Расчёт стационарного отравления реактора Sm149

Расчёт стационарного отравления Sm¹⁴⁹ ведётся по графику отравления Sm¹⁴⁹ в зависимости от энерговыработки (см. приложение). Зная энерговыработку, можно легко определить величину уменьшения ρ_зап. Величина ρ_0Sm на графике дана в %%.

Нестационарное отравление реактора Sm149 (прометиевый провал)

При остановке реактора нарушается динамическое равновесие между накоплением и убылью Sm¹⁴⁹: накопление Sm¹⁴⁹ из накопленного Pm¹⁴⁹ (количество последнего пропорционально мощности реактора) продолжается, а убыль вследствие расстрела нейтронами прекратится.

Накопленный к моменту остановки Pm¹⁴⁹ распадается с Т_1/2 = 53 часа и превращается в стабильный Sm¹⁴⁹, уменьшая ρ_зап реактора, то есть отравляя его.

Максимальная глубина прометиевого провала достигается через 7 суток после остановки реактора.

Уменьшение ρ_зап после остановки реактора вследствие отравления Sm¹⁴⁹ называют нестационарным отравлением Sm¹⁴⁹, или прометиевым провалом — ρ_Sm.

Прометиевый провал компенсируется сверхкритической загрузкой топлива.

Глубина прометиевого провала зависит от количества Pm¹⁴⁹, накопленного за последние 7 суток работы реактора, и прямо пропорциональна средней мощности реактора за 7 суток перед остановкой. Значение ρ_Sm всегда меньше или равно нулю.

Процесс изменения отравления реактора Sm¹⁴⁹ можно проиллюстрировать графиком:

Расчёт нестационарного отравления Sm149

Расчёт нестационарного отравления Sm¹⁴⁹ ведётся по следующей формуле:

, где

• — отношение средней мощности за 7 суток перед остановкой к номинальной мощности реактора (в одинаковых единицах);

• значение определяется по графику в зависимости от времени после остановки реактора (имеется на пульте ГЭУ), дано в единицах:

• значение определяется по графику полного нестационарного отравления Sm¹⁴⁹ в зависимости от энерговыработки (имеется на пульте ГЭУ), дано в %%:

Таким образом, значение будет получено в %%.

Чтобы получить отравление Sm¹⁴⁹, необходимо суммировать значения стационарного и нестационарного отравлений (если реактор остановлен) или взять значение стационарного отравления (если реактор находится на энергетическом уровне мощности).

Температурный эффект реактивности

Изменение температуры активной зоны наблюдается не только при разогреве или расхолаживании реактора. Даже в стационарном режиме происходит колебание температуры как отдельных компонентов, так и всей активной зоны. Это определяется колебанием расхода теплоносителя и мощности реактора, изменением условий отвода тепла в парогенераторах и другими причинами.

Любые колебания температуры активной зоны влекут за собой изменения плотности замедлителя-теплоносителя, а также ядерных характеристик размножающей среды. Всё это влияет на величину эффективного коэффициента размножения нейтронов, а, следовательно, на реактивность реактора.

Температурный эффект реактивности (ТЭР) — это изменение реактивности, обусловленное изменением температуры всех компонентов активной зоны.

Составляющие элементы температурного эффекта реактивности:

• плотностной эффект — изменение плотности материалов активной зоны и в первую очередь теплоносителя (воды);

• мощностной, или ядерный температурный эффект, или доплеровский — увеличение сечения радиационного захвата нейтронов при увеличении температуры ТВэл.

Плотностной эффект значительнее мощностного.

Вследствие уменьшения плотности воды при росте средней температуры активной зоны меняются и замедляющие свойства воды — вода как замедлитель начинает менее эффективно замедлять нейтроны, больше нейтронов начинает поглощаться без деления в топливе (см. графики сечений поглощения и деления в зависимости от энергии нейтронов), в результате чего коэффициент размножения нейтронов снижается. Такая зависимость — затухание цепной реакции при росте температуры — положительно влияет на управление реактором, возникает эффект саморегулирования цепной ядерной реакции.

В зависимости от шага, с которым размещены в активной зоне топливные каналы, от степени обогащения топлива кривые ТЭР могут иметь различный вид (см. рис. выше): кривая I соответствует большому шагу топливных каналов при малой удельной загрузке активной зоны топливом, кривая III соответствует тесной решётке топливных каналов и высокой концентрации топлива в активной зоне.

Температурный эффект реактивности компенсируется сверхкритической загрузкой топлива.

Мощностной эффект обусловлен изменением ядерных характеристик активной зоны при изменении её температуры. При повышении температуры растёт энергия нейтронов, что приводит к увеличению доли нейтронов, попадающих в область резонансного поглощения ядрами ²³⁸U. В конечном счёте это ведёт к уменьшению коэффициента избежания резонансного захвата в ²³⁸U — φ (см. формулу четырёх сомножителей).

На практике связать изменение реактивности с изменением температуры топлива сложно, то удобнее использовать зависимость изменения реактивности от мощности реактора , поэтому этот эффект часто называют мощностным. Величина ρ_D < 0, она зависит от теплопроводности ядерного топлива. Если теплопроводность мала (как у UO₂), то топливо имеет высокую температуру, значительно изменяющуюся с ростом мощности реактора. Подобные реакторы имеют значительную величину ρ_D, зависящую от мощности реактора.

Мощностной эффект также способствует саморегулированию цепной ядерной реакции, причём он имеет минимальное время саморегулирования. В отличие от него плотностной эффект требует определённого времени для проявления — времени прогрева компонентов активной зоны, и в первую очередь теплоносителя.

Взаимное влияние мощностного и плотностного эффектов можно проиллюстрировать графиком зависимости изменения ρ_t от средней температуры теплоносителя — кривой ТЭР (имеется на пульте ГЭУ и пример приведён в приложении).

Количественной характеристикой температурного эффекта является ТКР — температурный коэффициент реактивности — α_t:

Величина и знак α_t определяют устойчивость работы реактора. Для обеспечения саморегулирования — способности реактора без вмешательства автоматики или оператора изменять мощность в соответствии с её потреблением — α_t в области рабочих температур должен быть отрицательным.

В диапазоне температур до 100 °C α_t может быть положительным, что необходимо учитывать оператору при разогреве реактора.

Саморегулирование обеспечивается при изменении любого параметра 1 и 2 контуров: температуры и расхода питательной воды, давления пара, вакуума в главном конденсаторе.

Особенно наглядна связь мощности и расхода питательной воды:

G_II ↓ → t_1k ↑ → ρ ↓ → N ↓ или, наоборот

G_II ↑ → t_1k ↓ → ρ ↑ → N ↑

Чем больше отрицательная величина α_t, тем более жёстко реактор удерживается на требуемом уровне мощности. Это может быть полезно при росте t °C, но может быть опасно при резком снижении t °C — например, при изменении скорости теплоносителя, при срабатывании АЗ.

Некоторые типы реакторов, обладающие значительным отрицательным α_t при всех рабочих температурах активной зоны, даже не оснащаются стержнями автоматического регулирования — настолько быстро и точно действует температурный эффект.

Температурный коэффициент реактивности и температурный эффект реактивности учитываются при :

• расчёте критического положения КР;

• оценке высвобождающейся ρ_зап при понижении t_1k;

• анализе поведения реактора в аварийных ситуациях и в переходных процессах.

Выводы

Итак, физические процессы, протекающие в активной зоне, приводят к необходимости так называемой сверхкритической загрузке топлива в активную зону. Как результат, в реакторе в любой момент кампании и после её выработки сохраняются условия для развития цепной ядерной реакции, что накладывает жёсткие эксплуатационные требования в области безопасной эксплуатации, отстоя и утилизации активной зоны.

Примерные значения масс критической и сверхкритических загрузок топлива дают представления об относительном влиянии различных физических процессов:

Физическое явление	Сверхкритическая загрузка	Орган компенсации избыточной реактивности
Критическая загрузка топлива	20
Выгорание топлива	25	ВП + КР
Шлакование	3	ВП
Стационарное отравление Xe135	10	ПКР
Йодная яма	10	ЦКР
Отравление Sm149	2	ВП
Температурный эффект реактивности	10	КР
Итого:	80