Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

КузминАМ Основы теории критичности 2008

.pdf
Скачиваний:
193
Добавлен:
16.08.2013
Размер:
1.51 Mб
Скачать

где

a =

 

rk+(1/ 2)

 

zl

,

b =

 

 

 

k

, f = q

 

W ,

k ,l

 

 

~

 

 

 

k,l

 

 

~

 

V

 

k ,l

k ,l

 

k ,l

 

 

 

 

rk+(1/ 2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Σ k+(1/ 2),l

 

 

 

 

3 Σ k ,l+(1/ 2) zl+(1/ 2)

 

 

 

 

 

 

pk ,l = ak ,l +bk ,l

+ ck ,l

+ dk ,l + Σ k ,l

Wk ,l ,

 

 

(2.72)

а коэффициенты ck ,l , dk ,l принимают значения:

 

 

 

 

c1,l

 

= 0,

ck ,l

=

 

~ rk (1/ 2)

zl

,

k = 2,3,,

l =1,2,,

 

 

3

rk (1/ 2)

 

 

 

 

 

 

 

Σ k (1/ 2),l

 

 

 

 

 

 

 

dk ,1

= 0,

dk ,l

=

 

~

 

Vk

 

zl (1/ 2)

,

k =1,2,,

l = 2,3,.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Σ k ,l (1/ 2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнения (2.71) вместе с условиями (2.70) на

экстраполированных

границах

образуют

систему

из

 

NM

линейных алгебраических уравнений с таким же числом неизвестных. Каждое уравнение помимо потока φk ,l в точке

(rk , zl ) содержит потоки в четырёх ближайших узлах двумерной

сетки разбиения. Только в уравнениях, записанных при значениях k =1, l =1,2,или для значений l =1, k =1,2,, число

неизвестных меньше. Поэтому сразу нельзя воспользоваться методом прогонки. Однако, если ввести в рассмотрение вектор φk с

компонентами

φk ,1 , φk ,2 ,,φk ,M 1 ,

то система уравнений

(2.71)

преобразуется к виду:

 

 

 

 

 

ˆ

ˆ

ˆ

= −F1 ,

 

 

 

 

 

A1 φ2

B1

φ1

 

 

 

 

 

ˆ

 

ˆ

ˆ

 

 

k = 2,3,,N 1 ,

(2.73)

Ak φk+1 Bk

φk +Ck φk1 = −Fk ,

где элементы векторов

Fk ,

 

ˆ

ˆ

и трёх

диагональных матриц Ak , Ck

диагональных

матриц

ˆ

непосредственно выражаются

через

Bk

коэффициенты (2.72).

Теперь каждое уравнение становится «трехточечным», связывая значения неизвестных векторов в 3-х подряд стоящих узлах. Это позволяет для решения системы уравнений (2.73) применить метод матричной факторизации.

Следуя изложенному в разделе 2.4 алгоритму и заменяя алгебраические операции матричными, запишем:

51

φ

k+1

= μˆ

k

φ

k

θ

k ,

φ

k1

= μˆ

1

φ

+θ

k1 ) , k

=

2,3,. (2.74)

 

 

 

 

 

 

k

( k

 

 

Подставив в уравнения (2.73) вместо φk+1 , φk1 выражения (2.74),

придём к следующим формулам для нахождения μˆk , θk :

ˆ 1

ˆ

,

ˆ 1

F1

,

(2.75)

μˆ1 = A1

B1

θ1 = A1

ˆ 1

ˆ

ˆ

1

) ,

ˆ 1

 

ˆ

1

θk1 ) , k = 2,3,

μˆk = Ak

(Bk Ck μˆk

θk = Ak

(Fk +Ck μˆk

Рассчитав μˆk , θk

(k =1,2,, N 1)

по формулам (2.75) и приняв

φN = 0 , получим остальные вектора φN 1 , φN 2 ,,φ1 , используя соотношения (2.74).

Из равенств (2.74), (2.75) следует, что помимо сравнительно

несложных операций вычисления диагональных матриц ˆ 1

Ak ,

сложения и перемножения матриц приходится находить обратные матрицы μˆk1 . Поскольку μˆk относятся к матрицам общего вида и имеют большую размерность (равную числу узлов M 1), то получение μˆk1 для всех точек k =1,2,, N 1 занимает много

времени, а их хранение – большой объём памяти ЭВМ. Поэтому метод матричной факторизации не нашёл широкого применения при расчётах распределений нейтронов в 2- и 3-мерных геометриях. Обычно используют итерационные методы решения уравнений (2.71).

Самым несложным, с точки зрения организации вычислений, является метод простой итерации. Он базируется на использовании важного свойства коэффициентов в уравнениях (2.71):

λ

=

ak ,l +bk ,l +ck ,l + dk ,l

 

<1,

(2.76)

 

k ,l

 

pk ,l

 

 

 

 

 

 

которое имеет место, поскольку Σ k ,l

> 0 . Поэтому предлагается

на каждой итерации t сумму ak ,l φk+1,l +bk ,l φk ,l+1 +ck ,l φk1,l + dk ,l φk ,l1

оценивать на потоках с предыдущей итерации. В результате приходят к следующей схеме:

р

φ(t ) = f

k ,l

+ a

k ,l

φ(t1)

+b

φ(t1)

+ c

k ,l

φ(t1)

+ d

k ,l

φ(t1)

,

(2.77)

k ,l

k ,l

 

k+1,l

k ,l

k ,l+1

 

k1,l

 

k ,l1

 

 

52

где φk(t,l) – значения потоков в точках двумерной сетки на итерации t =1,2,, а φk(0,l) – любые неотрицательные числа.

Итерационная схема (2.77) расчёта потоков всегда сходится [10]. Однако, если отношение (2.76) не очень сильно отличается от

единицы, то приходится проводить много итераций. Поэтому обычно используют различные методы ускорения сходимости. Остановимся лишь на некоторых приёмах, связанных с иным способом организации вычислений.

Если предположить, что итерации по схеме (2.77) сходятся монотонно, то можно ожидать более быстрое продвижение к

искомому решению, используя при определении φk(t,l) информацию

о потоках, полученных на той же итерации, но для других точек. Тогда итерационная схема принимает вид:

p

φ(t ) = f

k ,l

+c

k ,l

φ(t )

+ d

k ,l

φ(t )

+ a

k ,l

φ(t1)

+b

φ(t1) .

(2.78)

k ,l

k ,l

 

k1,l

 

k ,l1

 

k+1,l

k ,l

k ,l+1

 

Здесь принято, что для горизонтального ряда точек (с одним и тем же значением l) расчёт потоков ведётся в направлении роста k, а переход к следующему ряду всегда сопровождается увеличением l на единицу.

В двумерных задачах с простой прямоугольной сеткой часто используется метод переменных направлений. В основе метода лежит переход на каждой итерации к 3-точечным уравнениям

относительно φk+1,l , φk ,l , φk1,l (или φk ,l+1 , φk ,l , φk ,l1 ), которые могут быть решены методом прогонки. При этом считается, что

слагаемые bk ,l φk ,l+1 , dk ,l φk ,l1 (или ak ,l φk+1,l , ck ,l φk1,l ),

учитывающие перемещения нейтронов вдоль оси z (или r), получены на потоках из предыдущей итерации.

Пусть φk(t,l) , φk(t,l+(0.5)) – значения потоков в итерациях с номерами t и t + (0.5) , где: t + (0.5) – условное обозначение номера

итерации между t и t +1. Тогда итерационную схему получения потоков можно представить как последовательное решение двух систем уравнений:

a

k ,l

φ(t )

p

k ,l

φ(t ) +c

k ,l

φ(t )

= − f

k ,l

b

φ(t(0.5))

d

k ,l

φ(t )

, (2.79)

 

k+1,l

 

k ,l

k1,l

 

k ,l

k ,l+1

 

k ,l1

 

53

bk ,l φk(t,l++(10.5)) pk ,l φk(t,l+(0.5)) + dk ,l φk(t,l+(10.5)) = − fk ,l ak ,l φk(+t )1,l ck ,l φk(t+1,(l0.5)) .

(2.80)

Предполагается, что при рассмотрении системы (2.79) уравнения решаются для горизонтального рада точек, начиная с ряда l =1, а при рассмотрении системы (2.80) – для вертикального ряда, начиная с ряда k =1 . В качестве начальных значений

принимаются любые φk(0,l.5) 0 .

Глава 3. МЕТОДЫ РАСЧЁТА ПРОСТРАНСТВЕННОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НЕЙТРОНОВ

В односкоростном диффузионном приближении принималось, что диффузия, рождение и поглощение нейтронов происходит при одной и той же энергии. На самом деле появляющиеся в окрестности какой-либо точки r активной зоны нейтроны деления в процессе упругих и неупругих столкновений с ядрами теряют энергию, удаляются от места рождения, а часть из них может поглотиться или выйти за пределы зоны прежде, чем вызовут деления ядер топлива. Такой переход нейтронов из одной зоны в другую совместно с другими процессами отражается на скорости протекания цепной реакции деления, пространственных распределениях φ(r, E) нейтронов разных энергий E и физических

характеристиках реактора.

3.1. Реактор без отражателя в диффузионно-возрастном приближении

Оценим влияние перечисленных выше факторов на величину эффективного коэффициента размножения Кэф и асимптотический

поток φ(r, E) в реакторе без отражателя, распределение нейтронов

в котором находится в диффузионно-возрастном приближении. В этом приближении выделяются два интервала энергий:

Ec < E < E0 – для замедляющихся нейтронов и 0 E Ec – для тепловых нейтронов, где E0 и Ec – условные верхние границы для

54

замедляющихся и тепловых нейтронов (часто Ec совпадает с

энергией сшивки спектров Максвелла и Ферми). Наряду с понятиями, принятыми в главе 2, используются:

- летаргия нейтронов u = ln EE0 , где E0 – заранее выбранное

(обычно максимально возможное) значение энергии;

- ступенька замедления l = E(1εl ) - наибольшее изменение энергии нейтрона при одном столкновении с ядром сорта l, если

 

Ai

1

 

2

 

 

 

 

,

Ai

A

+1

до столкновения он имел энергию E, εi =

 

 

i

 

 

 

 

 

атомная масса ядра;

-замедляющая способность среды ξΣs , где ξ – средняя логарифмическая потеря энергии при одном столкновении нейтрона в смеси ядер;

-возраст нейтронов τ , соответствующий энергии E (или летаргии u ):

E0

dE

u

 

 

τ =

D(E )

 

=

D(u )

du;

(3.1)

E

 

0

 

 

E ξΣs (E )

 

 

ξΣs (u )

 

 

- плотность замедления j(r ,u) , равная числу замедляющихся нейтронов, находящихся в единичном объёме в окрестности точки r и переходящих в единицу времени из области

u′ < u в область u′′ > u :

u

 

j(r,u) = Σs (u)φ0 (r,u) Ws (u′ → u′′) du′′ du.

(3.2)

0

u

 

Ограничимся рассмотрением реактора достаточно больших размеров, в котором размножение нейтронов происходит в основном за счёт деления ядер топлива нейтронами низких энергий. Будем также считать, что:

-все нейтроны деления появляются с одной и той же энергией Emax > E0 , а в качестве E0 выбрана условная энергия порога

деления сырьевого материала;

55

- плотность замедления j(r , E0 ) может быть представлена в виде:

 

E0

 

 

j(r , E0 ) =μ ν f Σf (E)φ0 (r , E) dE ,

(3.3)

 

0

μ как отношения

что соответствует определению коэффициента

числа

нейтронов, замедлившихся за порог

E = E0 , к числу

нейтронов, появившихся за счёт деления ядерного горючего нейтронами с энергиями 0 E E0 ;

- замедление нейтронов происходит в основном за счёт упругих столкновений с ядрами, имеющими небольшие значения l ;

- упругое рассеяние нейтронов сферически симметрично в системе центра масс и плотность вероятности рассеяния равна

 

1

,

E [εl E, E]

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

Ws,l (E′ → E) = E(1 εl )

 

E [εl E, E]

 

 

 

0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

либо (если рассматривать в шкале летаргии):

 

 

(3.4)

exp(u′−u)

, u [u, u′+δl

]

 

 

 

 

,

Ws,l (u′ → u) = 1 εl

 

u [u, u′+δl ]

 

0,

 

 

 

 

 

где δl = −ln(εl ) – ступенька замедления в шкале летаргии;

- сильное (резонансное) поглощение нейтронов сосредоточено при значении Е = Ес и учитывается с помощью коэффициента ϕ

вероятности избежать резонансного поглощения (тогда в уравнении (1.18) учитывается лишь слабое поглощение нейтронов).

Энергетическое распределение замедляющихся нейтронов удобно описывать в функции летаргии. В этом случае уравнение (1.18) удаётся (в возрастном приближении) привести к более

простому виду [2], выполнив следующие преобразования.

Во-первых, дифференцируя равенство (3.2) по летаргии u , получим:

j(r ,u)

u

= Σs (u)φ(r ,u) Ws (u u′′) du′′ − Σs (u)Ws (u′ → u)φ(r ,u) du,

u

u

0

56

где Ws (u u′′) du′′ =1, так как при столкновениях с ядрами

u

нейтроны теряют энергию и летаргия u u′′ < ∞ . Тогда интеграл Qs = Σs

E

u′′примет одно из значений

(E)Ws (E′ → E)φ(r , E) dE

будет равен разности Q

= Σ

s

(u)φ(r ,u)

j(r ,u)

,

а уравнения

 

s

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

(1.18) примут вид:

 

 

j(r ,u)

 

 

 

 

divJ (r ,u) + Σa (u)φ(r ,u) +

= 0 ,

 

(3.5)

 

 

 

u

 

 

 

 

J (r,u) = −D(u) gradφ(r ,u) .

При этом учтено, что в области 0 u uc не появляются нейтроны

деления и нет внешних источников нейтронов.

Во-вторых, упростим выражение (3.2), считая, что плотность столкновения Σs (u)φ(r,u) непрерывна и слабо меняется на

интервале δl

= −lnεl . В

этом

случае, записывая

вместо (3.2)

равенство

 

 

 

 

 

u

 

u′+δl

 

j(r ,u) = Σs,l (u) φ(r ,u)

Ws,l (u′ → u′′) du′′ du

l

u δl

 

u

 

и принимая

Σs,l (u)φ(r ,u) ≈ Σs,l (u)φ(r ,u) при u δl u′ ≤ u ,

получим:

 

u u′+δl

 

 

 

 

j(r,u) Σs,l (u)φ(r , u) ∫ ∫Ws,l (u′ → u′′) du′′ du′ =

l

 

uδl

u

 

=ξΣs (u)φ(r, u) .

 

(3.6)

 

u

u′+δl

 

+ εl lnεl

ξΣs = ξl Σs,l , ξl = ∫ ∫Ws,l

(u′ → u′′) du′′du′ =1

l

u δl

u

 

1 εl

В результате в области

0 u uc уравнение (1.18) для потока

замедляющихся нейтронов φ(r ,u) примет вид:

 

57

D(τ)

D(u) φ(r ,u) − Σa (u)φ(r ,u) = (ξΣus φ) .

Учитывая определение (3.1) возраста нейтронов и соотношение (3.6), его обычно записывают в форме:

j(r ,τ)

1

j(r ,τ) =

j(r ,τ)

,

(3.7)

2

τ

 

Lτ

 

 

 

где Lτ2 = Σa (τ) – квадрат длины диффузии нейтронов возраста τ .

При нахождении распределения тепловых нейтронов следует учитывать, что они в результате упругих столкновений с находящимися в тепловом движении ядрами могут как потерять, так и приобрести энергию. Поэтому плотность вероятности

рассеяния Ws (E′ → E) описывается более сложной по сравнению

с (3.4) функцией, зависящей от особенностей связей атомов в молекулах и кристаллах. Это сильно затрудняет получение потока

φ(r , E) при энергиях 0 E Ec . В дальнейшем ограничимся простым приближённым способом, заключающимся в следующем.

Известно [2], что в бесконечной среде без поглощения распределение тепловых нейтронов по энергиям описывается спектром Максвелла M (E,T ) и выполняется принцип детального равновесия для потока Φ(E,T ) =υ(E) M (E,T ) :

Σs (E)Ws (E′ → E) Φ(E,T ) = Σs (E)Ws (E E) Φ(E,T ) , (3.8)

где T – температура среды. Можно предположить, что в реакторе больших размеров при слабом поглощении распределение нейтронов по энергиям будет мало отличаться от спектра Максвелла по форме, но окажется сдвинутым в сторону больших энергий. Этот сдвиг происходит потому, что нейтроны не успевают прийти к тепловому равновесию из-за поглощения. В области

энергий

0 Е Ес микроскопические сечения поглощения

σa,l (E)

тяжёлых ядер топлива меняются по закону, близкому к

виду:

 

 

 

 

σa,l (E) = σa,l (E(0) )

E(0)

,

 

 

 

 

E

58

где Е(0) – фиксированное значение энергии, а σa,l (E) – сечение

поглощения нейтронов ядрами сорта l . Указанное смещение будет тем больше, чем больше среднее сечение поглощения Σa,T

тепловых нейтронов и чем меньше замедляющая способность

среды ξ Σs .

Учитывая известное соотношение между энергией и температурой (E = kT ) , вводят в рассмотрение эффективную

температуру нейтронов Тн :

н= Т 1 + аξΣΣа,Т (3.9)

s

иописывают энергетическое распределение нейтронов функцией

M (E,Tн) . В выражении (3.9): a – коэффициент, зависящий от связей атомов в веществе. Таким образом, приходят к представлению потока нейтронов φ0 (r, E) в области энергий

0 E Ec в форме:

 

φ(r, E) =υ(E) M (E,Tн)ψT (r ) .

(3.10)

Представим в уравнении (1.18) интеграл

рассеяния

Qs (E) = Σs (E)Ws (E′ → E)φ(r, E) dEв виде суммы

 

E

 

Qs (E) = Qs,1 (E) + Qs,2 (E) , где слагаемые имеют вид:

 

Ec

 

Qs,1 (E) = Σs (E)Ws (E′ → E)φ(r, E) dE,

 

0

 

E

 

Qs,2 (E) = 0 Σs (E) Ws (E′ → E)φ(r , E) dE.

 

Ec

 

Здесь первое слагаемое отвечает за появление нейтронов с энергией E в результате упругих столкновений тепловых нейтронов, а второе – в результате столкновений замедляющихся нейтронов. После этого проинтегрируем уравнение (1.18) по E в

пределах 0 E Ec . Считая, что

вероятность тепловым

нейтронам при столкновениях с ядрами приобрести энергию

59

E′ > Ec ничтожно мала, а также

принимая во внимание

соотношения (3.4), получим:

 

Ec Qs,1(E) dE = Ec Σs (E)φ(r , E) EcWs (E E) dEdE = Ec Σs (E)φ(r , E) dE ,

0

0

 

 

 

 

 

0

0

 

(3.11)

E

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ec εl E

 

 

 

0 Qs,2 (E) dE = l

Σs,l (E)φ(r , E)

dE′ = j(r, Ec ) ,

(3.12)

 

Ec

l

Ec

 

 

 

E(1εl )

 

 

 

Ec

 

 

 

 

Ec

 

 

 

 

div J (r, E) dE Σa (E)φ(r , E)dE +ϕ j(r , Ec ) = 0

,

(3.13)

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ec

 

 

 

 

 

 

где

 

,

 

 

, концентрация ядер сорта l ,

σs,l (E)

 

 

El = min E0

 

εl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

соответствующее микроскопическое сечение рассеяния и учтено,

что из

j(r , Ec )

нейтронов тепловыми становится лишь ϕ j(r , Ec )

нейтронов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введём в рассмотрение усреднённые по потоку υ(E) M (E,Tн)

сечения

 

DT , Σa,T , ν f ,T Σf ,T и скорость υT тепловых нейтронов

(подробнее об усреднении сечений говорится в разделе 3.2):

 

 

1

 

Ec

 

 

 

1

 

Ec

 

 

 

 

 

 

DT =

 

D(E)υ(E) M (E,Tн ) dE, Σa,T =

 

Σa (E)υ(E) M (E,Tн ) dE,

F

 

F

 

T

0

 

 

Ec

 

 

T

0

 

 

1 Ec

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

ν f ,T Σf ,T =

 

 

ν f Σf (E)υ(E) M (E,Tн ) dE,

 

 

 

=

 

 

M (E,Tн ) dE,

F

υ

T

F

 

 

 

 

T

0

 

 

 

 

 

 

 

T

0

(3.14)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ec

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

FT = υ(E) M (E,Tн) dE .

Тогда

 

 

 

уравнение

(3.13)

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

преобразуется к виду:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

DT

φТ (r ) − Σa,T φТ (r ) + ϕ j(r ,τc ) = 0 .

 

(3.15)

60