Плотностной эффект реактивности. Зависимость от водо-уранового отношения.

В соответствии с приведенным выше определением плотностной эффект обусловлен зависимостью реактивности от плотности воды или, более точно, раствора борной кислоты- r_т = f(g_н2о) при s = const.

В разделе 2.2 (в частности на рис. 2.3) на основе достаточно общих соображений было показано, что коэффициент размножения среды К_¥ или К_эфф имеет характерную зависимость от отношения ядер N_зам /N_топ или от w.

Оказывается, что эта зависимость К_¥ от w несет в себе гораздо больше информации о свойствах безопасности реакторов типа ВВЭР, об оптимальности использования в них топлива и нейтронов, о воспроизводстве вторичного горючего и еще ряде других характеристик. Поэтому необходимо рассмотреть эти зависимости и характеристики подробнее, особенно с учетом того, что в реакторе находится не просто вода, а раствор борной кислоты и вытеснение его из зоны приводит к особым эффектам.

Уже было отмечено, что зависимость К_¥ от w имеет максимум, при котором топливо и нейтроны используются максимально эффективно. Для чистой холодной воды этот максимум расположен при w_опт»2, следовательно, для энергетических реакторов было бы оптимально выбрать именно такое значение w_опт , и соответствующие этому w шаг решетки и диаметр ТВЭЛ (см. рис. 4.1). И действительно, для реактора ВВЭР-1000 водо-урановое отношение выбрано приблизительно w»1.8. Решетки с w в диапазоне 0.5-1.1. называют тесными (или «недозамедленными»), а решетки с w более 3 - разреженными (или «перезамедленными»).

Сравнение семейства кривых К_¥ при разных концентрациях бора С_В (их можно легко перевести и в концентрации борной кислоты С_Н3ВО3 через коэффициент С_В *5.72 = С_Н3ВО3 ) показывает, что кривые для К_¥ с ростом концентрации бора «проседают» вниз, что естественно, а их максимумы смещаются влево, что крайне важно для безопасности.

От величины w зависит не только характеристика К_¥. Если на график К_¥ наложить график коэффициента воспроизводства вторичного горючего (КВ) от w, то окажется, что это кривая монотонно убывает от значений КВ »0.9 (при w»0.5) до КВ»0.3 (при w»4). Это означает, что в тесных решетках ценой неоптимальности использования топлива можно получать гораздо более высокое воспроизводство вторичного топлива, чем в обычных ВВЭР (где КВ » 0.5). Следовательно, реактор с тесной решеткой будет иметь неоптимальную повышенную топливную загрузку, но удлиненную кампанию с повышенным воспроизводством, что существенно для реакторов специального назначения. Наоборот, при высоких значениях w воспроизводство плутония будет существенно снижено по сравнению с обычным энергетическим реактором ВВЭР.

О свойствах безопасности уран-водных решеток при изменениях плотности воды.

Каким же образом связаны между собой свойства безопасности реактора ВВЭР с изменением плотности раствора борной кислоты при изменениях температуры? Какие диапазоны значений w считать безопасными, а какие- опасными при разогреве реактора?

Если в холодном состоянии решетка имеет выбранное отношение w_хол (здесь и далее под величиной w будет подразумеваться отношение масс или отношение количества ядер т.е. w’ ), то при разогреве и снижении плотности воды ее количество в ячейке будет, естественно, уменьшаться, а значит будет снижаться и значение w(Т). Следовательно, для кривой температурного изменения К_¥ ось температуры будет по направлению противоположному оси w , а начинаться эта ось будет с выбранного значения w_хол. В таком случае по форме эта кривая будет полностью повторять кривую 3.1, но уже в «левой» системе координат или зеркальном отображении (то есть на кривую 4.1 просто нужно посмотреть «с задней стороны листа»). Но для кривой 3.1 уже были определены области опасные и безопасные с точки зрения ядерной безопасности и коэффициентов реактивности. Значит, для кривой 4.1 все значения параметров решетки w_хол , которые лежат левее максимума К_¥ будут безопасны, а все, которые правее максимума –опасны. Действительно, если, например, принять w_хол в чистой воде равным 2.5, то при росте температуры критичность системы начнет расти, а значит, в интервале w(Т) от 2.5 до 2 система является ядерно-опасной. Если же принять w_хол=1.8 , то при любом разогреве она всегда будет только снижать критичность и реактивность.

Следует помнить, однако, что максимумы семейства кривых для разного содержания бора в воде смещаются влево, значит, отношение w_хол действительно безопасное в чистой воде, может быть опасно при концентрации бора 2гБ/кгН2О. Значит, для выбранного в конструкции w_хол необходимо определить предельное значение концентрации бора и борной кислоты, при котором решетка будет всегда обладать свойствами ядерной безопасности, соответствующими ПБЯ РУ АЭС. Из приближенных оценок подобного рода (точные делаются только по специальным расчетным программам) следует, что максимальная безопасная концентрация борной кислоты для реактора ВВЭР-1000 после перегрузки и перед физическим пуском не должна превышать значений 8-8.5 гБК/кгН2О.

Еще раз стоит отметить особые аспекты «правильных», с точки зрения правил ядерной безопасности, плотностных эффектов реактивности, существенные для эксплуатации. При разогреве реактора от комнатной температуры 20 ⁰С к рабочей (270-280 ⁰С), будет наблюдаться потеря запаса реактивности примерно на 2-3b_эф. Наоборот, при расхолаживании реактора с рабочих температур к нормальным, следует ожидать соответствующего возрастания реактивности !

Приведенное выше рассмотрение плотностного температурного эффекта относилось к рабочему диапазону температур (20⁰С –280 ⁰С) и плотностей (g=1.0 –0.75г/см³) реактора. Однако оно не в меньшей, а может быть даже в большей, степени определяет поведение плотностного эффекта и свойства безопасности ВВЭР в аварийных режимах, когда плотность может изменяться в диапазонах g=0.75-0.25-0.0 г/см³ . Для этих режимов также можно заключить, что ядерная безопасность ВВЭР с изменением плотности воды бдет обеспечена.

Рис.4.1 . Плотностной эффект реактивности в ВВЭР.

рис 4.1