рассеяние. При неспособности составного ядра удержать проникший
в него нейтрон природное стремление ядра к устойчивости может быть
реализовано путём «выталкивания», захваченного или любого другого
нейтрона, равноценного захваченному по квантовым свойствам.

16.

Вопрос 1. Основные процессы, протекающие в ядерном реакторе
16
Нейтронные ядерные реакции
Реакция деления. Третий способ выхода составного ядра в более
устойчивые образования – деление его на две, три (или даже более)
протонно-нейтронных комбинации, называемые осколками деления.
В отличие от реакций радиационного захвата и рассеяния, к делению
склонны далеко не все известные ядра, а лишь некоторые (главным
образом, чётно-нечётные) ядра тяжёлых элементов.
Вот некоторые из них: 233U, 235U, 239Pu, 241Pu, 251Cf, ...

17.

Вопрос 1. Основные процессы, протекающие в ядерном реакторе
17
Другие реакции с участием нейтронов
Реакция типа (n,p) – то есть нейтронная реакция с испусканием
протона. В результате образуется изобара исходного ядра, так как протон
уносит из ядра один положительный заряд, а масса ядра практически не
меняется: нейтрон привнесён, а равный ему по массе протон унесён.
Нейтрон-протонная реакция в работающем ЯР – редкость, поскольку
среди материалов активных зон компоненты, склонные к этой реакции,
практически отсутствуют.

18.

Вопрос 1. Основные процессы, протекающие в ядерном реакторе
18
Другие реакции с участием нейтронов
Реакция типа (n,a) – с испусканием a-частицы (или гелиона), т.е.
лишённого электронной оболочки атома гелия. В итоге масса
получаемого ядра снижается на 3 а.е.м. сравнительно с массой
исходного ядра, а заряд уменьшается на 2 единицы, уносимые из ядра
-частицей.

19.

Вопрос 1. Основные процессы, протекающие в ядерном реакторе
19
Другие реакции с участием нейтронов
Реакция типа (n,2n) – реакция удвоения нейтронов. Эта реакция
возникает лишь на некоторых чётно-чётных ядрах. Взамен поглощённого
нейтрона возбуждённое составное ядро оказывается способным
испустить из своего состава два нейтрона.

20.

Вопрос 1. Основные процессы, протекающие в ядерном реакторе
20
Другие реакции с участием нейтронов
Реакция типа ( ,n), чаще называемая фотонейтронной реакцией.
Строго говоря, она не относится к классу нейтронных реакций (поскольку
она вызывается не нейтроном, а g-квантом), но именно за счёт её,
главным образом, в остановленном ЯР создаётся так называемый
подкритический источник нейтронов, достаточно мощный для того, чтобы
при пуске ЯР обходиться без ввода в активную зону искусственных
источников нейтронов, необходимых для обеспечения безопасности при
физическом пуске.

21.

Вопрос 1. Основные процессы, протекающие в ядерном реакторе
Особенности реакции деления и их практическое значение
Схематическое представление о делении ядра 235U
21

22.

Вопрос 1. Основные процессы, протекающие в ядерном реакторе
22
Цепная ядерная реакция деления (ЦРД) – это непрерывная реакция деления
ядер тяжелых элементов нейтронами.
Необходимыми условиями для осуществления самоподдерживающейся цепной
реакции деления являются:
1. Критическая энергия должна быть меньше энергии возбуждения
(Екр < Евозб.), а сечение деления много больше сечения радиационного захвата
(σƒ >> σc);
2. Наличие необходимой (критической) массы делящегося изотопа в
соответствующем критическом объёме. Наименьшая масса ядерного топлива
определенного состава и формы, в которой возможно протекание
самоподдерживающейся цепной реакции деления называют критической массой.
3. Наличие «свободных» нейтронов. Достаточность этого условия зависит от
исхода конкуренции четырех процессов, имеющих место в размножающей среде:
деления ядерного топлива, радиационного захвата в ядерном топливе, захвата
нейтрона замедлителем и конструкционными материалами активной зоны, вылетом
нейтронов (утечкой) за пределы размножающей среды.

23.

Вопрос 1. Основные процессы, протекающие в ядерном реакторе
23
Делящиеся нуклиды – нуклиды, делящиеся тепловыми нейтронами,
на которых возможно осуществление самоподдерживающейся цепной
реакции деления. Примерами таких нуклидов являются 233U, 235U, 239Pu,
241Pu. Из всех тяжелых элементов, которые составляют делящуюся
основу ядерного топлива, в природе существует только 235U.
Ядерное топливо (топливная композиция) – химическое или иное
соединение, делящихся нуклидов с другими нуклидами и элементами.
Например, различают металлическое ядерное топливо (металлический
уран, UAl3, UZr2 и др.), керамическое ядерное топливо (UO2, UC2 и др.) и
дисперсионное ядерное топливо.

24.

Вопрос 1. Основные процессы, протекающие в ядерном реакторе
24
Определение значения K∞ при заданном составе и структуре размножающей среды
сводится к вычислению четырех сомножителей:
– число вторичных быстрых нейтронов, образующихся при поглощении в ядерном
топливе одного теплового нейтрона.
ε – отношение общего числа вторичных быстрых нейтронов, полученных при
делении ядерного топлива нейтронами всех энергий, к числу вторичных быстрых
нейтронов, полученных только от деления ядер тепловыми нейтронами.
– отношение числа нейтронов, избежавших резонансного захвата во время
замедления и достигших уровня тепловой энергии, к числу нейтронов этого же
поколения, начавших процесс замедления.
– отношение числа тепловых нейтронов, поглощенных ядерным топливом, к числу
тепловых нейтронов, поглощенных всеми материалами активной зоны, включая ядерное
топливо.

25.

Вопрос 2. Виды ИИ на кораблях с ЯЭУ
25
Ионизирующее излучение – это поток заряженных или нейтральных частиц и
квантов электромагнитного излучения, прохождение которых через вещество приводит к
ионизации и возбуждению электрически нейтральных атомов и молекул среды. Таким
образом, это излучение, взаимодействие которого со средой, приводит к образованию
ионов разных знаков.
По своей природе ионизирующее излучение делится на фотонное
(электромагнитное) и корпускулярное.
γ - излучение
Рентгеновское излучение
Магнитотормозное излучение

26.

Вопрос 2. Виды ИИ на кораблях с ЯЭУ
26
Радиоактивные вещества в работающем реакторе можно разбить на следующие
основные группы:
– ядерное топливо, в том числе и вторичное ядерное топливо;
– бета- и гамма-активные продукты деления, составляющие основную массу
радиоактивных веществ в реакторе и имеющие в своем составе различные по своим
физическим и химическим свойствам элементы: твердые вещества (изотопы стронция,
бария, циркония и др.), радиоактивные инертные газы (ксенон, криптон и т.д.), галогены (йод,
бром и др.);
– вещества с наведенной бета и гамма активностью, содержащиеся в теплоносителе,
воде третьего контура, в конструкционных материалах, биологической защите и в воздухе.
Наиболее легко в атмосферу проникают радиоактивные инертные газы, так как они не
образуют стойких химических соединений. При попадании в воздух твердых или жидких
веществ в воздухе образуются радиоактивные аэрозоли.
На корабле с ЯЭУ основными источниками ионизирующих излучений и радиоактивных
веществ являются: активная зона, конструкционные материалы и элементы ядерного
реактора, теплоноситель и оборудование первого контура, материалы биологической защиты
и другие элементы ЯППУ, в то числе и второй контур может быть источником излучений.

27.

Вопрос 2. Виды ИИ на кораблях с ЯЭУ
Механизм действия ионизирующих излучений на организм человека
Так как организм взрослого человека на 75% состоит из воды, то упрощенная схема
процесса, связанного с образованием радикалов и окислителей при взаимодействии
ионизирующих излучений с молекулами воды, может быть представлена следующим образом.
Под действием излучения от молекулы воды отрывается электрон и образуется
положительный ион воды: H 2O H 2 O e . Нейтральная молекула воды захватывает этот
электрон и образуется отрицательный ион воды: H 2O e H 2O . Ионы воды неустойчивы и
самопроизвольно распадаются с образованием радикалов H и OН :
H 2O ОН H и H 2O H ОН .
Свободные радикалы перемещаются в жидкой среде и распространяются по всему
организму, при этом часть свободных радикалов рекомбинируют друг с другом:
H H H 2 , OH OH H 2O2 , H OH H 2O .
Кроме того, при наличии свободного кислорода в тканях организма образуется радикал
HO 2 по реакции:
H O2 HO 2 .
27

28.

Вопрос 2. Виды ИИ на кораблях с ЯЭУ
28
Основные требования к материалам защиты от ионизирующих излучений
За пределы активной зоны проникают нейтроны и γ-кванты, так как они обладают
большой проникающей способностью, поэтому говоря об основных требованиях,
предъявляемых к материалу биологической защиты, необходимо назвать следующие:
– он должен быть хорошим замедлителем нейтронов;
– он должен иметь большое сечение поглощения тепловых нейтронов и процесс
поглощения не должен сопровождаться образованием жесткого γ-излучения;
– он должен быть хорошим поглотителем γ-излучения.
γ-излучение наиболее эффективно ослабляется элементами с большим порядковым
номером по Периодической таблице Д.И. Менделеева, так в порядке возрастания
ослабляющей эффективности материалов следуют: бетон, железо, вольфрам, свинец, уран.
Быстрые нейтроны эффективно замедляются как тяжелыми материалами (железо), так и
легкими (водородосо-держащие материалы). Замедление нейтронов сопровождается
переходом быстрых нейтронов в промежуточные. Промежуточные нейтроны хорошо
замедляются до уровня тепловых на ядрах легких материалов. Захват тепловых нейтронов
ядрами материалов защиты сопровождается образованием γ-квантов (захватное
γ-излучение). Лучшими материалами при этом являются вода и полиэтилен, имеющие в
своем составе атомы водорода.

29.

Вопрос 2. Виды ИИ на кораблях с ЯЭУ
29
Материалы, применяемые в биологической защите ЯР
Вода используется не только как замедлитель нейтронов, но и как защитный материал
от нейтронного излучения вследствие высокой плотности атомов водорода (6,7·1022
ядер/см3).
Полиэтилен – термопластичный полимер (СН2)n, лучше замедляет нейтроны, чем вода.
Он хорошо обрабатывается и может быть изготовлен в виде листов, полос, лент, прутков и
зёрен.
Графит обладает несколько худшими ослабляющими свойствами нейтронного
излучения по сравнению с водой и полиэтиленом.
Бораль представляет собой сплав алюминия 65% и карбида бора 35%.
Гидриды металлов содержат большое количество ядер водорода и элементов со
средними и большими атомными весами и имеют сравнительно высокую плотность,
вследствие чего они являются довольно эффективной защитой как от нейтронов, так и от
γ-излучения. В единице объёма в ряде случаев ядер водорода, больше чем в воде, так,
например, гидрид титана TiH2 – 9,3·1022 ядер/см3, гидрид циркония ZrH2 – 7,6·1022 ядер/см3.
Свинец является лучшим защитным материалом от γ-излучения.
Сталь удобна в конструкционном отношении и более эффективна, чем свинец, при
защите от быстрых нейтронов, однако сталь уступает свинцу в ослаблении потоков
γ-излучения.
Бетон – недорогой и прочный конструкционный материал, представляющий собой
смесь элементов с малым и средним атомным весом.

30.

Вопрос 2. Виды ИИ на кораблях с ЯЭУ
30
Биологическая защита предназначена для ослабления потока нейтронов и γизлучения из ядерного реактора и радиоактивного оборудования до допустимых
уровней.
По типу биологическая защита может быть классифицирована как:
– сплошная – полностью окружающая источник излучения;
– раздельная – которая состоит из первичной, окружающей источник излучения и
вторичной, предназначенной для защиты от источников излучения, находящихся между
ней и первичной защитой;
– теневая – размещается между источником излучения и защищаемой областью,
размеры которой определяются «тенью», отбрасываемой защитой;
– частичная – ослабленная защита в направлениях с повышенными допустимыми
уровнями облучения (для областей ограниченного доступа личного состава).

31.

Вопрос 2. Виды ИИ на кораблях с ЯЭУ
31
Бак свинцово-водной защиты.
Принципиальная схема биологической защиты ЯР
1 – кессоны корпусов; 2 – первый пояс свинца; 3 – второй пояс свинца; 4 – блоки сухой
биологической защиты; 5 – вода третьего контура; 6 – элементы конструкции бака СВЗ

32.

Вопрос 2. Виды ИИ на кораблях с ЯЭУ
Цистерна биологической защиты.
32

33.

Вопрос 2. Виды ИИ на кораблях с ЯЭУ
33
Барьеры радиационной безопасности в сторону борта корабля: топливная
композиция → оболочка твэла → вода первого контура → оболочка ТВС → вода
межканального пространства → боковые экраны → корпус ядерного реактора →
оборудование ЯППУ + бак свинцововодной защиты → переборки аппаратных выгородок
→ переборки реакторного отсека → прочный корпус пла → цистерна биологической
защиты → легкий корпус пла.
Барьеры радиационной безопасности вниз: топливная композиция → оболочка
твэла → оболочка ТВС → нижняя плита выемной экранной сборки → донные экраны
→ днище ядерного реактора → бак свинцововодной защиты → прочный корпус пла →
цистерна биологической защиты → легкий корпус пла.
Барьеры радиационной безопасности вверх: топливная композиция → оболочка
твэла → подвеска ТВС → плиты компенсирующих групп → плиты выемной экранной
сборки → силовая плита крышки ядерного реактора → защитная засыпка обечайки
крышки реактора → верхний лист крышки реактора → привода СУЗ → прочный корпус
пла → легкий корпус пла.

34.

Вопрос 3. Водно-химический режим
34
Особенности водного режима первого контура
В общем виде процесс коррозии конструкционных материалов первого контура
развивается двумя путями:
1. Создание плотной пассивирующей пленки на поверхности трубопроводов
первого контура из нержавеющей стали, что связано с окислением железа и хрома в
условиях высоких температур и давлений первого контура при очень низких
концентрациях кислорода (менее 0,02 мг/л) или его отсутствии по схеме:
3Fe+4H2O (Т↑) Fe3O4 (плотный слой)+4Н2↑ (выделяется в воду)
Пассивирующая пленка закиси железа (Fe3O4) замедляет дальнейший процесс
общей коррозии.
2. Образование продуктов коррозии при взаимодействии железа с растворенным в
воде кислородом по схеме:
4Fe+3O2 2Fe2O3
Данный окисел (окись железа) разрыхляет плотный пассивирующий слой Fe3O4,
способствует усилению коррозионных процессов, переходит в воду в виде примесей,
ухудшая ее качество, осаждается на теплопередающих поверхностях контура,
повышает наведенную активность теплоносителя. В составе циркулирующих продуктов
коррозии окислы железа составляют 60-80%.

35.

Вопрос 3. Водно-химический режим
Особенности водного режима первого контура
Интенсивность коррозионных процессов во многом определяется кислотной или
щелочной водной средой, характеризуемой показателями рН, связанным с
соотношением в воде ионов Н+ и ОН‒. Обычная вода частично распадается на ионы
(диссоциация воды):
Н2О↔Н++ОН─
Концентрация ионов Н+ и ОН─ при нормальных условиях (Р=1 кгс/см2 и t=20 С)
одинакова и составляет: Сн=10‒7 гр.ионов/л, Сон=10‒7 гр.ионов/л. При этом условии
среда нейтральна.
При наличии кислорода в воде контура под воздействием нейтронного и гамма
излучения происходит образование азотной кислоты:
3О2+Н2+N2 2HNO3
Это приводит к снижению рН и увеличению процессов коррозии.
Для борьбы с кислородом, растворенном в воде, используется водород Н2:
О2+2Н2→2Н2О
Для получения Н2 в воде первого контура используется водный раствор аммиака
NH3 (H2O) или, что тоже самое – NH4OH.
В водном растворе аммиак частично диссоциирует:
NH4OH↔NH4++OH−
35

36.

Вопрос 3. Водно-химический режим
36
Особенности водного режима первого контура
Под влиянием радиоактивного излучения (n, γ) аммиак частично разлагается:
2NH3(n, γ)↔3H2+N2 (с выделением водорода и азота)
Чем выше мощность ЯР, тем сильнее разлагается аммиак и тем больше
выделяется водород Н2 (отношение NH3/H2 может достигать 7-8).
Выделение водорода происходит также при коррозионных процессах в воде
первого контура:
3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2
В обобщенном виде схема борьбы с кислородом, а следовательно и с коррозией
можно представить так:
2N2H4(H2О)→2NН3+N2+H2+2H2О

37.

Военный институт (военно-морской политехнический)
ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия»
Занятие окончено
Старший преподаватель кафедры ЯЭУ, КБН, капитан 2 ранга Макаров Александр Владимирович
Военный институт (военно-морской политехнический) ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия»