Подкритический реактор

Подкритическое состояние может быть стационарным и нестационарным в зависимости от того, имеет ли место изменение потока нейтронов в реакторе или изменение эффективного коэффициента размножения нейтронов.

Рассмотрим процесс размножения нейтронов в стационарном подкритическом реакторе. Пусть в активную зону внесён источник нейтронов, создавший там плотность нейтронов n_ист. Через поколение эта плотность станет равной n_ист * К_эф, через 2 поколения — n_ист * (К_эф)² и так далее. Таким образом, плотность нейтронов в подкритическом реакторе равна сумме плотностей от разных поколений:

При огромном числе поколений (i→∞):

,

или, переходя к плотности потока:

.

Как видно из этой формулы, чем больше мощность источника нейтронов и чем меньше подкритичность реактора, тем больше установившийся поток нейтронов. Так как подкритичность зависит от положения органов регулирования, то при постоянном потоке источников нейтронов каждому положению компенсаторов реактивности в активной зоне будет соответствовать свой строго определённый установившийся поток нейтронов.

В реальном реакторе источник нейтронов вносят лишь при физическом пуске, в остальных случаях используют нейтроны, образующиеся при распаде осколков деления U²³⁵ ((γ, n)-реакции на Be и D) в остановленном реакторе.

Поэтому для облегчения пуска реактора (увеличения начального потока нейтронов) в конструкции активной зоны используют Be, а D содержится в воде.

Нарастание подкритического потока нейтронов можно представить графически:

Время выхода на стационарный уровень потока нейтронов прямо пропорционально l — времени жизни поколения нейтронов и обратно пропорционально подкритичности:

.

Отсюда вытекает практическое требование обязательной выдержки времени по мере приближения КР к критическому положению.

На следующем графике представлено изменение плотности потока нейтронов в подкритическом реакторе при подъёме компенсаторов равными шагами (уменьшении ρ_{подкрит} равными шагами).

Из графика видно, что по мере приближения к критическому положению с каждым шагом перемещения компенсаторов увеличивается соответствующий скачок потока нейтронов.

Критический реактор

В критическом реакторе (К_эф = 1, ρ = 0) каждая цепочка делений, начинающаяся от источника нейтронов, спонтанного деления и вследствие распада осколков деления U²³⁵, не затухает и не разрастается. Поэтому суммарное количество делений и соответственно мощность будет расти по линейному закону.

Однако этот рост существенно меньше мощности, которой реактор обладает на энергетическом уровне. Поэтому этим приростом пренебрегают и считают, что в критическом реакторе, работающем на энергетическом уровне мощности, мощность постоянна:

N_яр = const

Однако в пусковом режиме прирост потока нейтронов сравним с имеющимся в реакторе потоком нейтронов и должен приниматься в расчёт.

При постепенном подъёме КР до критического положения (см. рис. выше) в реакторе вырабатывается определённая мощность и определённая плотность потока нейтронов. Их называют минимальной критической мощностью (МКритУМ) и критическим потоком нейтронов. Их значения зависят от исходной подкритичности реактора (перед началом подъёма КР) и имеющегося при этом потока нейтронов, но не зависят от количества шагов к критическому положению.

Следует отличать МКритУМ от минимального контролируемого уровня мощности МКУМ — того уровня мощности, который надёжно контролируется пусковой аппаратурой. Для обеспечения надёжного пуска реактора МКритУМ должен быть выше МКУМ.