Общий принцип работы ядерного реактора

Рассмотрим, как на основе цепной реакции деления ра­ботает реактор.

В ядерном реакторе в общем важны всего три типа процессов, определяющих баланс нейтронов, а именно, возникновение (рож­дение), убыль вследствие захвата и убыль вследствие утечки ней­тронов, нужных для осуществления реакции деления тяжелых ядер. Обозначим Р скорость рождения (генерации) нейтронов, т.е. количество новых нейтронов, рождающихся в каждую секун­ду. Нейтроны рождаются в реакторе при делении тяжелых ядер. Будем считать, что другого (внешнего) источника нейтронов нет.

Второй тип процессов - поглощение нейтронов. Обозначим буквой П скорость поглощения, т.е. количество нейтронов, кото­рые поглощаются в каждую секунду ядрами всех нуклидов, при­сутствующих в реакторе, в том числе и ядрами делящихся нукли­дов. Будем считать, что взамен одного нейтрона, поглощенного делящимся ядром, рождаются вместе с «осколками» ядра ν (гре­ческая буква «ню») новых нейтронов, которые появляются в реак­торной среде как свободные нейтроны.

И наконец, последний тип процессов - это утечка нейтронов. Скорость утечки, которую мы обозначим буквой У, определяется как количество тех нейтронов, которые безвозвратно вылетают в каждую секунду за пределы реактора. Понятно, что те нейтроны, которые находятся ближе к центру активной зоны, имеют мень­шую вероятность вылететь из реактора - они, скорее всего, будут поглощены. А вот те, которые находятся вблизи внешней границы реактора, имеют большую вероятность вылететь. Но сейчас идет речь о количестве всех вылетающих из реактора в 1 с нейтронах. Соотношением скоростей трех процессов определяется зависи­мость от времени количества одновременно существующих в ре­акторе нейтронов и, соответственно, скорости выделения энергии (мощности) в реакции деления.

В курсе ТПН был рассмотрен коэффициент размножения для бесконечной среды (формула 4-х сомножителей). В любой среде конечных размеров необходимо учесть утечку нейтронов из объема активной зоны. Понятно, что для реальных ядерных реакторов (ЯР) этот фактор должен быть учтен.

В ФТР вводится фундаментальный параметр, который получил обозначение К_эф. Он называется эффективным коэффициентом раз­множения нейтронов. Почему именно «эффективным коэффици­ентом» будет ясно из дальнейшего. Численно К_эф связан с тремя типами процессов очень просто:

, (1.1)

То есть - К_эффпредставляет собой отношение ко­личества рождающихся в реакторе в 1 с нейтронов к количеству нейтронов, исчезающих в 1 с любым способом, т.е. вследствие поглощения или утечки. Нейтроны как элементарные частицы практически стабильны и исчезать сами по себе (радиоактивно распадаться) не могут (период распада нейрона составляет около 20 минут при сред­нем времени жизни нейтронов в реакторе не более 0.001 с).

Домножим и разделим уравнение (1) на П:

Первый сомножитель по определению есть k _∞, второй показывает вероятность для нейтронов избежать утечки. Обозначив, имеем:

k _эф = k _∞∙ P

Таким образом, k _эф есть произведение двух величин: k _∞ - определяющимся только свойствами среды и P – слабо зависящая от энергии нейтронов и свойств среды (для данной среды), и определяемая в основном геометрическими характеристиками. Если k _эф <1, то ЯР подкритический; k _эф>1, то ЯР надкритический; k _эф =1, то ЯР критический. Отсюда следует, что имеется размножающая среда с k _∞>1, то, подбирая форму и размеры этой среды, можно добиться того, что k _эф =1. Размеры, при которых k _эф =1, называются критическими.