Стартовая >> Архив >> Генерация >> Кинетика и регулирование ядерных реакторов

Температурный коэффициент реактивности - Кинетика и регулирование ядерных реакторов

Оглавление
Кинетика и регулирование ядерных реакторов
Физические основы регулирования
Ядерное топливо и воспроизводящие материалы
Цепная реакция деления
Энергия деления
Кинетика ядерного реактора
Кинетика реактора при линейном изменении реактивности
Изменение изотопного состава топлива и температурный эффект
Температурный коэффициент реактивности
Факторы, вызывающие изменение реактивности
Саморегулирование ядерных реакторов
Режимы перегрузок ядерного топлива
Реальные способы перегрузки ядерного топлива
Перегрузка топлива в реакторах на быстрых нейтронах
Расчет органов регулирования
Материалы и форма поглощающих стержней
Жидкостное борное регулирование
Регулирование отражателем
Компенсация реактивности выгорающими поглотителями
Система управления и защиты ядерных реакторов
Органы управления и защиты канальных реакторов
Органы компенсации реактивности реакторов на быстрых нейтронах
Тепловыделение в поглощающих стержнях
Контроль за положением стержней управления и защиты
Калибровка поглощающих стержней
Реакторные измерения
Эффекты реактивности при выводе реактора на рабочую мощность
Безопасность работы ядерных реакторов
Моделирование нестационарных процессов
Исследование моделей динамики реактора на ЭВМ

Изменения температуры, которые неизбежны в работе реактора, могут привести к значительным изменениям реактивности. Коэффициент размножения изменяется с температурой по крайней мере по двум причинам: во-первых, с изменением ядерных свойств, связанных с формированием энергетического спектра нейтронов и доплер-эффектом; во-вторых, в связи с изменением плотности материалов (прежде всего замедлителя и отражателя), что приводит к изменению средних пробегов нейтронов и утечке из реактора.
Анализ влияния температуры на реактивность реактора показывает, что температурный коэффициент реактивности в зависимости от состава и компоновки активной зоны может быть как положительным, так и отрицательным. Для устойчивости и безопасности работы реакторов необходимо, чтобы он был отрицательным и сравнительно небольшим по абсолютному значению. В этом случае увеличение мощности, вызывающее повышение температуры, приводит к уменьшению реактивности и самопроизвольный разгон реактора невозможен. И наоборот, при положительном коэффициенте реактивности работа реактора становится неустойчивой, так как повышение температуры приводит к увеличению реактивности и реактор пойдет в разгон.
В литературе описываются различные способы определения температурного коэффициента реактивности. Его можно определить как dp/άθ, (l/k)dk/dθ и dk/dθ. Поскольку реактивность р связана с эффективным коэффициентом размножения соотношением р= (kэф—1)/kэф, то все эти определения температурного коэффициента отличаются друг от друга множителями 1—ρ и (1—р)2. Так как реактивность в переходных процессах обычно мала (p<l), то отличие одного определения от другого несущественно.
В (3.85) первое слагаемое в правой части связано с изменением размножающих свойств, а второе — с изменением утечки. Проведем анализ зависимости от температуры отдельно каждого из этих членов.

При этом температурный фактор для плутония g>l. Однако g растет с увеличением температуры медленней, чем g9, и η с ростом температуры как в начале кампании, так и в конце ее слабо, но уменьшается.
Сравнительно малый вклад в температурный коэффициент реактивности, но уже с положительным эффектом дает коэффициент размножения на быстрых нейтронах μ. В общем случае коэффициент μ зависит от отношения ρ3ω3/ωυ, как показано на рис. 3.22, где ω3 и ωυ— площади замедлителя и топлива в ячейке, рз— плотность замедлителя, μ— коэффициент размножения на быстрых нейтронах в единичном блоке (без учета перекрестного эффекта). При заданном шаге, который определяется отношением ωз/ωυ, изменение плотности в тесных решетках приводит к более заметному изменению μ, чем в редких решетках. В уран-графитовых реакторах коэффициент μ практически не зависит от температуры, так как они имеют редкую решетку, а плотность графита сравнительно слабо изменяется с температурой. В водо-водяных реакторах картина обратная — решетка тесная, рз заметно уменьшается с ростом температуры и температурный коэффициент, обусловленный этим эффектом, положительный.
Изменение коэффициента φ (вероятности избежать резонансного захвата) определяется эффектом Доплера и изменением замедляющей способности материалов активной зоны. Эффект Доплера заключается в том, что с ростом температуры увеличивается ширина резонансного пика, а высота его уменьшается. При этом площадь под кривой резонансного пика остается неизменной. Ввиду того что абсолютное значение сечения резонансного поглощения остается достаточно большим, а ширина пика увеличивается, возрастает эффективный резонансный интеграл, вероятность захвата нейтронов в резонансной области увеличивается и φ уменьшается.
Общее выражение для φ можно записать в виде

где величина φ прямо пропорциональна эффективному резонансному интегралу и обратно пропорциональна замедляющей способности.

Рис. 3.22. Зависимость коэффициента μ от шага решетки и плотности зaмедлителя
Рис. 3.23. Распределение плотности потока нейтронов по сечению ячейки в зависимости от температуры.
тогда

 Таким образом, суммарное значение φ возрастает с увеличением температуры не только за счет эффекта Доплера, но и за счет уменьшения замедляющей способности в связи с уменьшением плотности замедлителя. При этом φ падает и температурный коэффициент, связанный с изменением φ, отрицательный. Вклад в общий температурный коэффициент реактивности, обусловленный изменением φ, является обычно довольно значительным.
Коэффициент Θ по определению представляет собой отношение поглощения нейтронов в ядерном топливе к поглощению нейтронов во всех материалах. Поэтому зависимость его от температуры в гомогенных реакторах определяется отклонением сечений поглощения нейтронов от закона 1/v. Однако если учесть, что сечения поглощения в ядерном топливе в равной мере входят в числитель и знаменатель, а поглощение нейтронов в других материалах сравнительно невелико, то изменение коэффициента с температурой в этих реакторах мало. В гетерогенных; реакторах Θ определяется формулой (1.2) и существенно зависит от распределения плотности потока нейтронов по ячейке. В топливном блоке плотность потока нейтронов ниже, чем вне его (рис. 3.23), что связано с более сильным поглощением нейтронов в ядерном топливе. В особенности это характерно для реакторов на тепловых нейтронах. Отношение Φ1/Φ0, где Ф0 и Ф0 — средняя плотность потока нейтронов соответственно в замедлителе и топливном блоке, зависит от типа гетерогенного реактора на тепловых нейтронах и лежит в пределах от 1,15 до 1,5. Для тесных решеток с заметным поглощением нейтронов в замедлителе (реакторы типа ВВЭР) это отношение ближе к нижнему пределу. Более существенная гетерогенность характерна для реакторов с редкой решеткой и малым поглощением нейтронов в замедлителе (графитовые и тяжеловодные реакторы). В них отношение потоков ближе к верхнему пределу. В реакторах на быстрых нейтронах распределение плотности потока нейтронов на ячейке более равномерное, так как сечения поглощения в них малы и примерно одинаковы для всех материалов. Вследствие этого характеристика реакторов на быстрых нейтронах с этой точки зрения ближе к гомогенным реакторам.
Повышение температуры приводит к выравниванию распределения плотности потока по сечению ячейки (рис. 3.23). Это обусловлено сильной зависимостью сечений поглощения от температуры. С ростом последней они существенно уменьшаются. Это в свою очередь приводит к уменьшению отношения Φ1/Φ0, и коэффициент Θ с ростом температуры возрастает.
Подводя итог изложенному выше, можно констатировать, что определяющий вклад в температурный коэффициент реактивности в формуле (3.86) дают третье и четвертое слагаемые. При этом одно из них (третье слагаемое) дает отрицательный вклад, а другое (четвертое слагаемое) — положительный.
Коэффициенты φ и Θ зависят от шага решетки. Первый из них растет с увеличением шага, а второй— уменьшается. На рис. 3.24 показана качественная зависимость φ и Θ от шага решетки ωз/ωu для различных температур. В пределе при бесконечном разбавлении размножающей среды φ растет и приближается к единице, а Θ уменьшается. И наоборот, с уменьшением шага Θ стремится к единице, а φ уменьшается.

Рис. 3.24. Зависимость коэффициентов φ и Θ от шага решетки при различных температурах.
(3.90)

Если взять для δ приближенное выражение
δ=(Daз/Dотp)Мотр, то влияние δ на В2 сводится к изменению характерных длин в отражателе. Здесь Daз и Dотр — коэффициенты диффузии в активной зоне и отражателе, Мотр — длина миграции нейтронов в отражателе. Согласно формулам (3.91) и (3.92) изменение δ увеличивает температурный коэффициент реактивности. Таким образом, вклад параметра В2 в температурный коэффициент реактивности является положительным как за счет изменения размеров активной зоны, так и увеличения эффективной добавки.
Из проведенного анализа видно, что изменение температуры сложным образом влияет на реактивность реактора. Более того, температурный коэффициент зависит от температурного уровня, т. е. в одном интервале температур он может быть отрицательным, а в другом — положительным. Температурный коэффициент зависит от времени работы реактора, так как с течением времени меняется нуклидный состав в активной зоне реактора. Все это свидетельствует о сложном законе изменения температурного коэффициента реактивности.
При конструировании реакторов характеристики активной зоны стремятся подобрать так, чтобы температурный коэффициент был отрицательным на всех уровнях мощности и во всем интервале времени работы реактора. Однако это не всегда удается.
Значения среднего температурного коэффициента реактивности для водо-водяных и тяжеловодных реакторов колеблются в интервале (2—4)10-4, для уран-графитовых—(0,3—0,6) · 10-4 К-1·



 
« Исследования трубопроводов питательной воды энергоблоков 160-800МВт   Комплекс для электрической части системы регулирования и защит паровых турбин »
электрические сети