МОЩНОСТНОЙ КОЭФФИЦИЕНТ И ДРУГИЕ ФАКТОРЫ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ ИЗМЕНЕНИЕ РЕАКТИВНОСТИ
В эксплуатационной практике часто пользуются понятием мощностного коэффициента реактивности, под которым понимают изменение реактивности на единицу изменения мощности. Природа его, так же как и температурного коэффициента реактивности, связана с изменением температурного уровня материалов активной зоны. Действительно, повышение мощности неизбежно ведет к повышению температурного уровня, и наоборот, снижение мощности сопряжено с уменьшением температуры топлива и других материалов активной зоны.
Как следует из предыдущего параграфа, значения температурного коэффициента реактивности отдельных составляющих, а в особенности по топливу, замедлителю и теплоносителю, могут заметно различаться не только по абсолютной величине, но и по знаку. Мощностной коэффициент реактивности является результатом влияния температурных эффектов всех составляющих. При этом он может быть сравнительно легко измерен в процессе работы реактора при переходе с одного уровня мощности на другой.
Одной из основных составляющих мощностного коэффициента реактивности в реакторах на тепловых нейтронах является изменение температурного уровня самого ядерного топлива, проявляющееся вследствие доплер-эффекта. Мощностной коэффициент по температуре топлива отрицательный и проявляется практически без запаздывания. В особенности он велик в реакторах с топливом из двуокиси урана, температурный уровень которого вследствие низкой теплопроводности UO2 высокий. Мощностной коэффициент по температуре замедлителя в водо-водяных реакторах также отрицательный. Это обеспечивает однозначно — и по температуре топлива, и по температуре замедлителя — отрицательный мощностной коэффициент реактивности.
В графитовых реакторах составляющая по температуре замедлителя дает положительный вклад в общий мощностной коэффициент реактивности. При этом она является медленно изменяющейся составляющей в связи с большой постоянной времени по температуре массивной графитовой кладки. В реакторах типа РБМК вклад в мощностной коэффициент реактивности дает и кипящий теплоноситель, который может быть как положительным, так и отрицательным. Поэтому не случайно, хотя суммарный мощностной (или температурный) коэффициент реактивности для графитовых реакторов (и, в частности, реакторов типа РБМК) и отрицательный, по абсолютной величине он заметно меньше, чем в водо-водяных реакторах.
В реакторах на быстрых нейтронах изменение мощностного коэффициента реактивности может быть обусловлено большим градиентом температур в твэлах, что приводит к их деформации, уменьшению зазора между твэлами, более тесному их расположению и частичному вытеснению теплоносителя. Это дает положительное приращение по реактивности, и мощностной коэффициент в этих реакторах может стать положительным, так как отрицательная составляющая мощностного коэффициента реактивности по температуре топлива в этих реакторах сравнительно невелика. Для того чтобы этого не произошло, предъявляются высокие требования к надежности дистанционирования твэлов, предотвращающего их деформацию.
Применительно к водо-водяным реакторам нередко пользуются понятием плотностного коэффициента реактивности, обусловленного изменением плотности воды в связи с изменением ее температуры в переходных режимах. Как видно, в основе плотностного коэффициента реактивности также лежит изменение температуры. Изменение плотности воды, выполняющей роль замедлителя в водо-водяных реакторах, приводит к изменению количества воды в активной зоне, а следовательно, и к изменению количества ядер замедлителя. Последнее приводит к отрицательному эффекту по реактивности. В то же время обычная вода является и заметным поглотителем тепловых нейтронов и вытеснение части воды из активной зоны приводит к обратному — положительному эффекту по реактивности. С учетом этого суммарный плотностной коэффициент реактивности в принципе может быть как отрицательным, так и положительным. Знак плотностного коэффициента реактивности зависит от водо-уранового отношения. Увеличение последнего сдвигает этот коэффициент в сторону положительных значений. Чтобы этого не произошло, реактор по водо-урановому отношению должен быть несколько недозамедленным. Особое значение плотностной коэффициент реактивности для водоводяных реакторов приобретает при использовании жидкостного борного регулирования. Для этого в воду, циркулирующую в первом контуре, вводится борная кислота, являющаяся сильным поглотителем тепловых нейтронов и компенсирующая избыток ядерного топлива над критической массой в период между перегрузками. В этом случае положительный эффект по плотностному коэффициенту реактивности проявляется особенно сильно, так как вместе с ядрам воды при повышении температурного уровня вытесняется из активной зоны и сильный поглотитель тепловых нейтронов — бор. При этом с увеличением концентрации борной кислоты в воде плотностной коэффициент реактивности сдвигается в область положительных значений. Этим, в частности, ограничивается компенсирующая способность за счет жидкостного борного регулирования.
В кипящих реакторах с водным замедлителем влияние на реактивность оказывает количество генерируемого пара, что является также функцией мощности. Увеличение паросодержания повышает пористость воды, уменьшает число ядер замедлителя. Этот эффект называется паровым коэффициентом реактивности. Влияние отдельных параметров решетки на паровой коэффициент реактивности аналогичен влиянию температуры. С ростом паросодержания увеличивается утечка нейтронов. Для редких решеток паровой коэффициент реактивности может быть положительным из-за влияния параметра Θ. И наоборот, в тесных решетках наибольшее влияние на реактивность оказывает коэффициент вероятности избежать резонансного поглощения, который дает отрицательный вклад при увеличении паросодержания.
В целях безопасности кипящий реактор должен обладать отрицательным паровым коэффициентом реактивности. Тогда с увеличением мощности, сопровождающимся повышением паросодержания, реактивность будет падать и самопроизвольный разгон реактора станет невозможным. Однако это требует дополнительного количества поглощающих органов для компенсации парового эффекта. Поэтому полный паровой эффект ограничивается по абсолютному значению примерно до 2—3% реактивности. При выводе кипящего реактора из холодного в рабочее состояние сначала реактивность уменьшается за счет температурного коэффициента вплоть до температуры кипения воды, затем проявляется паровой коэффициент и реактивность будет продолжать падать до выхода реактора на номинальную мощность.
В реакторах на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем вводится еще одно понятие по реактивности — пустотный коэффициент реактивности. Он связан с тем, что утечка натриевого теплоносителя из активной зоны реактора, вероятность которой не исключена в аварийных ситуациях, заметно может сказаться на реактивности как в положительную, так и отрицательную сторону. Утечка натриевого теплоносителя приводит к уменьшению вредного поглощения нейтронов в активной зоне, в частности, за счет поглощения ядрами натрия, что приводит к положительному эффекту по реактивности. В то же время вместо утекающего теплоносителя каналы заполняются газовой средой, выполняющей роль в этих реакторах компенсатора объема. Обычно это инертный газ гелий. Он практически нс взаимодействует с нейтронами1, и наряду с уменьшением вредного поглощения нейтронов увеличивается утечка нейтронов из активной зоны. Последнее дает отрицательный вклад в суммарный коэффициент реактивности, а в зависимости от соотношения первой и второй составляющих пустотный коэффициент реактивности может быть как положительным, так и отрицательным.
Для того чтобы пустотный коэффициент реактивности был отрицательным, приходится уменьшать высоту активной зоны реактора, что увеличивает утечку нейтронов через торцевые экраны.
1 Вследствие этого эффект и получил название пустотного коэффициента реактивности.
