Краткие выводы

1. В подкритическом реакторе плотность нейтронов со временем не падает до нуля, а благодаря наличию в активной зоне естественных или искусственных источников нейтронов, независимых от реакции деления, стабилизируется определённом уровне.

2. Величина устанавливающейся плотности нейтронов в подкритическом реакторе определяется величинами:

а) удельной мощности источников нейтронов в реакторе s;

б) среднего времени жизни поколения нейтронов в реакторе l;

в) степенью подкритичности реактора dk_п,

• взаимно связанных зависимостью .

3. Переходные процессы n(t) в подкритическом реакторе представляют собой экспоненциальные переходы от одного (начального) установившегося значения n_у1, соответствующего начальной степени подкритичности dk_п1, до другого (конечного) значения n_у2, соответствующего конечной степени подкритичности dk_п2.

4. По мере приближения реактора к критическому состоянию из подкритического величины устанавливающейся плотности нейтронов в реакторе нарастают всё более и более резко. Это требует от оператора РУ предельной осторожности в процессе уменьшения степени подкритичности при пуске реактора.

5. Время практического установления подкритической плотности нейтронов после изменения степени подкритичности реактора

определяется конечным значением степени подкритичности реактора. Следовательно, по мере приближения к критичности при пуске реактора время стабилизации плотности нейтронов растёт. Это требует от оператора РУ дополнительных мер предосторожности при пуске, заключающихся в осуществлении временных пауз между шагами уменьшения степени подкритичности с тем, чтобы перед каждым шагом уменьшения подкритичности значение плотности нейтронов обязательно стабилизировалось.

Раздел 4. Изменения запаса реактивности при работе реактора

Тема 14.

Понятия общего и оперативного запаса

РЕАКТИВНОСТИ РЕАКТОРА

Энергетический ядерный реактор создаётся для работы на расчётной (номинальной) мощности в течение довольно длительного времени, называемого кампанией активной зоны реактора. Это означает тривиальную истину: в течение всей кампании реактор должен оставаться критичным. Попробуйте представить себе, как создаётся первое критическое состояние реактора: активную зону реактора постепенно заполняют тепловыделяющими сборками до тех пор, пока в ней не начнётся самоподдерживающаяся цепная реакция деления. В этом случае говорят, что в активной зоне набрана первая критическая масса.

Но задайте себе вопрос: долго ли сможет работать реактор с таким количеством загруженного топлива? Вы без посторонней подсказки сообразите: как только небольшая часть загруженного топлива будет истрачена на деления, и на месте разделившихся ядер появятся осколки деления (а все они являются в разной степени поглотителями нейтронов), - реактор станет подкритическим и остановится.

Выходит, что для длительной работы реактора необходимо загружать в его активную зону топливо сверх критического его количества. Но вы уже достаточно искушены и понимаете, что просто так этого делать нельзя, это - опасно: как только вы загрузите в активную зону некоторое сверхкритическое количество топлива, в результате чего реактору будет сообщена положительная реактивность величиной b_э » 0.0064, - реактор станет неуправляемым. Поэтому загружать сверхкритическое количество топлива в реактор следует с одновременной загрузкой в активную зону компенсирующих поглотителей, которые потому так и названы, что служат для компенсации возникающей положительной реактивности при загрузке в активную зону топлива сверх критического его количества. Неважно, каким будет этот компенсирующий поглотитель (подвижные группы стержней, неподвижно размещаемые в активной зоне твёрдые стержни с выгорающим поглотителем или борная кислота, добавляемая в воду первого контура), но процесс загрузки сверхкритического количества топлива в активную зону всегда должен сопровождаться синхронным введением в активную зону соответствующих количеств компенсирующих поглотителей.

Таким образом, загрузка в активную зону сверхкритического количества ядерного топлива приводит к возникновению положительной реактивности, которая сразу же подавляется компенсирующими поглотителями

Общий запас реактивности реактора - это та величина положительной реактивности, которая создаётся за счёт загрузки в активную зону сверхкритического количества ядерного топлива и одновременно нейтрализуется введением в активную зону компенсирующих поглотителей и предназначается для обеспечения требуемой кампании реактора.

Иными словами, общий запас реактивности - это та величина положительной реактивности, которая могла бы быть высвобождена сразу при мысленном (только мысленном!) удалении из активной зоны всех компенсирующих поглотителей.

Общий запас реактивности реактора нужен для поддержания реактора в критическом состоянии при работе его на постоянном уровне мощности в течение всей кампании и для компенсации потерь реактивности реактора в процессе его работы.

Конечно, если представить, что реактор всю кампанию работает на постоянном уровне мощности, то может показаться, что изменения потерь реактивности должны нарастать монотонно и очень медленным темпом. Однако некоторые процессы в реакторе протекают, наоборот, очень быстро и требуют столь же быстрых мер по компенсации возникающих изменений реактивности. Следовательно, в величине общего запаса реактивности должна быть такая его часть, которая позволяла бы оператору (или системе автоматики) быстро реагировать на любые быстропротекающие изменения реактивности реактора и компенсировать их с целью поддержания критического режима работы реактора на заданном уровне мощности. Эта часть ОЗР может компенсироваться только подвижными поглотителями.

Часть общего запаса реактивности, компенсируемая одними подвижными поглотителями в реакторе, называется оперативным запасом реактивности

Оперативной эта часть общего запаса реактивности названа, во-первых, потому, что она находится в распоряжении оператора реакторной установки (перемещением стержней-поглотителей в активной зоне занимается оператор), а, во-вторых, потому, что эти перемещения поглотителей могут производиться достаточно быстро (= оперативно), что и обеспечивает быструю компенсацию изменений реактивности реактора в некоторых переходных процессах.

Величина общего запаса реактивности в продолжение всей кампании активной зоны реактора, уменьшается, но в любой момент кампании она складывается из оперативного запаса реактивности и запасов реактивности, компенсируемых неподвижными (выгорающими) поглотителями и жидким поглотителем (борной кислотой в воде, содержащейся в объёме активной зоны реактора):

r_з^общ(t) = r_з^оп(t) + r_з^вп(t) + r_з^ж(t) (14.1)

Задумаемся ещё над одним вопросом, имеющим очень важное практическое значение: хорошо или плохо иметь большую величину оперативного запаса реактивности?

С одной стороны, вроде бы - неплохо: большой оперативный запас реактивности позволяет скомпенсировать большие режимные потери реактивности в быстропротекающих переходных процессах (и, наоборот, большие режимные высвобождения реактивности).

С другой стороны, опасно: большой (в несколько b_э) оперативный запас реактивности, будучи случайно высвобожденным в результате ошибки оператора, приведёт... (сами понимаете, к чему). Поэтому на большой оперативный запас реактивности следует смотреть как на источник ядерной опасности. Согласитесь, это разумно.

С третьей стороны, большой оперативный запас реактивности - это большое число подвижных поглотителей в активной зоне, перемещение которых в пределах активной зоны вызывает большие изменения неравномерности нейтронного поля (и поля энерговыделения) в объёме активной зоны, что, в конечном счете, ударит по экономичности энергоблока в процессе кампании.

С четвёртой стороны, большое количество подвижных поглотителей требует большого количества и повышения мощности сервоприводов для их групп.

Вот почему в отечественных реакторах типа ВВЭР введено борное регулирование, позволяющее величину оперативного запаса реактивности постоянно поддерживать в пределах, гарантирующих ядерную безопасность реактора (в режимах нормальной эксплуатации в активную зону частично опущена только регулирующая группа с физическим весом, меньшим величины b_э, остальные девять групп поглотителей полностью извлечены из активной зоны; остальная часть общего запаса реактивности компенсируется выгорающими поглотителями (где они есть) и, главным образом, борной кислотой в теплоносителе). К тому же, введение или выведение борной кислоты в воду первого контура практически не изменяет форму нейтронного поля в реакторе, поскольку она в объёме активной зоны распределяется равномерно.

Величины и общего и оперативного запасов реактивности в процессе эксплуатации реактора изменяются благодаря изменениям потерь реактивности в следующих физических процессах:

0. выгорание ядерного топлива - процесс непрерывной убыли количества ядерного топлива вследствие поглощения его ядрами нейтронов; выгорание приводит к снижению запаса реактивности;

1. шлакование ядерного топлива - процесс накопления в работающем реакторе стабильных и долгоживущих продуктов деления, участвующих в непроизводительном поглощении нейтронов и, тем самым, снижающих запас реактивности;

2. воспроизводство ядерного топлива - процесс образования и накопления в работающем реакторе новых типов делящихся ядер, сразу же включающихся в общий цикл размножения нейтронов и, тем самым, повышающих общий запас реактивности;

3. выгорание выгорающих поглотителей - процесс медленного уничтожения первоначально загружаемых в активную зону неподвижных поглотителей за счёт поглощения ими тепловых нейтронов, приводящий к образованию на их месте слабо поглощающих продуктов, вследствие чего запас реактивности высвобождается;

4. отравление реактора - процесс образования в работающем реакторе короткоживущих продуктов деления, участвующих в непроизводительном захвате нейтронов и, тем самым, понижающих запас реактивности при их накоплении и повышающих его при их распаде.

5. изменение концентрации борной кислоты в воде 1 контура - из одного названия можно понять, что увеличение концентрации борной кислоты ведёт к понижению запаса реактивности, а уменьшение - наоборот - к его высвобождению;

6. наконец, уже известные нам, температурные изменения реактивности - при отрицательных температурных коэффициентах реактивности топлива и теплоносителя повышение температур этих элементов ведёт к понижению запаса реактивности, а понижение температур - к высвобождению запаса реактивности.

Закономерности изменений запаса реактивности реактора во всех этих процессах (кроме последнего) нам и предстоит рассмотреть в данном разделе.