В ряде случаев для достижения приемлемой кампании требуется такая избыточная реактивность, которую не удается скомпенсировать поглощающими стержнями, а если удается, то только ценой сильного искажения профиля плотности нейтронов или чрезмерного усложнения СУЗ.
Здесь γ в общем случае определяется по (5.2) для черного тела. При достаточно большом радиусе R0 λтр=0,71.
Эта проблема может прежде всего возникнуть в реакторах небольших размеров, например в водо-водяных реакторах с достаточно большим обогащением ядерного топлива. В подобных случаях целесообразно использовать выгорающий поглотитель, который в начале кампании компенсирует избыточную реактивность. По мере выгорания топлива вместе с уменьшением избыточной реактивности выгорает и поглотитель.
В качестве выгорающих поглотителей могут использоваться различные элементы. В подавляющем числе случаев используется бор. Применяется как природный бор, так и его изотоп 10В. Как выгорающий поглотитель он используется в виде сплавов или химических соединений В4С, ZrB2 и др. Сплавы, содержащие до 2% бора по массе, хорошо свариваются, обладают удовлетворительной коррозионной стойкостью. Сплавы, содержащие более 3% бора, хрупки и плохо поддаются обработке.
Способы размещения выгорающего поглотителя в активной зоне реактора многообразны и зависят от конструктивных и эксплуатационных факторов. Он может находиться в гомогенной смеси с ядерным топливом или в виде отдельных блоков. Его можно вводить в конструкционные материалы элементов ТВС — в корпуса сборок, оболочки твэлов и другие элементы.
В реакторе первого блока Нововоронежской АЭС выгорающий поглотитель введен в стенки корпуса ТВС, а в последующих серийных реакторах типа ВВЭР он помещен в виде отдельных поглощающих элементов (пэлов). Так, в ВВЭР-440 из общего количества 126 стержневых элементов в пучке содержится 120 твэлов и 6 пэлов. Последние размещены в виде правильной решетки в пучке ТВС. В ВВЭР-1000 выгорающий поглотитель размещается в виде отдельных блочков в периферийных ТВС вместо кластеров, а после перестановки ТВС в центральную область выгорающие поглотители, рассчитанные на цикл работы, равный 1 году, заменяются на кластерное регулирование.
Выгорающий поглотитель может вводиться в активную зону реактора в жидком виде, например растворенным в теплоносителе. Такой способ отличается большой гибкостью: в процессе работы можно менять концентрацию поглотителя.
Использование выгорающих поглотителей дает целый ряд очевидных преимуществ.
- Можно свести к минимуму число подвижных поглощающих стержней, оставив их в таком количестве, которое требуется только для тонкого оперативного регулирования. Выгорающий поглотитель загружается в активную зону в строго дозированном количестве, необходимом для компенсации избыточной реактивности, и по мере работы реактора синхронно выгорает с избытком топлива над критической массой, не требуя никаких устройств для его извлечения. Поэтому целесообразность уменьшения количества подвижных стержней является очевидной.
- Количество выгорающего поглотителя сравнительно легко можно увеличить в начале кампании, соответственно увеличивая первоначальную загрузку топлива в активную зону реактора. Это позволяет в разумных пределах повысить продолжительность кампании и как следствие увеличить глубину выгорания топлива.
- Имеется возможность улучшения характеристик активной зоны. Например, размещая выгорающий поглотитель по определенному закону, можно выравнять профиль энерговыделения по всему объему активной зоны реактора. Соответствующим подбором выгорающего поглотителя можно повлиять на температурный коэффициент реактивности.
Указанные преимущества не всегда могут быть полностью использованы вследствие технологических ограничений. Основные технологические и конструктивные проблемы заключаются в необходимости обеспечения высокой точности дозировки выгорающего поглотителя. Многие сплавы металлов с выгорающим поглотителем имеют низкую коррозионную стойкость и их следует размещать в защитной оболочке. При использовании в качестве выгорающего поглотителя изотопа бора идет реакция 10B(n, α)7Li и под действием образовавшегося газа (гелия) возможно растрескивание материалов.
Заметим также, что эффективное использование выгорающих поглотителей возможно только в реакторах на тепловых нейтронах, поскольку только в тепловой области энергий различные нуклиды имеют существенно различающиеся сечения поглощения нейтронов. В области высоких энергий сечения поглощения нейтронов ядрами всех элементов имеют один порядок величины. Поэтому в реакторах на быстрых нейтронах практически невозможно подобрать достаточно эффективный выгорающий поглотитель, так как при захвате ядром поглотителя нейтрона образуется новый нуклид, сечение поглощения которого будет мало отличаться от сечения поглощения нуклида-предшественника. В таких реакторах более эффективными являются подвижные органы регулирования, которые могут вводиться в активную зону и выводиться из нее.
Естественно, что в начале кампании реактивность реактора растет, так как выгорающий поглотитель выгорает быстрее топлива. По мере выгорания самого избытка топлива над критической массой реактивность проходит через максимум и затем вновь начинает уменьшаться. К концу кампании выгорает избыток топлива и выгорающий поглотитель, и дополнительные стержни вновь должны быть выведены из активной зоны реактора. Это явление носит название «выбега» реактивности. Он тем больше, чем выше сечение выгорающего поглотителя. При использовании в качестве выгорающего поглотителя изотопа 10В, сечение поглощения нейтронов которого примерно в 5,5 раза превышает сечение поглощения нейтронов 235U , наблюдается так называемый борный выбег. Таким образом, дополнительное количество стержней определяется выбегом реактивности. Очень важно не допустить ошибки в определении выбега реактивности, а следовательно, в количестве дополнительных поглощающих стержней. Если окажется, что эффективность дополнительных поглощающих стержней меньше выбега реактивности, то реактор в соответствующий момент времени пойдет в разгон и его нечем будет остановить.
- Пусть σu=σв. Это идеальный случай, топливо и выгорающий поглотитель выгорают синхронно, дополнительные поглощающие стержни не требуются.
Практически мы ограничены в выборе элементов, пригодных для использования в качестве выгорающих поглотителей. Они должны удовлетворять ряду требований. При гомогенном размещении выгорающих поглотителей в топливе они не должны ухудшать работоспособности тепловыделяющих элементов. При захвате нейтронов элементы выгорающих поглотителей должны превращаться в нуклиды, слабо поглощающие нейтроны.
В качестве выгорающих поглотителей чаще всего используются те же элементы, что и для поглощающих стержней. Широкое применение получил изотоп бора, сечение поглощения нейтронов которого значительно превышает сечение поглощения ядерного топлива. Поэтому заметный выбег реактивности неизбежен. При захвате нейтрона изотопом бора выделяется газообразный гелий, что приводит к дополнительному повышению давления в оболочке твэла. Кроме того, изготовление твэлов с гомогенной присадкой выгорающего поглотителя может привести к «загрязнению» цехов. Метод не гибкий, и в стационарных условиях изменить что- либо весьма трудно.
Таким образом, гомогенное размещение выгорающего поглотителя в топливе характеризуется серьезными недостатками и не получило широкого распространения. Блочное расположение выгорающего поглотителя. Выгорающий поглотитель вводится в отдельные блоки вне топлива и образует самостоятельную решетку. При использовании выгорающего поглотителя с большим сечением поглощения тепловых нейтралей.
