Глава 5
РАСЧЕТ ОРГАНОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ
ОРГАНЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ
Как уже отмечалось, в процессе работы реактора происходит выгорание исходного и накопление нового ядерного топлива, накопление продуктов деления и радиационного захвата нейтронов ядерным топливом. Все это в конечном итоге приводит к медленному, но непрерывному изменению реактивности. В реакторах на тепловых нейтронах коэффициент воспроизводства (КВ) обычно меньше единицы, а накопление продуктов деления и радиационного захвата приводит к отравлению и шлакованию. Таким образом, реактивность этих реакторов в процессе работы уменьшается. В реакторах на быстрых нейтронах суммарный КВ (активной зоны и зоны воспроизводства) больше единицы. Однако в активной зоне КВ обычно не превышает единицу, и по мере накопления продуктов деления реактивность в процессе работы этих реакторов уменьшается. В связи с этим в условиях периодических перегрузок ядерного топлива, которые практически и реализуются в современных ядерных энергетических реакторах, необходимо после каждой частичной перегрузки загрузить избыток топлива над критической массой, а действие избытка вплоть до очередной частичной перегрузки скомпенсировать компенсирующими органами.
Реактивность реактора изменяется, кроме того, в связи с мощностным и температурным эффектами, которые проявляются в переходных режимах работы, особенно при пуске и выключении реактора. Переход с одного уровня мощности на другой сам по себе требует изменения реактивности, осуществляемого регулирующими органами. Изменение реактивности в переходных режимах происходит сравнительно быстро. Это обусловило специфические требования к органам регулирования по сравнению с органами, компенсирующими медленное изменение реактивности.
Несмотря на большое разнообразие регулирующих органов, используемых в ядерных реакторах, подавляющее большинство из них основано на поглощении избыточных нейтронов. К ним прежде всего относятся подвижные поглощающие стержни, используемые практически во всех реакторах. На этом же принципе основано жидкостное (борное) регулирование, использование выгорающих поглотителей, прокачка по специальным каналам, размещенным в активной зоне, той или иной поглощающей жидкости и др. В сочетании с механической системой регулирования (подвижными поглощающими стержнями) используются и другие способы. Среди них можно назвать регулирование уровнем замедлителя, изменяющее объем активной зоны при неизменном ее составе, регулирование отражателем, основанное на изменении утечки нейтронов из активной зоны.
ПОГЛОЩАЮЩИЕ СТЕРЖНИ
По своему назначению поглощающие стержни можно разделить на компенсирующие, регулирующие и аварийные. Однако функции их могут быть совмещены.
Назначение компенсирующих стержней состоит в подавлении начальной избыточной реактивности, компенсации температурного эффекта, отравления и шлакования накапливающимися продуктами деления.
Компенсирующие стержни служат для компенсации сравнительно медленных, но больших по абсолютному значению изменений реактивности. Эффективность компенсирующей системы должна быть рассчитана также на возможность вывода реактора в подкритическое состояние. Эта составляющая, в отличие от перечисленных выше, определяемых расчетным путем, принимается исходя из условий безопасности и берется равной не менее 5—10% реактивности.
Рис. 5.1. Радиальное распределение плотности потока нейтронов в цилиндрическом реакторе без стержня (1) и при полностью погруженном вдоль центральной оси стержнем (2)
Регулирующие стержни предназначены для «тонкого» регулирования реактивности во время работы на мощности и в процессе пуска реактора. В отличие от компенсирующих стержней они работают в диапазоне небольшого, но сравнительно быстрого изменения реактивности, например, при переходе с одного уровня мощности на другой, а также при небольших случайных отклонениях реактивности. Суммарная эффективность одновременно перемещающихся регулирующих стержней должна быть несколько меньше β (доли запаздывающих нейтронов) с тем, чтобы даже при полном извлечении их из реактора он не вышел в мгновенную критичность.
Аварийные стержни служат для выключения реактора в аварийных случаях. Эффективность стержней аварийной защиты (АЗ) выбирается с учетом быстрого подавления цепной реакции деления и составляет около 3 β. Несмотря на различие стержней по назначению, действие их на систему и методы расчета одни и те же.
Эффективность поглощающих стержней зависит не только от дополнительного захвата нейтронов, но и от относительного увеличения утечки нейтронов из активной зоны, обусловленного деформацией поля. На рис. 5.1 качественно показано распределение плотности потока нейтронов в реакторе с поглощающим стержнем и без него. В окрестности поглощающего стержня плотность потока нейтронов резко падает. Это приводит (при нормировании на одинаковую среднюю мощность) к относительному увеличению плотности потока вблизи границы активной зоны, увеличению вероятности утечки и падению эффективного коэффициента размножения.
