Саморегулирование ядерных реакторов

Для обеспечения устойчивости и безопасности необходимо, чтобы в области рабочих температур ТКР<0. В этом случае р имеет отрицательную обратную связь по температуре и реактор является саморегулируемым.

Следует подчеркнуть, что с точки зрения устойчивости важны знак и значение, именно ТКР, а не ТЭР, который не оказывает ни­какого влияния на устойчивость.

Известно, что все эффекты, кроме доплеровского, являются следствием инерциальных процессов, связанных с изменением тем­пературы замедлителя. Только Доплер-эффект обусловлен измене­нием Т_Т, которая практически безынерционно следует за мощ­ностью реактора. Так как а_Т всегда <0, то она и определяет управ­ляемость реактора даже при небольшом общем положительном ТКР. Тем не менее лучше иметь а_Т<0. Наличие +ТКР в области не­рабочих температур не создает принципиальных трудностей, так как область температур приходится на разогрев реактора с компенсацией вы­свобождающейся р органами регулирования.

Для подавления возмущений по р с минимальным отклонени­ем параметров желателен большой по абсолютной величине — ТКР. В то же время большой - ТКР не всегда приемлем, т.к. он может привести к резкому увеличению р и N при внесении возмущений по температуре или расходу теплоносителя. Следовательно, эта ти­пичная оптимизационная задача.

Особое значение ТКР для ВВЭР приобретает при использова­нии жидкостного борного регулирования. С увеличением концен­трации борной кислоты в воде ТКР сдвигается в область положи­тельных значений.

В ВВЭР с ростом паросодержания увеличивается утечка ней­тронов. Для редких решеток ТКР может быть положительным из-за влияния параметра q. В тесных решетках наибольшее влияние р на оказывает #>, которая дает отрицательный вклад при увеличении па­росодержания.

При работе на мощности N ниже номинальной в случае a_T<0 высвобождается

которая может быть использована для получения дополнительного энергозапаса.

Зависимость р от температуры в каждом случае имеет свои особенности.

Для ВВЭР кипящего типа определяющим является паровой эффект реактивности р„, имеющий отрицательный коэффициент -изменение р, обусловленное изменением средней плотности теплоносителя на различных уровнях мощности. т_п - массовая доля пара в пароводяной смеси. Рост парообразования уменьшает количество замедлителя в активной зоне снижая р и на­оборот.

В ЯР с графитовым замедлителем и Н₂О теплоносителем (РБМК) а_п может быть положительным, т.к. изменение доли пара не влияет на замедление оп¹^, определяющая спектр нейтронов остается постоянной), а поглощение нейтронов в воде уменьшается.

В ЯР с воздушным охлаждением эффект, вызванный тепловым расширением теплоносителя, имеет порядок +2-10-⁵ 1/°С. Но здесь необходимо учитывать барометрический эффект (изменение р при изменении р Для воздуха барометрический коэффициент имеет -(10^-2 – 10^-1) 1/МПа.

Барометрический эффект для ВВЭР слаб.

В БР с Nа теплоносителем а_T на порядок меньше а_T = -3-10-⁵1/°С. Мощностной коэффициент а_т= - 4,5-10-⁵ 1/MВт = 2-10-⁶ 1/%N_НОМ. (Для ВВЭР- -(1.5-1,8)-10³ 1/МВт.)

Важное значение имеет натриевый пустотный эффект. Причи­ной такого удаления может быть вскипание Nа. При этом происхо­дит изменение спектра, s_а и утечки нейтронов. Суммарный эффект зависит от типа топлива и размеров ЯР. В небольшом ЯР эффект отрицателен, в больших ЯР - положителен.

Как изменяется N в режиме саморегулирования при отрица­тельном а_T в случае:

а) уменьшения G

(Увеличение Т активной зоны, что уменьшит р. При этом N_P а_T падает до значения, при котором установится соответствие между количест­вом выделяющегося тепла и новым G.);

б) понижения T_H2O II контура на входе в парогенератор

(Увеличивается отвод тепла от теплоносителя I контура, охлажде­ние активной зоны и рост р, N,,T_H2O

а р уменьшается, стабили­зируя N на новом уровне.);

в) падение давления пара после парогенератора

(Снижается температура кипения, что приводит к более интенсив­ной теплоотдаче от первого контура, снижается температура актив­ной зоны, рост р и N до нового значения, обеспечивающего необхо­димое давление пара.)

Особенности быстрых реакторов.

Загрузка топлива в БР близка к критической из-за малого из­менения реактивности, вызванных выгоранием топлива (1-3%) и малого полного ТЭР (1-3%). Такое положение возможно благодаря

1) малому эффекту шлакования;

2) малому эффекту отравления;

3) тому, что накопление ²⁴⁰Рu не вызывает падения реак­тивности.

Вследствие высокого значения коэффициента воспроизводст­ва в активной зоне выгорание делящихся ядер компенсируется на­коплением новых. Поэтому выгорание топлива приводит к малому изменению р.

Таким образом, в БР нет необходимости иметь большой запас реактивности в начале кампании.

ТЭР в БР определяется, в основном, эффектом Доплера, плотностными эффектами теплоносителя и топлива, а также темпера­турной деформацией топлива и элементов конструкции.

Таблица Составляющие температурного коэффициента реактивности БР, 10^{-6 0}С^-1

Эффект	БН-600
Эффект Доплера	-6,0 (1500 К)
Расширение натрия	+ 1,4
Расширение топлива продольное радиальное (с учетом вытеснения №)	-1,5 +1,6
Расширение элементов конструкции	-8,8
Экран Изменение плотности стали и натрия Расширение воспроизводящего материала	-2,1 -0,1

a_Т БР отрицателен и составляет примерно 10^{-5 0}С^-1

Самый важный эффект Доплера, так как он вносит основной вклад в динамический мощностной эффект р. Доплеровское уширение наиболее существенно для не перекрывающихся, разрешенных резонансов, расположенных в области малых энер­гий. Однако нейтронов с такими энергиями в БР почти нет. При больших значениях энергии сечения не зависят от температуры. Поэтому основную роль обычно играет область слабоперекрещи­вающихся резонансов (0,1-10 кэВ). Значение доплеровского ТКР практически полностью определяется спектром нейтронов в реак­торе. А так как спектр чувствителен к составу БР, поэтому ко­эффициент зависит от вида и объемных долей топлива, теплоносителя и конструкционного материала, а также от соотношения кон­центраций делящегося и воспроизводящего материалов.

ПЭР по теплоносителю практически во всех энергетических БР положителен.

Уменьшение плотности Nа:

1) увеличивается утечка нейтронов (-r);

2) уменьшается ;

3) происходит ужесточение спектра нейтронов, при этом уве­личивается Vэфф и роль деления ²³⁸U, уменьшаются сг_с (все +/?), но также уменьшается (^(отрицательный эффект). В отличие от других ЯР важную роль играют температурное расширение топлива и конструкционных материалов. Эффекты многочисленны и сложны.

Здесь есть и увеличение размеров активной зоны (продольное и радиальное), вытеснение Nа расширяющимися ТВЭлами и изгиб ТВЭлов.