Период реактора. Зависимость периода реактора от времени жизни поколения нейтронов

Компенсация реактивности.

В течении эксплуатации реактора количество ядерного топлива постоянно уменьшается. Поэтому первоначально реактор загружается количеством топлива, превышающим необходимое для достижения критичности. Реактивность, соответствующая избыточному количеству топлива, называется запасом реактивности на выгорание. В начале компании избыточную реактивность необходимо скомпенсировать вводя в активную зону какой-либо материал сильно поглощающий нейтроны и обладающий отрицательной реактивностью.

Таким материалом могут быть управляющие стержни СУЗ, содержащие поглощающие изотопы (чаще всего - ¹⁰В). Однако, использование стержней СУЗ для компенсации реактивности не желательно, поскольку они вносят большую неоднородность в поле нейтронов.

В водо-водяных реакторах в начале компании используется изотоп ¹⁰В, в виде борной кислоты, растворенный в водяном теплоносителе. По мере выгорания топлива уменьшают концентрацию бора, вводя, тем самым положительную реактивность.

Другим подходом компенсации избыточной реактивности, также не искажающей поле нейтронов, является использование выгорающих поглотителей. Элементы, содержащие выгорающий поглотитель, располагаются равномерно по активной зоне.

Изменение мощности ЯР в надкритическом состоянии (Кэф>1, r>0) происходит по экспоненциальному закону (см. рис.1.9.):

N(t) = N(l)•e^t/Т (1.27),

где N(l)=N•bэф/(bэф - r) - мощность после скачка на мгновенных нейтронах от значения Nо (при r=0);

Т=l/Кэф - период реактора, т.е. время, в течение которого плотность потока нейтронов и мощность увеличиваются в e=2,7 раз;

bэф = g•b = 7 • 10^-3 - эффективная доля запаздывающих нейтронов;

g- эффективность запаздывающих нейтронов, доля которых в общем числе нейтронов деления равна b = 6,4 • 10^-3.

Ценность запаздывающих нейтронов выше, чем мгновенных, из-за меньшего значения средней энергии рождения, которое равно 0,5 МэВ (против 2 МэВ для мгновенных), а следовательно, более высокой вероятности избежать утечки (см. п.1.1.5. и 1.2.6) в процессе замедления и диффузии. Это означает, что у запаздывающих нейтронов больше вероятность принять участие в поддержании цепной реакции.

Связь между периодом и реактивностью с учетом запаздываю­щих нейтронов выражается соотношением, которое называют фор­мулой обратных часов.

(1.28),

где l - время жизни поколения мгновенных нейтронов, с;

b_i - доля запаздывающих нейтронов i-й группы;

l_i- постоянная распада осколков-источников запаздывающих нейтронов,с;

t_зап = 1/l_зап - усредненное по 6-ти группам запаздывающих нейтронов время жизни осколков-источников (для U-235 ~ 12 сек);

₆

`l = l + å b_I•t_i » 0,083 с - усредненное по мгновенным (время жизни) и запаздывающим i=1 (время запаздывания) нейтронам время жизни поколения нейтронов.

Время жизни запаздывающих нейтронов складывается из вре­мени реакции деления, времени жизни осколков деления - источ­ников запаздывающих нейтронов, времени замедления и диффузии запаздывающих нейтронов.

Так как `l ~ 0,083 с, то запаздывающие нейтроны значительно увеличивают время жизни поколения (на 2 и более порядка), что при r < bэф. дает возможность безопасно управлять реактором.

Изменение r сопровождается переходным процессом по плот­ности потока нейтронов, обусловленным изменением в течение некоторого времени соотношением между количеством мгновенных n_мгн и запаздывающих n_зап нейтронов. При положительном скачке r (в интервале 0<r<b_эф)происходит увеличение мощности на мгновенных нейтронах в течение долей секунды (время определяется временем жизни мгновенных нейтронов). Мощность от значения Nо (см. рис.1.9) увеличивается до N(l) на величину:

DN⁺ = N(l) - Nо = Nо•r/(b_эф - r) (1.29).

После этого в течение некоторого времени количество запаздывающих нейтронов n_зап остается на прежнем уровне, а n_мгн увеличивается сразу до нового значения n_мгн'. Следовательно, уменьшается эффективная доля запаздывающих нейтронов (n_зап/n_мгн' < n_зап/n_мгн), и процесс протекает ускоренно до установления постоянного соотношения n_зап(t)/n_мгн(t) и постоянного установившегося периода разгона.

Нарушается баланс и при отрицательном скачке r, но в этом случае bэф. увеличивается, т.к. n_мгн сразу же уменьшается, а n_зап некоторое время остается на прежнем уровне. Поэтому при одинаковом по абсолютному значению скачке r от нулевого значения, но разного знака (+r) снижение Ф происходит медленнее, чем увеличение.

Для случая r<0 снижение мощности с уровня Nо до N(l), будет:

No•r

DN^- = Nо- N(l) = --------- (1.30).

b +|-r|

При работе ЯР на стационарной мощности влияние запаздыва­ющих нейтронов отсутствует.

При значении r³ bэф. влияние запаздывающих нейтронов на скорость изменения мощности ЯР прекращается, это и есть граница управляемости ЯР. В этом случае реактор становится критичным на мгновенных нейтронах. По этой причине состояние реактора r= bэф. называется мгновенной критичностью.

В отсутствие запаздывающих нейтронов управление цепной ядерной реакцией деления было бы крайне затруднительно, если вообще возможно. Для иллюстрации рассмотрим два примера.

Вариант А.Пусть b=0, т.е. реактор критичен на мгновенных нейтронах. Ранее было оценено время жизни теплового нейтрона -t =5•10^-5 с. При увеличении эффективного коэффициента размножения на величину 0,001, из формулы 1.27 получим рост мощности через одну секунду:

раз.

С учетом запаздывающих нейтронов, время жизни поколения нейтронов

`l ~ 0,1 с. При увеличении эффективного коэффициента размножения на ту же величину 0,001 получим рост мощности через 1 секунду.

N 0,001

----- = eхр --------- ~ 1,01 раз.

No 0,1

Дата добавления: 2015-06-04