Динамика реактора охватывает все процессы, происходящие в его активной зоне. Основные факторы для расчетов динамики: плотность потока нейтронов, энергетический спектр нейтронов, температура, концентрация поглотителей нейтронов, эффективные сечения с учетом температурной и энергетической зависимостей и массовый расход теплоносителя. На теплотехнические процессы в реакторе оказывают также влияние поглощающие стержни регулирующей системы. Таким образом, понятие «динамика реактора» охватывает очень широкую область, поэтому ее математическое описание требует различного рода упрощений. Существенно, что многие процессы происходят при различных постоянных времени [9]. Изменения состояний могут быть вызваны следующими событиями: перегрузкой и выгоранием топлива, образованием продуктов деления, распадом продуктов деления, изменениями температуры и изменениями реактивности, связанными с перемещением поглощающих стержней и изменением геометрических размеров или состава реактора.
Изменения состояний реактора в зависимости от реактивности происходят быстро, поскольку скорость образования нейтронов при делении ядер меняется с малой постоянной времени.
Если бы все нейтроны образовались только в момент деления, то постоянная времени была бы очень небольшой. Такие нейтроны называются мгновенными; к ним принадлежит более 99% всех нейтронов активной зоны реактора.
Решающее значение для нейтронной кинетики имеет то обстоятельство, что определенная доля нейтронов образуется с некоторым запаздыванием при распаде определенных радиоактивных продуктов деления, и по различию в периоде полураспада этих продуктов деления они могут быть разбиты на шесть групп [7].
Доля запаздывающих нейтронов составляет около 0,64% всех нейтронов. Максимальные изменения реактивности составляют около 1%, т. е. имеют тот же порядок величины, что и доля запаздывающих нейтронов.
Обратная связь по температурным изменениям в основном определяется теплоемкостью активной зоны и теплопроводностью топлива и замедлителя. Соответствующие постоянные времени здесь больше, чем при изменениях реактивности.
Выгорание топлива, образование и распад продуктов деления имеют большие постоянные времени. Исключение составляют 135Xe и 149Sm. Ксенон получается или из образующегося в 6% всех делений 1351 при последовательном его β-распаде с периодом полураспада 6,7 ч или в небольшом количестве (0,2% всех делений) непосредственно при ядерном делении.
Эффективное сечение захвата нейтронов у 1351 невелико (7 барн в тепловой области), так что большая часть иода переходит в 135Хе. Ксенон 0-активен и, распадаясь с периодом полураспада около 9,2 ч, переходит в 135Cs, который практически стабилен (период полураспада около 106 лет).
Несмотря на относительно небольшой период полураспада, 135Хе играет большую роль в динамике реактора, поскольку сечение захвата тепловых нейтронов у него составляет порядок 106 барн. При захвате нейтронов 135Хе переходит в 136Хе, излучая γ-квант.
149Sm — стабильный конечный элемент радиоактивной цепочки, начинающейся неодимом, который образуется в 1,3% всех делений. Влияние самария на динамику реактора сказывается относительно слабо и только в процессе его накопления.
1 Точнее, 1351 образуется в основном из теллура, имеющего период полураспада менее 2 мин.
Постоянная времени для самария составляет около 48 ч. Сечение поглощения 149Sm в тепловой области больше (от 104 до 105 барн).
Процессы, определяющие динамику реактора, можно разделить на три группы по постоянным времени:
- Динамически быстрые процессы (постоянные времени от секунды до нескольких минут). Сюда относятся изменения реактивности, при которых большую роль играют запаздывающие нейтроны и температурные эффекты реактивности.
- Динамически длительные процессы (постоянные времени от 5 до 50 ч), к которым относятся процессы, связанные с отравлением ксеноном и самарием.
- Изменения концентрации топлива из- за выгорания или перегрузки (постоянные времени очень большие). Такие процессы выходят за рамки рассмотрения обычной динамики.
Для динамики быстрых процессов существенны, например, быстродействие и эффективность поглощающих стержней. Кроме того, для динамики длительных процессов весьма важен расчет режима движения поглотителей при изменении мощности и остановке реактора, а также расчеты пространственной нестабильности, например, связанные с колебаниями содержания ксенона. Такие эффекты могут иметь место в отдельных областях активной зоны. Локальное увеличение потока нейтронов вызывает снижение концентрации ксенона, что приводит к дальнейшему повышению потока нейтронов. В результате в этой области возрастет количество иода за счет многочисленных делений, и образующийся в большем количестве ксенон через несколько часов вызывает снижение потока нейтронов.
Нестабильность такого рода может быть ликвидирована, если активную зону оснастить несколькими независимыми системами регулирования для разных областей активной зоны.
Уравнения для расчета динамических процессов реактора [7, 10] решаются только численными методами и не зависят от рассматриваемого типа реактора.
Характерные особенности отдельного реактора должны быть приняты во внимание лишь при необходимости уточненных расчетов. Для реакторов HTR — это очень высокая теплоемкость активной зоны, а также некоторые упомянутые в § 6.1 специфические особенности физики активной зоны (относительно большая доля надтепловых нейтронов, высокое выгорание).
Ниже для иллюстрации динамики реакторов HTR приведено несколько примеров, связанных с расчетом динамики реактора THTR-300 [11].
Рис. 6.2. Изменение во времени массового расхода газа т, мощности активной зоны Q и температуры газа на выходе из активной зоны Т при быстрой остановке реактора THTR-300 [11].
Быстрая остановка реактора.
При быстрой остановке реактора все поглощающие стержни, находящиеся над активной зоной, со скоростью 30 см/с вводятся на 2 м в засыпку шаровых твэлов. Одновременно останавливаются газодувки, чтобы предотвратить нежелательное быстрое переохлаждение зоны. На рис. 6.2 в зависимости от времени представлено изменение массового расхода теплоносителя, мощности активной зоны и температуры газа на выходе. Увеличение температуры газа при быстром отключении реактора составляет не более 50° С.
При быстрой остановке реактора все поглощающие стержни, находящиеся над активной зоной, со скоростью 30 см/с вводятся на 2 м в засыпку шаровых твэлов. Одновременно останавливаются газодувки, чтобы предотвратить нежелательное быстрое переохлаждение зоны. На рис. 6.2 в зависимости от времени представлено изменение массового расхода теплоносителя, мощности активной зоны и температуры газа на выходе. Увеличение температуры газа при быстром отключении реактора составляет не более 50° С.
Изменение нагрузки.
Важный момент в динамике реактора связан с изменением его мощности. При быстром понижении мощности реактора возрастает отравление ксеноном в связи с уменьшением скорости его выгорания. В результате реактивность реактора уменьшается. Чтобы при такой ситуации реактор не попал в подкритическую область, в стационарном состоянии предусматривается определенная избыточная реактивность, компенсируемая поглощающими стержнями. При снижении мощности реактора путем, например, уменьшения расхода охлаждающего газа эти стержни извлекаются из активной зоны, что компенсирует возросшее отравление ксеноном. Через некоторое время часть ксенона распадается и реактивность вновь повышается. В этом случае поглощающие стержни должны быть снова введены в зону.
Рис. 6.3. Изменение реактивности ∆k реактора THTR-300 при изменениях нагрузки (100%— 40%—100%) и постоянной температуре газа [11].
При последующем переводе реактора на полную мощность этот эффект проявляется в обратном порядке. С повышением мощности реактора поток нейтронов возрастает и скорость выгорания ксенона становится больше, чем в равновесном состоянии перед подъемом мощности. Это приводит к повышению реактивности, которое должно быть скомпенсировано введением поглощающих стержней. Одновременно с увеличением мощности возрастает скорость образования ксенона, так что реактивность снова падает и стержни частично выводятся из зоны.
На рис. 6.3 показано изменение реактивности реактора THTR-300 при изменении нагрузки в диапазоне 100%—40% —100%. При этом принимается, что реактор через 5 ч, т. е. после максимума отравления ксеноном (так называемая иодная яма), должен выйти снова с 40 на 100%-ную мощность. Другой случаи относится к подъему мощности через 48 ч, когда ксенон практически достигает новой равновесной концентрации.
Рис. 6.4. Изменение мощности активной зоны Q, максимальной температуры топлива Тмакс и температуры газа на выходе Тгаз при аварийном попадании воды в активную зону реактора THTR-300 [11].
Аварийные изменения реактивности.
В качестве примера такого изменения реактивности рассматриваем случай, связанный с разрывом труб в парогенераторе на номинальной мощности. На рис. 6. 4 показано изменение мощности активной зоны, температуры газа на выходе и максимальной температуры топлива для случая, когда не принимаются никакие ответные меры (пунктирные кривые) и когда примерно через 15 с в активную зону вводятся поглощающие стержни (сплошные кривые). Видно, что, даже если не принимать контрмер, максимальная температура топлива не превысит 1500° С.
