«Ядерные реакторы» (общий раздел)

1. Определение энергетического ядерного реактора. Классификация ядерных реакторов.

Ядерный энергетический реактор – устройство для осуществления самоподдерживающейся цепной ядерной реакции деления с целью получения высокопотенциальной тепловой энергии для работы турбоустановки.

Ядерная энергетическая установка – это комплекс оборудования предназначенный для обеспечения нормальной работы реактора, отвода от реактора Теловой энергии и её преобразование в другие виды энергии.

Классификация ЯР:

1) По назначению:

● выработка электроэнергии;

● выработка тепловой энергии;

● транспортное назначение;

● научно – исследовательский;

● космические ЯЭУ;

● наработка делящихся нуклидов.

2) По типу теплоносителя:

● водяные;

● жидкометаллические;

● органические;

● газовые;

● на расплавах солей.

3) По спектру нейтронов:

● на быстрых нейтронах;

● на тепловых нейтронах.

4) По типу замедлителя:

● без замедлителя;

● графит;

● лёгкая вода;

● тяжёлая вода.

5) По количеству контуров:

● одноконтурные;

● двухконтурные;

● трёхконтурные.

6) По составу активной зоны:

● гетерогенные;

● гомогенные.

7) По способу организации движения теплоносителя:

● корпусные;

● канальные.

2. Критическое, надкритическое, подкритическое состояния реактора. Критическая масса.

При k_эф > 1состояние реактора называют надкритическим (δk_эф > 0). При k_эф < 1 состояние реактора называют подкритическим (δk_эф<0). Значению k_эф=0 соответствует критическое состояние реактора (δk_эф = 0).

Состоянию реактора с максимально возможной надкритичностью соответствует состояние с максимальным коэффициентом размножения (k_эф^полн), иначе говоря – состояние со всеми полностью извлеченными из активной зоны реактора поглотителями. При этом запас надкритичности составляет: k_эф= k_эф^полн -1.

Чаще состояние ядерного реактора (ЯР) характеризуют реактивностью – относительным отклонением k_эф от единицы:

что физически представляет собой долю изменения количества нейтронов (делений) в новом поколении по отношению ко всем нейтронам (делениям) этого поколения.

Следует различать «реактивность» и «запас реактивности». Реактивность  – степень отклонения реактора от критического состояния (т.к. k_эф1, то k_эф). Запас реактивности _зап – максимально возможная реактивность при полностью извлеченных из активной зоны реактора поглотителях: _зап=k_эф/ k_эф^полн.

Минимальное количество топлива определенной конфигурации и состава, в котором k_эф=1 (=0), называют критической массой, а соответствующие размеры размножающей среды – критическими размерами.

3. Уравнение баланса тепловых нейтронов. Эффективный коэффициент размножения нейтронов.

Вывод уравнения баланса в диффузионном одногрупповом приближении. Рассмотрим замкнутый объём V. Пусть скорость нейтронов – v, концентрация – N, поток – Ф. (Ф(r, t) = v·N(r, t))

Скорость изменения:

Источник нейтронов:

Слагаемое поглощения:

Утечка из объёма:

, где J – суммарный ток нейтронов.

Тогда уравнение примет вид:

Применив закон Фика (J = –D∇Ф ) получим:

Для установления самоподдерживающейся цепной реакции необходимо, чтобы по крайней мере один нейтрон, образованный в каждом делении, вызывал другое деление. Это условие легко выразить в терминах коэффициента размножения. Размножающие свойства среды бесконечных размеров (утечка отсутствует) характеризуется величиной k_∞ - коэффициентом размножения в неограниченной протяженной однородной мультиплицирующей среде. Коэффициент размножения определяется как отношение числа нейтронов одного поколения к числу нейтронов предыдущего поколения:

k_∞=N₁/N_o.

Другое определение k_∞ - отношение скоростей генерации и поглощения нейтронов:

Для реакторов, в которых основная часть делений осуществляется на тепловых нейтронах, выражение для k_∞ значительно упрощается:

где ν^T_f, Σ^T_f, Σ^T_a – число нейтронов, образующихся в одном акте деления, макроскопические сечения деления и поглощения для тепловых нейтронов, соответственно.

Реальный реактор имеет конечные размеры, поэтому его размножающие свойства характеризующие эффективным коэффициентом размножения нейтронов k_∞, который равен отношению скорости образования нейтронов к сумме скоростей поглощения нейтронов. В символическом реакторе бесконечных размеров утечки нейтронов нет, поэтому k_эф = k_∞. Для реального стационарно работающего реактора с установившимся потоком нейтронов должно выполняться условие критичности: k_эф = 1. Если это условие в реакторе не выполняется, то плотность нейтронов изменяется во времени: при k_эф > 1 возрастает, а при k_эф < 1 уменьшается. Очевидно что относительная утечка нейтронов тем больше, чем меньше геометрические размеры реактора. Действительно, утечка нейтронов пропорциональна площади поверхности реактора S, а рождение – его объему V. Отношение S/V, например для шара равно 3/R, т.е. относительная утечка тем меньше, чем больше радиус. Размеры при которых k_эф становится равным 1 и начинается самоподдерживающаяся цепная реакция, называются критическими. Любой реактор, работающий в стационарном режиме, имеет k_эф = 1, при этом если размеры реактора превышают критические, в него вводят добавочные поглотители, уменьшающие k_∞ и поддерживающие стационарное состояние.

Коэффициент размножения в бесконечной среде не может в полной мере описывать жизненный цикл нейтронов в реакторе, поскольку не учитывает их утечку. В реальном ректоре утечка нейтронов играет большую роль в нейтронном балансе. Поэтому, для реактора конечных размеров вводится эффективный коэффициент размножения

k_эф = k_∞P

где P – вероятность нейтрону избежать утечки

здесь R_погл, R_ут, - интегральные по энергии и объему скорости поглощения и утечки соответственно.