135Хе имеет большое сечение поглощения тепловых нейтронов (σα=2,7·106 б), что приводит к сильному влиянию его содержания на реактивность энергетических реакторов на тепловых нейтронах. Выход ксенона при делении 235U составляет 6,4% [15]. Кроме того, с выходом 5,6% ксенон образуется как дочерний продукт радиоактивного распада в результате деления 1351:
Отравление ксеноном энергонапряженного реактора нарастает до тех пор, пока не наступит равновесие между образованием и исчезновением ядер 135Хе в результате радиоактивного распада и захвата нейтронов. Такое равновесие наступает примерно через 60 ч работы реактора на постоянной мощности. После всякого изменения мощности (в том числе и после того, как реактор полностью заглушен) равновесие нарушается. При снижении мощности концентрация 135Хе сначала растет, поскольку иод распадается быстрее ксенона, а выгорание последнего уменьшается. Время прохождения концентрации ксенона через максимум и величина последнего определяются уровнем мощности, на которой работал реактор. При высоких плотностях потока (5-1014 нейтр./(см2-с)) концентрация ксенона в заглушенном реакторе достигает максимума через 12 ч. Затем распад ксенона начинает преобладать и примерно через 80 ч после сброса мощности ксенон практически исчезает.
Таким образом, при переходе с одного уровня мощности на другой меняется концентрация ксенона, а следовательно, и реактивность реактора. Этот эффект называется нестационарным отравлением. Изменение реактивности, вызванное отравлением 135Хе, может превысить оперативный запас избыточной реактивности, что сделает невозможным вывод реактора на нужный уровень мощности после кратковременной остановки. Это может привести к длительному (до 40 ч) простою АЭС, в особенности в конце кампании, если не принять мер, препятствующих эффекту отравления, например ступенчато изменять мощность в процессе остановки реактора. Поэтому точные сведения об эффектах нестационарного отравления ксеноном весьма необходимы для успешной эксплуатации реактора. Кроме того, на основе многочисленных экспериментальных исследований влияния различных факторов, и прежде всего выгорания топлива, на данный эффект может быть составлена расчетная программа, точно предсказывающая эффекты нестационарного отравления при переходных процессах для любого реактора ВВЭР. Особенно ценными для этих целей нужно считать измерения, проводимые в начале и конце кампании, так как в этом случае разница содержаний шлаков в топливе максимальная.
При работе реактора на мощности одновременно с ксеноном в активной зоне появляется самарий, также сильный поглотитель тепловых нейтронов (σα≈6,6·104 б), образующийся в основном как продукт распада прометия:
Изменение концентрации самария незначительно влияет на изменение реактивности во времени при нестационарных процессах, однако при точном анализе эффекта это изменение следует учитывать.
Если использовать методику динамического измерения реактивности, то эффект нестационарного отравления можно определить двумя способами:
(2.12)
(2.13)
где др/дН — дифференциальная эффективность рабочей группы поглотителей, компенсирующей отравление; H(t1) и H(t) — начальное и текущее положение; dp/dt— скорость изменения реактивности при отравлении реактора 135Хе. Перед измерением для получения достоверных данных об исследуемом эффекте необходимо, чтобы реактор проработал на постоянной мощности не менее 60 ч для достижения стационарной концентрации ксенона. При исследовании нестационарного отравления реактора ксеноном в полной мере проявляются преимущества динамического метода измерения по сравнению с методом асимптотического периода. В этих измерениях реактивность постоянно меняется во времени и установление асимптотического периода принципиально невозможно.
Измерение нестационарного отравления реактора ксеноном в период освоения мощности можно проводить как при переходе с одного уровня мощности на другой, так и при снижении до минимально контролируемого уровня мощности. В первом случае реактор с максимально допустимой скоростью переводится с мощности N1 на мощность N2, чтобы минимизировать выгорание 135Хе в переходный период. Изменение реактивности реактора во времени определяется после установления нового уровня мощности, который поддерживается постоянным, а также после стабилизации температуры и давления в первом контуре. При этом изменение реактивности происходит только вследствие отравления 135Хе.
Регистрируется положение рабочей группы стержней регулирования, и с использованием дифференциальной характеристики группы АРК определяется Δρотр по формуле (2.12). При этом невозможно непосредственно измерить отравление реактора 135Хе за время изменения мощности и стабилизации параметров. Эта величина определяется линейной экстраполяцией кривой Δρотр, соответствующей времени стабилизации параметров, к кривой, соответствующей более раннему эффективному времени между началом и концом изменения мощности.
Изменение стационарного отравления при переходе с одного уровня мощности реактора на другой можно оценить только в том случае, если известен мощностной коэффициент реактивности (см. п. 2.5):
где Η(Ν1) и Η(Ν2) — критические положения рабочей группы поглотителей в стационарном состоянии реактора на мощности Ν1 и Ν2; (dp/dN)∆N— изменение мощностного эффекта.
При проведении экспериментов на минимально контролируемом уровне мощности удается исключить влияние мощностного и температурного эффектов реактивности. Перед измерениями создается оперативный запас реактивности рабочей группы АРК, дающей возможность не перемещать другие группы поглотителей, снижением концентрации борной кислоты в замедлителе. После перемещения регулирующих кассет реактор выдерживается на мощности N в течение 10—12 ч до полной стабилизации параметров. Затем проводится аварийный сброс всех поглотителей с фиксацией времени сброса. Сразу после сброса мощности реактор выводится на минимально контролируемый уровень мощности. После стабилизации параметров реакторной установки на этом уровне мощности с записью времени стабилизации и временного изменения реактивности реактора по реактиметру начинается собственно эксперимент. Время проведения эксперимента 40 ч. Реактор поддерживается в околокритическом состоянии ступенчатым перемещением регулирующей группы поглотителей. Получается пилообразное изменение реактивности, записываемое самописцем. Строится временная зависимость реактивности:
(2.14)
где ∆рί — изменение реактивности, вызванное ί-м перемещением регулирующей группы АРК, равное изменению эффекта нестационарного отравления 135Хе за i-й отрезок времени. Значение Δρί определяется во временном интервале, соответствующем прохождению реактивности через нулевые значения после t-гo перемещения поглотителей.
Получаемая зависимость (2.14) при условии постоянства температуры в первом контуре при проведении эксперимента — кривая нестационарного отравления 135Хе, или «иодная яма». По ней можно определить скорость изменения реактивности dp/dt в любой момент времени. Последнюю можно также определить по отдельным участкам между соседними перемещениями группы АРК по наклону р(t) в момент, когда реактивность равна нулю.
Получив таким образом
(t), можно рассчитать по формуле (2.13) эффект нестационарного отравления ксеноном для любого интервала времени.
Рис. 2.1. Изменение реактивности реактора ВВЭР при измерении нестационарного отравления
Если невозможно поддержать стабильную температуру замедлителя при измерении эффекта, необходимо ввести поправку на изменение реактивности, обусловленное температурным эффектом. Тогда
где др/дТ— температурный коэффициент реактивности; Т — рабочая температура в активной зоне; ΔΤ — отклонение от рабочей температуры при измерениях.
На рис. 2.1 приведена типичная кривая изменения p(t) при исследовании нестационарного отравления реактора ВВЭР [41].
