
- •Тимофеев а. Н. Физические основы эксплуатации ядерных реакторов Обнинск
- •Ядерная энергия
- •Единицы измерения в ядерной физике
- •Модель атома Бора
- •Типы взаимодействий и радиусы их действия
- •Способы получения трансурановых элементов
- •Радиоактивный распад и деление ядер
- •Электронный захват (к-захват)
- •Примерное распределение энергии при делении ядра u235
- •Ядерные реакции
- •Возможные источники ядерной энергии
- •Выбор делящегося вещества
- •Замедление нейтронов до тепловых скоростей
- •Конструкция активной зоны
- •Цепная ядерная реакция
- •Формула четырёх сомножителей
- •Управление цепной ядерной реакцией
- •Физические процессы в ядерном реакторе
- •Выгорание ядерного топлива
- •Воспроизводство ядерного топлива
- •Шлакование ядерного топлива
- •Стационарное отравление 54Xe135
- •54Xe135 (n, γ) 54Xe136 (шлак)
- •Йодная яма (нестационарное отравление 54Xe135)
- •Способы расчёта отравления реактора Xe135
- •Расчёт отравления реактора Xe135 по графикам
- •Расчёт отравления реактора Xe135 по формуле
- •Стационарное отравление реактора Sm149
- •Расчёт стационарного отравления реактора Sm149
- •Нестационарное отравление реактора Sm149 (прометиевый провал)
- •Расчёт нестационарного отравления Sm149
- •Температурный эффект реактивности
- •Физические и теплотехнические характеристики ядерного реактора
- •Энерговыделение в активной зоне
- •1 МВт ≈ 3*1016делений u235 в секунду.
- •Температурный режим активной зоны
- •Статические характеристики реактора
- •Управление ядерным реактором
- •Подкритический реактор
- •Критический реактор
- •Надкритический реактор
- •Физические характеристики органов управления
- •Пуск реактора
- •Расчёт критического положения Характеристика методики расчёта критического положения
- •Методика расчёта критического положения и предельной высоты подъёма пкр
- •1. Определение изменения запаса реактивности в зависимости от энерговыработки — .
- •2. Определение изменения запаса реактивности в зависимости от отравления Xe —
- •3. Определение изменения запаса реактивности в зависимости от стационарного отравления Sm —
- •4. Определение изменения запаса реактивности в зависимости от нестационарного отравления Sm —
- •5. Определение изменения запаса реактивности в зависимости от средней температуры теплоносителя —
- •6. Определение изменения запаса реактивности в зависимости от положения стержней ар —
- •7. Определение суммарного изменения запаса реактивности —
- •8. Определение предполагаемого критического положения —
- •9. Определение предельной высоты подъёма органов регулирования —
- •10. Документальное оформление, проверка и утверждение расчёта
- •Разогрев ядерного реактора
- •Работа на энергетическом уровне
- •Остановка ядерного реактора
- •Остаточное тепловыделение
- •Особенности ядерного реактора
- •Нфи и ттп ядерного реактора
- •Определение критической загрузки
- •Градуировка органов регулирования
- •Построение дифференциальной и интегральной характеристик кр
- •Определение тэр и отравления Xe
- •Уточнение характеристик в процессе кампании
- •Обеспечение ядерной безопасности и теплотехнической надёжности активной зоны (ябр и ттназ) Потенциальная опасность ядерной энергии
- •Чем обусловлена ядерная опасность ядерного реактора
- •Основные требования по ябр и ттназ
- •Обеспечение ябр и ттназ
- •Технические средства обеспечения ябр и ттназ
- •Организационные мероприятия по обеспечению ябр и ттназ
- •Основные требования и мероприятия по обеспечению ябр и ттназ на разных этапах эксплуатации яэу
- •Ответственность персонала за соблюдение ябр и ттназ
- •Водоподготовка
- •Источники коррозии
- •Ионно-обменные фильтры
- •Приложения
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 ρзап. Величина ρ0Sm 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 Т1/2 = 53 часа и превращается в стабильный Sm149, уменьшая ρзап реактора, то есть отравляя его.
Максимальная глубина прометиевого провала достигается через 7 суток после остановки реактора.
Уменьшение ρзап после остановки реактора вследствие отравления Sm149 называют нестационарным отравлением Sm149, или прометиевым провалом — ρSm.
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 ρSm 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 ρD < 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 ρD,
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 ρt от средней температуры теплоносителя — кривой ТЭР (имеется на пульте ГЭУ и пример приведён в приложении).
Количественной характеристикой температурного эффекта является ТКР — температурный коэффициент реактивности — αt:
Величина и знак αt определяют устойчивость работы реактора. Для обеспечения саморегулирования — способности реактора без вмешательства автоматики или оператора изменять мощность в соответствии с её потреблением — αt в области рабочих температур должен быть отрицательным.
В диапазоне температур до 100 °C αt 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:
GII ↓ → t1k ↑ → ρ ↓ → N ↓ или, наоборот
GII ↑ → t1k ↓ → ρ ↑ → N ↑
Чем больше отрицательная величина αt, 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 αt 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 ρзап при понижении t1k;
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 |
|