Физические особенности гетерогенного реактора

Практически все реакторы гетерогенные. В таких реакторах замедление нейтронов пространственно отделено от поглощения. Нейтроны теряют свою энергию в замедлителе, а поглощаются в топливе, что приводит к неравенству нейтронных потоков в различных компонентах активной зоны. Влияние распределе­ния потока нейтронов по ячейке на параметры размножения (так называемая физическая гетерогенность) зависит от энер­гии нейтронов. Реактор, физически гетерогенный для нейтронов одной области энергий (например, тепловой), может быть прак­тически гомогенным для нейтронов другой (например, для ней­тронов спектра деления).

Рассмотрение влияния гетерогенности на размножающие свойства среды (эффект гетерогенности) начнем с энергии быст­рых нейтронов, хотя, как уже упоминалось, именно в этой об­ласти энергий из-за малых сечений (больших характерных длин) оно не так уже и велико.

В тесных решетках ввиду малости размеров твэла (~0,7 - 0,9 см) и разделяющего твэла слоя теплоносителя (~0,2 - 0,4 см) по сравнению с длиной свободного пробега нейтронов деления в воде (~10 см при энергии Е~1 МэВ) поток надпороговых нейтронов практически не зависит от координат.

Пространственное распределение потоков нейтронов различных энер­гий
в твэле («0») и замедлителе («1»):

а — Быстрые нейтроны; б— резонансные нейтроны (Е_r —энергия резонанса; Е — энер­гия нейтронов, далекая от резонанса); в — тепловые нейтроны (Е_T— энергия тепловых нейтронов)

В связи с этим размножение на быстрых нейтронах не очень сильно отличается от размножения в гомогенной среде с та­ким же соотношением концентраций компонентов. Отметим, что если в гомогенной среде концентрация ядер топлива суще­ственно меньше концентрации ядер замедлителя, то размноже­ние нейтронов в области быстрых нейтронов близко к нулю. В разреженных решетках в отличие от тесных эффекты гетеро­генности в этой области энергий проявляются в большей сте­пени, поскольку длина пробега нейтрона до рассеяния в замед­лителе существенно меньше среднего пути.

Влияние гетерогенной структуры на распределение потока нейтронов в топливе и замедлителе особенно резко проявляется в области резонансных энергий нейтронов. Резонансный харак­тер сечения поглощения топлива приводит к тому, что для мно­гих сильных резонансов вблизи его максимума длина пробега до поглощения значительно меньше характерного размера топливного блока. Поэтому нейтроны резонансных энергий, по­павшие в блок, поглощаются в тонком поверхностном слое. Во внутренних слоях урана поток нейтронов этих энергий близок к нулю. Значительная экранировка ядер урана внутри твэла приводит к тому, что они не участвуют в поглоще­нии нейтронов. При этом увеличивается вероятность избежать резонансного по­глощения.

Поскольку нейтроны теряют свою энергию в замедлителе, а поглощаются в топливе, то они имеют большую по сравнению с гомогенной средой вероятность замедлиться через область резонансных энергий, не столкнувшись с ядрами топлива. Этот эффект также способствует увеличению φ в гетерогенных систе­мах. В области энергий тепловых нейтронов влияние гетероген­ной структуры на пространственное распределение потока ней­тронов также сушественно. Однако здесь картина несколько отлична от рассмотренной выше. Если при замедлении погло­щение нейтронов (1—φ) незначительно (10—20%) и большая их часть замедляется до тепловых энергий (в реакторах на теп­ловых нейтронах), то тепловые нейтроны поглощаются все, при­чем в основном (80—90 %) в топливе. Поэтому возникают градиенты потока, направленные в сторону блока. Превышение среднего потока в замедлителе Ф₁ над средним потоком в топливе Ф₀ приводит к уменьшению полезного погло­щения нейтронов, а значит, и к уменьшению коэффициента использования тепловых нейтронов по сравнению с коэффи­циентом для гомогенной среды, в которой соответствующее от­ношение потоков равно единице.

На следующем рисунке сплошной линией показано распределение Ф_тн в гетерогенной а.з. с учетом локального изменения этого потока в ячейке. Штриховой линией показано распределение Ф_тн в гомогенизированном реакторе.

Плотность потока тепловых нейтронов в гетерогенном реакторе.