Реактор на быстрых нейтронах. Физические особенности реактора

Изменение ρ, обусловленное изменением температуры всех компонентов активной зоны от значения T₁ (°C) в холодном (~20°С) ЯР до Т₂ (°С) в рабочем горячем состоянии на номинальной мощности называют температурным эффектом реактивности (ТЭР):

Характер ТЭР (абсолютное значение и знак) зависит от типа ЯР т. е. от спектра нейтронов, вида замедлителя, концентрации различных компонентов активной зоны и т. п. ТЭР является интегральной характеристикой и определяет влияние температуры на ρ_зап, т. е. на энергозапас ЯР.

Изменение ρ, соответствующее изменению температуры активной зоны на 1ºС, называется температурным коэффициентом реактивности (ТКР):

α_т = dρ _т /dT = dK_эф/K_эфdT 1/°C. (2.6.1)

ТКР - дифференциальная характеристика, определяет устойчивость работы ЯР в зависимости от абсолютного значения и знака ТЭР.

С эксплуатационной точки зрения ρ _т и α_т удобно разделить на две составляющие: медленно изменяющиеся во времени при изменении температуры и режима работы (изотермические ρ _t и α_t) и быстродействующие, отслеживающие изменение мощности ЯР (динамические, мощностью ρ _N и α_N): ρ _т = ρ _t + ρ _N; α_т = α_t + α_N.

Изотермический эффект, который собственно и называют температурным, обусловлен равномерным нагревом ЯР от постороннего источника или собственным теплом на малом (~1% N_ном) уровне мощности. Этот эффект определяется температурой компонентов, формирующих спектр нейтронов и влияющих на утечку их из активной зоны (теплоноситель, замедлитель, отражатель, корпус).

Для ВВР изотермический эффект ρ _t проявляется прежде всего как зависимость плотности замедлителя от температуры. В этом случае его называют плотностным. При повышении температуры воды (°С) ее плотность γ (г/см³) и, следовательно, концентрация ядер (ядер/см³) уменьшаются, ухудшается замедляющая способность K_зам, ужесточается спектр тепловых нейтронов, уменьшаются сечение деления и ρ:

На рис. 1 представлены возможные варианты температурных эффектов. Реактор ТР имеет ТЭР, описываемый кривой IV. 105


Рис. 1. Характерные зависимости ТЭР для различных ЯР (IV - для реактора ТР)	Рис. 2. ТЭР ВВЭР-440 при различных концентрациях бора

На рис. 2 даны ТЭР ВВЭР-440 для различных концентраций Н_зВО_з. Ход кривых определяется свойствами данного ЯР. В некоторых случаях происходит выбег при разогреве, равный разности максимальной в процессе разогрева и начальной реактивностей. В основном это имеет место, когда в холодном состоянии соотношение концентраций ядер водорода и урана выше оптимального с точки зрения замедления нейтрона до тепловой энергии. Уменьшение концентрации ядер водорода с ростом температуры приведет к уменьшению поглощения нейтронов в них, не ухудшая замедляющей способности. На этом участке изменения температуры (разогрев ЯР) α_t будет положительным (рис.1, кривые I и II).

В ЯР с борным регулированием ТЭР и ТКР сильно зависят от массовой концентрации борной кислоты (см. табл. 1 и рис. 2. для ВВЭР-440). По мере уменьшения массовой концентрации бора возрастают | - ρ _t | и | - α_t |, влияние колебаний температуры на ρ становится все более ощутимым. Для больших концентраций бора ткр может стать положительным, что с точки зрения ядерной безопасности крайне нежелательно. Причина такой зависимости - уменьшение плотности Н_зВО_з с ростом температуры, вследствие чего снижается концентрация ядер '°В в активной зоне и ρ растет. Например, в одном из ВВЭР в отсутствие Н_зВО_з, а при концентрации Н_зВО_з 8 г/кг .

Таблица 1

Массовая концентрация В, г/кг H₂O	Массовая концентрация Н₃ВО₃, г/кг H₂O	ρ _tпри температуре теплоносителя
20° С	100° С	200°С	285° С
0,5 1,0 1,5	2,86 5,72 8,58	- 0,009 - 0,006 - 0,003 - 0,0003	- 0,021 - 0,013 - 0,004 +0,005	- 0,033 - 0,021 - 0,0067 +0,008	- 0,051 - 0,030 - 0,0068 +0,018

Значение ТЭР и характер хода его кривой влияют на ρ_зап и выбор физического веса К.Р. Положительный ТЭР в рабочей точке (рис. 2.6.1, кривая /) увеличивает ρ_зап, отрицательный ТЭР уменьшает его (кривые //, III, IV), т. е. требует для компенсации - ρ _t дополнительной загрузки топлива, уменьшает глубину выгорания. Физический вес КР должен быть достаточным для компенсации | - ρ _t | в холодном ЯР, а также положительного выбега в процессе разогрева.

Мощностной эффект определяется температурой урана и наличием в нем изотопа ²³⁸U, в котором в результате Доплер-эффекта при повышении температуры увеличивается поглощение нейтронов. Чем выше температура топлива и меньше обогащение урана (больше ²³⁸U), тем больше мощностной эффект. В топливе с высокой теплопроводностью, например в металлокерамике U - А1, мощностным эффектом можно пренебречь. Если же в качестве топлива используется, например, двуокись урана UO₂, имеющая крайне низкую теплопроводность, то мощностной эффект существен.

На рис. 3 представлен вариант кривых мощностного эффекта в зависимости от мощности ЯР и расхода теплоносителя G. Для .

Изменение ρ, вызванное бесконечно малым изменением мощности, называется мощностным коэффициентом реактивности:

. (2.6.2)

ВВЭР-440 имеет . В ЯР с высоким обогащением топлива, т. е. с малым содержанием ²³⁸U (например, в ЯР на быстрых нейтронах), связанный с повышением температуры топлива доплер-эффект для делящихся нуклидов (²³⁵U, ²³⁹Ρu) может преобладать над увеличением поглощения в ²³⁸U и мощностной эффект и коэффициент будут положительны.

Рис. 2.6.3. Мощностной эффект реактивности

Изотермический α_t (1/°С) и мощностной α_N (1/МВт) коэффициенты реактивности определяют устойчивость, регулируемость, надежность и безопасность ЯР. Динамический мощностной коэффициент во всем диапазоне изменения мощности должен быть отрицательным: , благодаря чему безопасность ЯР можно обеспечить даже при небольшом α_t >0. Изотермический ТКР (а<) для обеспечения саморегулирования ЯР должен быть отрицательным в интервале Δt (°С) рабочей температуры :

.

Саморегулирование ЯР - это способность ЯР без системы регулирования изменять тепловую мощность в соответствии с ее потреблением. При наличии достаточно большого отрицательного ТКР (| - α_t |>10^-4 1/°С) можно обойтись без стержней АР для изменения и поддержания мощности в соответствии с изменяющейся нагрузкой.

ТЭР и ТКР для некоторых ЯР (см. рис. 1) при средней рабочей температуре 250 °С соответственно равны:

В рабочей точке α_t для ВВР составляет - (1÷4)·10^-41/°С, для ЯР с графитовым замедлителем и водяным теплоносителем - на порядок меньше: - (0,3÷0,4)·10^-4 1/°С.

Изменение ρ из-за ТЭР при изменении температуры активной зоны на Δt (°С) равно . В случае постоянного значения α_t (1/°С) в данном диапазоне температур

. (2.6.3)

Снизив среднюю рабочую температуру при α_t <0 от значения , можно высвободить и получить, таким образом, дополнительный энергозапас. Если в данном диапазоне температур а< не является постоянной величиной, то значение Δρ_t нужно определять непосредственно по кривой ТЭР.

Скорость изменения реактивности dρ_t /dτ (1/с) при изменении температуры со скоростью dt /dτ (°C/c) и α_t (1/°С), соответствующем данной температуре, равна

dρ/dτ = α(t)dt/dτ 1/с. (2.6.4)

Чрезвычайно важно для безопасности ЯР иметь отрицательный мощностной коэффициент, который обеспечит надежное ограничение мощности в аварийных ситуациях. Но большой отрицательный коэффициент α_N существенно ограничивает возможности саморегулирования ЯЭУ, так как противодействует ТКР, стабилизирующему параметры ЯР на новой мощности, достигнутой изменением нагрузки.

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

, (2.6.5)

которая может быть использована для получения дополнительного энергозапаса. В большинстве случаев α_N примерно на порядок меньше α_t, однако в переходных режимах быстрый вклад их в реактивность по значению примерно одинаков, так как изменение температуры топлива в этих случаях примерно на порядок выше изменений температуры теплоносителя. Динамически α_N более быстродействующий, а для безопасности ЯР при α_N <0 это главное. Но большой | - α_N |, как и | - α_t |, улучшая безопасность ЯР, требует большого физического веса КР для обеспечения подкритичности после остановки и расхолаживания ЯР.

Зависимость ρ от температуры характерна для всех типов ЯР, но в каждом случае имеет свои особенности. Так, для ВВР кипящего типа определяющим является паровой эффект реактивности ρ _п, имеющий отрицательный коэффициент α_п =Δ ρ _п / m _п <0, где Δ ρ _п - изменение ρ, обусловленное изменением средней (с учетом пара) плотности теплоносителя на различных уровнях мощности; m _п - массовая доля пара в пароводяной смеси. Рост парообразования уменьшает количество замедлителя в активной зоне, снижая ρ, и наоборот. Отрицательный α_п обеспечивает саморегулирование кипящего ЯР.

В ЯР с графитовым замедлителем и водяным теплоносителем α_n может быть положительным, так как изменение доли пара в пароводяной смеси практически не влияет на замедление нейтронов (концентрация графита, определяющая спектр нейтронов, остается постоянной), а поглощение нейтронов в воде уменьшается.

Паровой коэффициент, как и доплеровский, зависит непосредственно от мощности ЯР, поскольку изменение количества пара в активной зоне связано с уровнем мощности и происходит практически при постоянной температуре теплоносителя, равной температуре кипения.

В ЯР с газовым или жидкометаллическим теплоносителем знак и значение изменения ρ при изменении температуры зависят в основном от поглощающей и рассеивающей способностей наиболее чувствительных к температуре компонентов активной зоны. Например, в ЯР с воздушным охлаждением эффект, вызванный тепловым расширением теплоносителя, имеет порядок +2·10^-5 1/°С. Но для таких ЯР необходимо также учитывать барометрический эффект - зависимость ρ от давления в контуре (так как число атомов газа в 1 м³ сильно зависит от давления): α_ρ = dρ(Ρ)/dΡ 1/МПа, где ρ (Р) - изменение р при изменении давления Р (МПа) теплоносителя. Для воздуха барометрический коэффициент в ЯР на тепловых нейтронах имеет порядок - (lO^-2 ÷ lO^-1) 1/МПа. Барометрический коэффициент для ВВР мал, так как вода - слабосжимаемая жидкость. При резком увеличении давления в первом контуре в определенных условиях возможно увеличение ρ, которого нельзя не учитывать с точки зрения ядерной безопасности. Более сильно барометрический эффект проявляется в кипящих ЯР.

В ЯР на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем изотермический эффект на порядок меньше, чем в тепловых. В реакторе БР-5 α_t ≈ -3∙10^-5 1/°С. Мощностной коэффициент для него α_N ≈ -4,5∙10^-5 1/MBт ≈ 2∙10^-6 1/ %N _ном. Кроме того, для этих ЯР очень важное значение имеет натриевый пустотный эффект - зависимость ρ от частичного (вплоть до полного) удаления натрия из активной зоны. Причиной такого удаления может быть вскипание натрия. При этом происходит изменение спектра, сечений захвата и утечки нейтронов. Поскольку действие этих составляющих на ρ имеет разный знак, суммарный эффект зависит от типа топлива и размеров ЯР. В небольшом ЯР эффект отрицателен, т. е. удаление натрия приводит к уменьшению ρ, в больших ЯР с плутониевым топливом он положителен.

Зависимость ρ от температуры и мощности требует специального подхода к вопросу выбора статических характеристик ЯР (зависимости температур теплоносителя на входе, выходе и средней от мощности). Для ВВЭР с незначительным | - α_N| наиболее надежна программа регулирования с поддержанием средней температуры теплоносителя постоянной.

При характеристиках с = const наибольшее изменение ρ происходит при разогреве до средней температуры, а при работе на энергетическом уровне и изменении мощности имеют место только незначительные колебания температуры относительно среднего значения, которые при отрицательном α_t самостабилизируются (саморегулирование). В ЯР с высоким | - α_N| для обеспечения режима саморегулирования лучше, чтобы с повышением мощности средняя температура понижалась, компенсируя температурным эффектом мощностной.

Графики ТЭР и ткр необходимы оператору для: 1) расчета критического положения органов регулирования; 2) определения дополнительного энергозапаса в конце кампании; 3) оценки поведения ЯР при изменении режима работы с точки зрения саморегулирования и обеспечения ядерной безопасности.