Особенность ядерного реактора как источника тепла

Особенность ядерного реактора состоит в том, что 94% энергии деления превращается в теплоту мгновенно, т.е. за время, в течение которого мощность реактора или плотность материалов в нем не успевает заметно измениться. Поэтому при изменении мощности реактора тепловыделение следует без запаздывания за процессом деления топлива. Однако при выключении реактора, когда скорость деления уменьшается более чем в десятки раз, в нем остаются источники запаздывающего тепловыделения (g- и b-излучение продуктов деления), которые становятся преобладающими.

От реактора теплота отводится циркулирующим через него теплоносителем. Для реактора, в котором теплоноситель не кипит, количество отводимой теплоты

,

где - массовый расход теплоносителя, кг/с; - удельная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг×К); , - температура теплоносителя на входе в реактор и выходе из него, К.

Количество теплоты, передаваемой теплоносителю тепловыделяющими элементами, может быть выражено уравнением теплоотдачи

,

где - средний по активной зоне коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²×К); - средний температурный напор между поверхностью тепловыделяющего элемента и теплоносителя, К; - площадь поверхности тепловыделяющих элементов, м².

При каждом делении в реакторе выделяется энергия . Тепловая мощность реактора выражается формулой

,

где - среднее макроскопическое сечение деления ядер топлива, м^-1; - средняя плотность потока нейтронов в реакторе, с^-1×м^-2; - объем ядерного топлива, м³. При стационарном режиме работы реактора с некипящим теплоносителем тепловыделение в нем должно равняться теплосъему:

.

Это уравнение связывает нейтронно-физические характеристики реактора, расход и температуру теплоносителя, а также характеристики теплообмена в реакторе. Например, повышение плотности потока нейтронов в реакторе без увеличения расхода теплоносителя приводит к повышению температуры теплоносителя на выходе из реактора. Это вызывает увеличение температурного напора и температуры поверхности тепловыделяющих элементов. С уменьшением расхода теплоносителя при постоянной мощности реактора также повышается температура тепловыделяющих элементов.

Характерной особенностью реактора является остаточное тепловыделение после прекращения реакции деления, что требует отвода теплоты в течение длительного времени после остановки реактора. Для оценки мощности остаточного тепловыделения (спустя 10 с после прекращения цепной реакции) можно использовать следующую эмпирическую зависимость, учитывающую тепловыделение за счет b- и g-излучения продуктов деления:

,

где - средняя мощность реактора в период работы, Вт; - время, прошедшее с момента остановки реактора, с; - время работы реактора с мощностью , с.

Хотя мощность остаточного тепловыделения значительно меньше номинальной, циркуляция теплоносителя через реактор должна обеспечиваться очень надежно, так как остаточное тепловыделение регулировать невозможно.