Кинетика и регулирование ядерных реакторов - Тепловыделение в поглощающих стержнях

Поглощение нейтронов в материалах стержней сопровождается испусканием α-частиц или γ-квантов. В борсодержащих стержнях реализуется реакция (n, а), в остальных материалах, используемых для поглощающих стержней, захват нейтронов сопровождается реакцией (я, у). Энергия α-частиц или γ-квантов (в зависимости от вида реакции) рассеивается в материалах стержней в виде тепловой энергии. При поглощении нейтронов в борсодержащих материалах идет реакция 10В (n, а)7Li+2 МэВ. Вследствие малых пробегов α-частиц практически вся энергия их рассеивается в материале поглотителя. При реакции (n, γ) энергия γ-квантов вследствие их большой проникающей способности рассеивается в материале поглотителя только частично. Однако если учесть, что энергия γ-квантов может превышать энергию а-частиц, образующихся в борсодержащих материалах, в 3—4 раза, то тепловыделение в этих материалах будет приблизительно одинаковым.
Следует отметить, что в случае неравномерности плотности потока нейтронов в активной зоне реактора, что практически всегда имеет место, тепловыделение в стержнях тоже неравномерное. Большие «перекосы» поля нейтронов обусловлены самими поглощающими стержнями. При частичном погружении стержня нижний конец его оказывается в области более высокой плотности потока нейтронов и тепловыделение в нем выше. Захват нейтронов в сильных поглотителях неравномерен по сечению стержня, так как поглощение нейтронов идет преимущественно в поверхностных слоях. Все это может привести к заметным градиентам температуры как по высоте, так и по сечению стержня. Поэтому, если не обеспечить соответствующий теплоотвод, возможна деформация стержней. Поскольку каналы, в которых перемещаются стержни, имеют небольшие зазоры, то при заметной деформации может произойти заклинивание стержня. Отказ в работе стержней СУЗ чреват тяжелыми последствиями и недопустим, так что необходимо обеспечить надежный теплоотвод.
Тепловыделение в стержнях составляет примерно 1—2% энергии деления, т. е. практически тепловыделения в твэлах. В корпусных реакторах поглощающие стержни омываются основным потоком теплоносителя наряду с твэлами и теплоотвод от поглощающих стержней обеспечивается с большим запасом. В канальных реакторах поглощающие стержни размещаются в своих индивидуальных каналах и не омываются основным теплоносителем. Поэтому для охлаждения стержней СУЗ имеется автономный контур охлаждения, рассчитанный обычно на низкое давление и температуру, не превышающую 100 °С.