Конструктивные и физические особенности реактора СМ-3

Высокопоточный исследовательский реактор СМ-3 [5.20] предназначен для производства радионуклидных препаратов и выполнения исследований по радиационному материаловедению и ядерной физике. Широкий круг проводимых исследований, для которых необходим как жесткий энергетический спектр нейтронов (испытания конструкционных материалов), так и наличие нейтронов тепловых энергий с высокой плотностью потока (накопление трансурановых элементов, производство радионуклидов с высокой удельной активностью, испытания топливных композиций), потребовал при проектировании реактора специальной компоновки активной зоны. В центре реактора расположена нейтронная ловушка - полость для размещения облучаемых мишеней, заполненная эффективным замедлителем нейтронов. Нейтронная ловушка окружена кольцом активной зоны с высокой концентрацией делящегося вещества и относительно небольшой концентрацией ядер замедлителя, в качестве которого выбрана легкая вода (отношение ядерных концентраций водорода и ²³⁵U, r_н/r5_u » 30). Вода служит также теплоносителем. В активной зоне такого типа образуется жесткий энергетический спектр нейтронов. Высокоэнергетичные нейтроны, вылетая из активной зоны, замедляются до тепловых энергий в нейтронной ловушке и боковом отражателе, которым со всех сторон окружена активная зона. В ловушке достигается максимальная плотность потока тепловых нейтронов. В отражателе плотность потока тепловых нейтронов существенно меньше, чем в ловушке, из-за разницы геометрических соотношений. Боковой отражатель реактора выполнен из бериллия, обеспечивающего больший коэффициент отражения и большую площадь миграции нейтронов по сравнению с водой. В отражателе размещены экспериментальные каналы.

В реакторах ловушечного типа полезно используемые нейтроны образуются за счет утечки нейтронов деления из активной зоны, поэтому толщина кольцевого топливного слоя должна быть небольшой, а плотность деления в ней - по возможности максимальной. Первое условие достигается применением высокообогащенного топлива (90% ²³⁵U), а второе - использованием твэлов специальной конструкции, выдерживающих большое удельное энерговыделение и обеспечивающих эффективный отвод тепла. В качестве топливного элемента для реактора СМ-3 выбран твэл стержневой конструкции, имеющий крестообразное сечение. Топливо в виде крупки диоксида урана, диспергировано в металлическую матрицу, состоящую из меди с добавлением бериллиевой бронзы. Оболочка твэла - нержавеющая сталь. Твэл такой конструкции имеет развитую поверхность теплосъема, обладает хорошей теплопроводностью топливного сердечника, оболочка выдерживает высокие температуры. Поэтому в активной зоне реактора СМ-3 среднее удельное энерговыделение составляет 2000 кВт/л, а максимальное достигает 10000 кВт/л (максимальный тепловой поток с поверхности твэла » 15 МВт/м²) [5.20]. Жесткий энергетический спектр нейтронов в активной зоне позволяет использовать твэлы с медной матрицей и стальной оболочкой без существенного ухудшения баланса нейтронов за счет вредного поглощения в этих материалах.

Используемое в реакторе СМ-3 исполнение нейтронной ловушки выбрано из условий накопления калифорния –252. Для решения этой задачи более производительным оказался блочный вариант в виде ЦБТМ [5.9] с вытеснением части воды материалом с меньшей замедляющей способностью (бериллием) и формированием оптимального для указанной выше задачи нейтронного спектра с максимальным потоком резонансных и умеренной плотностью потока (в пределах (1¸1,5)×10¹⁵ см^-2с^-1) тепловых нейтронов. Выход калифорния-252 на грамм облучаемых изотопов кюрия увеличивается по сравнению с канальной водяной ловушкой на ~ 40%. На рис.5.6 представлено радиальное распределение плотности потока нейтронов и радиационного энерговыделения в реакторе СМ-3. Подробные сведения о распределении потока нейтронов в реакторе и спектральные характеристики приведены в [5.21].

Для обеспечения достаточно продолжительной работы высокопоточного реактора на заданном уровне мощности он должен иметь значительный запас реактивности, поскольку только для компенсации стационарного отравления топлива ¹³⁵Хе необходимо не менее 4% Dk_эф/k_эф , а малый объем активной зоны при высоком удельном энерговыделении приводит к большому темпу потери реактивности на выгорание. Для компенсации начального запаса реактивности необходимы компенсирующие органы достаточной эффективности. В небольшой активной зоне достаточно непросто найти место для размещения органов СУЗ. В реакторе СМ-3 для этого в значительной мере используется объем нейтронной ловушки. В бериллиевых вкладышах размещены четыре РО аварийной защиты. При работе реактора они извлечены из активной зоны и не снижают плотность потока нейтронов в ловушке, но обладают высокой эффективностью, поскольку при сбросе поглотитель вводится в область максимального нейтронного потока. В центральной полости располагается также кольцевой высокоэффективный компенсирующий орган (ЦКО), предназначенный для компенсации снижения реактивности в начале кампании за счет температурных эффектов и, частично, отравления топлива ¹³⁵Хе. ЦКО уже в первые часы работы реактора на номинальной мощности извлекается из активной зоны и поэтому практически не экранирует мишени с облучаемыми материалами в центральной полости реактора. Четыре компенсирующих органа (КО), предназначенные для компенсации снижения реактивности при выгорании топлива и окончательном отравлении продуктами деления, расположены в угловых ячейках активной зоны. Для увеличения эффективности КО конструктивно выполнены из двух частей. Верхняя часть набрана из поглощающих элементов, размещенных по сторонам квадрата, имеющего размеры реакторной ячейки, в качестве нижней используют штатную топливную сборку. РО автоматического регулирования (АР) должны иметь небольшую эффективность, поэтому расположены в боковом отражателе.

Реализация концепции ловушечного реактора привела к очень большой неравномерности распределения энерговыделения в активной зоне реактора СМ-3. Увеличение плотности потока тепловых нейтронов на границе активная зона - отражатель и, особенно, активная зона - ловушка нейтронов приводит к тому, что плотность деления в твэлах, расположенных на этих границах, существенно выше, чем в среднем по зоне. Объемный коэффициент неравномерности в реакторе достигает 5,6 [5.22].

У реактора СМ-3 органы СУЗ не компенсируют запас реактивности активной зоны, полностью загруженной свежим топливом. Вследствие этого, а также для повышения эффективности использования топлива применяется режим частичных перегрузок ТВС в активной зоне [5.20, 5.23]. Одновременно перегружаются не все топливные сборки, а некоторая их часть, поэтому в активной зоне постоянно находятся ТВС с различным выгоранием. Это позволяет уменьшить начальный запас реактивности и снизить требования к необходимой эффективности органов СУЗ. С другой стороны, режим частичных перегрузок приводит к тому, что распределение энерговыделения в активной зоне не является фиксированным. Оно меняется в некоторых пределах от кампании к кампании. В течение кампании распределение энерговыделения в активной зоне также меняется вследствие изменения объема активной зоны, за счет ввода топливных подвесок КО, неравномерного выгорания топлива и накопления продуктов деления с большим сечением поглощения нейтронов.

Как и для любого другого исследовательского реактора, существенное влияние на физические характеристики активной зоны реактора СМ-3 оказывают экспериментальные устройства.

Описанные особенности реактора СМ-3 определили его нейтронно-физические характеристики. Ниже приводятся факторы влияния и пределы изменения таких важных для безопасности реактора характеристик, как эффекты реактивности, эффективность органов СУЗ, распределение энерговыделения.

В табл. № 5.6 приведены основные паспортные и проектные физические характеристики реактора СМ-3, уточненные по результатам физического и энергетического пусков, а также опыта его эксплуатации в течение пяти лет после реконструкции 1991¸1992 гг.

Таблица № 5.6

Основные физические характеристики активной зоны реактора СМ-3

Наименование параметра	Значение
Номинальная мощность реактора, МВт
Максимальная плотность потока тепловых нейтронов, достигаемая в нейтронной ловушке активной зоны реактора, н/(см2 ´ с)	1,7·1015
Активная зона реактора: эффективный диаметр, см высота, см количество ячеек для рабочих ТВС топливо   замедлитель	квадрат 42´42 UO2, 90% обогащения по 235U Н2О
Коэффициент неравномерности энерговыделения: по высоте активной зоны по сечению активной зоны по сечению ТВС, прилегающей к ЦЗП объемный	1,25 2,16 2,06 5,56
Среднее выгорание топлива по объему активной зоны, %: в начале кампании в конце кампании	15¸18 19¸22
Максимальный запас реактивности при среднем выгорании топлива 15%, bэф
Суммарная эффективность органов СУЗ в состоянии активной зоны с максимальным запасом реактивности, bэф
Максимальная эффективность органов СУЗ, bэф: АЗ (одного) ЦКО КО (одного) АР (одного)	1,5 4,5 3,5 0,4
Эффективная доля запаздывающих нейтронов	0,00755
Время жизни мгновенных нейтронов, с	6,6·10-5
Подкритичность активной зоны при взведенных органах АЗ в состоянии активной зоны с максимальным запасом реактивности, Dk/k	не менее 0,01
Мощностной коэффициент реактивности при рабочих параметрах активной зоны,	-(3±1)·10-5