В) Влияние отравления на реактивность
Отравление реактора приводит к уменьшению коэффициента размножения. В формуле четырех сомножителей претерпевает заметное изменение только коэффициент использования тепловых нейтронов θ. Можно считать, что отравление не приводит к изменению рассеивающих свойств активной зоны реактора, так как концентрация продуктов отравления сравнительно невелика. Поэтому возраст нейтронов τ, а значит, и утечка быстрых нейтронов в процессе замедления практически не зависят от отравления. Длина диффузии тепловых нейтронов L уменьшается ввиду появления добавочного поглотителя, и вероятность избежать утечки тепловых нейтронов 1/(1+B2L2) увеличивается. Однако в больших реакторах значение l+B2L2 близко к единице, и поэтому изменением утечки тепловых нейтронов также можно пренебречь. Достаточно с хорошим приближением можно считать, что зависимость эффективного коэффициента размножения ρэф от отравления определяется изменением величины θ. Если обозначить через θ коэффициент использования тепловых нейтронов в неотравленном реакторе, а через θ' то же, но в отравленном реакторе, то для гомогенной смеси в начале компании, когда концентрация шлаков еще мала, можно записать
θ = SU/(SU + Sз); θ' = SU/(SU + Sз + Sотр)
или
θ =1/(1+qз); θ =1/(1+qз+qотр)
где SU, Sз и Sотр – сечения поглощения в ядерном топливе, замедлителе и в отравляющих веществах соответственно.
Если обозначить: kэф – эффективный коэффициент размножения неотравленного реактора, а k'эф – эффективный коэффициент размножения отравленного реактора, то, имея в виду пропорциональность kэф и q, можно записать
(6.17)
Предположим, что коэффициент размножения неотравленного реактора kэф = 1, тогда левая часть последнего выражения по определению представляет собой потерю реактивности ρ за счет отравления, т. е.
(6.18)
Если относительное поглощение в замедлителе мало, то приближенно можно записать
(3.65)
т.е. в гомогенных реакторах с замедлителем, слабо поглощающим нейтроны, реактивность уменьшается приблизительно на значение отравления.
В гетерогенных реакторах суммарная относительная потеря нейтронов увеличивается за счет наличия в активной зоне конструкционных материалов и ее можно записать в виде q = q3 + qк + qотр. Однако первые два слагаемых представляют собой константы и изменение реактивности в переменных режимах, обусловленное отравлением, определяется выражением.
В качестве примера, иллюстрирующего влияние отравления на реактивность, рассмотрим пуск реактора со свежим урановым топливом 3%-ного обогащения с последующей работой его в переменных режимах на различных уровнях мощности и выключением реактора. Будем предполагать, что номинальный уровень мощности соответствует плотности потока нейтронов ф=1014 нейтр/(см2×с).
На рис. 6.1 (а и б) показано изменение реактивности вследствие нестационарного отравления ксеноном для двух вариантов последовательности изменения мощности. В первом случае (рис. 3.11 а) реактор выводится на 50%-ный уровень номинальной мощности, после чего идет сброс нагрузки на уровень 30%, а затем реактор выводится на номинальную мощность. Продолжительность работы на каждом уровне мощности составляет не менее 2 сут, вследствие чего на каждом из них после всплеска или провала отравления достигается равновесное значение. В соответствии с этим как зеркальное отображение изменяется и реактивность. Выключение реактора осуществляется с номинального уровня мощности, соответствующего плотности потока нейтронов Ф=1014 нейтр/(см2×с). При этом всплеск отравления и соответствующий провал реактивности достигают 14,6%. Максимум отравления, а соответственно и максимальный провал реактивности находятся в интервале 8–10 ч после выключения реактора.
Поэтому если реактор работает по суточному графику (с выключением его в ночное время), то к моменту очередного пуска он попадает в максимальный провал реактивности (йодную яму) и пуск его возможен только при наличии соответствующего запаса реактивности и компенсирующих средств. Указанный избыток реактивности далеко не всегда может быть обеспечен.
На рис. 3.11,6 показано изменение реактивности в связи с отравлением реактора ксеноном в нестационарных условиях с тем же набором уровней мощности, но иной последовательностью перехода с одного уровня на другой. Как видно из рис. 3.11.б, решающим является уровень мощности, с которого производится выключение реактора. Чем ниже мощность до выключения, тем меньше йодная яма. В данном случае провал реактивности на интервале всего цикла работы уменьшился в 2 раза
.
Рис. 6.1. Изменение реактивности ρХе и отравления ксеноном qХе после пуска реактора со свежим урановым топливом 3%-ного обогащения с последующейработой его в переменных режимах на различных уровнях мощности (плотности потока нейтронов Ф) вплоть до полного выключения в конце работы: а – выключение с номинальной мощности (Ф=1014 нейтр/(см2×с)), б – выключение с 30%-ного уровня мощности (Ф=3×1013 нейтр/(см2×с)).
Заметим, что указанная на рис. 3.11а и 3.11б продолжительность работы реактора может укладываться в недельный цикл с выключением реактора в субботний день. В этом случае необходимость запуска реактора в понедельник снимает проблему йодной ямы, так как провал реактивности приходится на нерабочий воскресный день. Что же касается суточного графика работы, то проблема йодной ямы очевидна. Особенно остро возникает она перед выключением, если номинальный уровень мощности реактора соответствует сравнительно высокой плотности потока нейтронов, примерно 1014 нейтр/(см2×с).
Как уже отмечалось, проблема в этом случае либо снимается полностью, либо существенно уменьшается, если перед полным выключением ведется последовательное снижение мощности. Однако при работе по суточному графику это практически неосуществимо, так как на каждый этап снижения мощности, а вместе с этим и выход на новый уровень равновесного отравления, реактора требуются не часы, а десятки часов. В этом случае для уменьшения йодной ямы можно использовать иную последовательность операций по выводу реактора из работы.
Имея в виду тот факт, что концентрация ксенона весьма чувствительна к изменению плотности потока нейтронов, можно существенно уменьшить максимальное отравление после полного выключения реактора, осуществляя целенаправленное изменение величины Ф поочередно в меньшую и большую стороны.
В данном случае плотность потока нейтронов составляет четвертую часть ее номинального значения, при которой реактор работал до выключения, т.е. Ф = 0,25Ф0. На этом уровне мощности реактор выдерживается на протяжении нескольких часов (~ 5 ч), после чего мощность поднимается до номинального уровня и выдерживается на нем до времени которое можно назвать управляемым временем при выводе реактора из работы. За это время ксенон интенсивно выгорает и отравление резко падает. На этом интервале копится и йод, однако накопление его на этом сравнительно коротком интервале времени не компенсирует; убыль йода на предшествующих интервалах.
В заключение напомним, что потеря реактивности вследствие отравления со всеми рассмотренными выше закономерностями присуща только реакторам на тепловых нейтронах. В области высоких энергий нейтронов, характерных для реакторов на быстрых нейтронах, сечения поглощения всех нуклидов одного порядка, поэтому выделять из общего числа накапливающихся продуктов деления какие-либо отдельные нуклиды не имеет смысла.
Дата добавления: 2015-11-28; просмотров: 2130;