ГЛАВА 3
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ФИЗИКИ ГАЗООХЛАЖДАЕМЫХ РЕАКТОРОВ
§ 3.1. ВЛИЯНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ГАЗОВОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ НА ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В РЕАКТОРАХ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Реакторы на тепловых нейтронах
Если сравнить уран-графитовые реакторы с водяным (типа РБМК) и гелиевым (ВТГР) теплоносителем, то, на первый взгляд, различие между ними с точки зрения нейтронно-физических процессов невелико, так как в обоих случаях нейтроны замедляются в основном графитом. При равных температурах графита и одинаковом содержании топлива температурный эффект реактивности, эффективность поглощающих материалов и ряд других показателей этих реакторов могут оказаться близкими. Однако при более внимательном рассмотрении выявляются существенные различия в физике реакторов типа РБМК и ВТГР. Они обусловлены в основном двумя факторами — более высокой температурой и большей глубиной выгорания топлива в ВТГР. Возможность повышения температуры теплоносителя в ВТГР до 950—1150° С и глубины выгорания топлива (урана, тория, плутония) до 10% определяется свойствами как самого гелия, так и микротвэлов ВТГР с многослойными графитовыми или керамическими покрытиями. Отсутствие металла в твэлах и микротвэлах ВТГР повышает, кроме того, коэффициент полезного использования нейтронов в этих реакторах.
Вследствие высокой температуры теплоносителя и материалов активной зоны в ВТГР существенно увеличивается температурный эффект реактивности. Падение реактивности при разогреве связано как с ростом эффективного резонансного интеграла 238U и длины диффузии, так и с изменением спектральных характеристик: падением σf и увеличением α=σc/σf, что особенно заметно в случае уранового топлива с 235U в качестве делящегося нуклида.
В ВТГР целесообразнее применять ториевый топливный цикл с 233U в качестве делящегося нуклида. В этом случае на один поглощенный в 233U нейтрон образуется большее число вторичных нейтронов να, вследствие чего повышается КВ. Кроме того, в 233U величина а медленнее растет с повышением температуры, что уменьшает температурный эффект реактивности.
Большая глубина выгорания может быть достигнута в ВТГР с шаровыми твэлами за счет режима непрерывных перегрузок с движением топлива в направлении по высоте активной зоны. При однократном и одновременном прохождении всей массы шаровых твэлов через активную зону возникающая неравномерность энерговыделения по высоте не только не приводит к каким-либо осложнениям, но и является благоприятным обстоятельством, так как происходит выравнивание по высоте распределения максимальной в центре твэла температуры топлива, которая определяет возможности повышения энергосъема. Выходящие из активной зоны шаровые твэлы имеют примерно одинаковую глубину выгорания. Это объясняется тем, что каждый твэл проходит в аксиальном направлении через всю активную зону, а также физическим профилированием и имеющейся в ряде конструкций ВТГР возможностью выбора необходимой скорости твэлов в различных радиальных зонах.
Перегрев топливного керна может привести к нежелательным последствиям (его смещению по отношению к покрытиям микротвэла — эффекту «амебы» и к выходу газовых осколков деления).
Выравнивание температуры центра твэлов достигается за счет снижения их мощности, которое происходит по мере роста глубины выгорания топлива при однократном прохождении шаровых твэлов через активную зону в направлении движения теплоносителя. Данный способ пропускания твэлов и теплоносителя через высокотемпературный реактор, обозначаемый сокращенно ОПАЗ [87], оказался весьма плодотворным и принят в настоящее время во многих проектах ВТГР с шаровыми твэлами.
Специфика всех газоохлаждаемых реакторов — необходимость оценки аварийного эффекта реактивности при заполнении активной зоны водой или паром. Это существенно и в реакторах с шаровой засыпкой твэлов, где пористость активной зоны максимальна и составляет около 40%. Эффект реактивности из-за заливки водой в ВТГР обычно не очень велик (до ~3—5% ∆k) и может иметь различный знак. Суммарный эффект реактивности вследствие заполнения водой связан с ролью воды как замедлителя и как поглотителя. В системах с высоким КВ, обусловленным более жестким спектром нейтронов в силу меньшего графит-уранового отношения эффект реактивности при заливке активной зоны водой положителен и максимален. Эффект изменения реактивности при заполнении активной зоны теплоносителем или при его потере в ВТГР практически отсутствует.
Реакторы на быстрых нейтронах
БГР с гелиевым теплоносителем — альтернативный вариант реакторов с расширенным воспроизводством топлива. Основная задача этих реакторов — обеспечить достаточно малое время удвоения мощности или топлива в системе реакторов. Реакторы на быстрых нейтронах с гелиевым (БГР) и с натриевым теплоносителями близки по структуре активных зон и по основным нейтронно-физическим процессам в них. Выходная температура гелия в БГР ниже, чем в ВТГР, и составляет ~620—650° С, что на ~50—100° С выше температуры натрия на выходе из активной зоны БН, при этом температура пара на выходе из парогенератора из-за худшего коэффициента теплоотдачи гелия примерно одинаковая в обоих типах реакторов на быстрых нейтронах и общие к. п. д. установок практически равны. По той же причине температура оболочек твэлов в БГР при равных с реактором БН тепловых потоках на ~ 100° выше и составляет ~800°С, что требует применения более температуростойких и одновременно более сильно поглощающих нейтроны сплавов, тогда как в БН используется сталь с допустимой температурой нагрева ~700—720° С (без учета горячих точек).
Как показали исследования [88], повышение температуры оболочек, выполненных из материалов с высоким содержанием никеля, и удельной мощности активной зоны перекрывает отрицательный эффект более сильного, чем в стали, поглощения нейтронов в оболочках твэлов. Время удвоения топлива в БГР при этом заметно снижается, вплоть до приемлемых значений. Следовательно, сравнительно низкий коэффициент теплоотдачи гелия, используемого в БГР в качестве теплоносителя, требует разработки новых, более температуростойких оболочек, которые в принципе можно использовать в БН, что несколько улучшит его характеристики.
Основное преимущество газового теплоносителя по сравнению с натриевым состоит в следующем: он практически не замедляет нейтроны, вследствие чего спектр нейтронов в реакторе ужесточается и повышается общий КВ реактора за счет увеличения числа вторичных нейтронов на акт поглощения нейтронов в делящихся нуклидах, а также за счет роста интенсивности надпорогового деления 238U и 240Рu. Однако ужестчение спектра приводит также к снижению усредненной по спектру вероятности резонансного поглощения нейтронов в 238U, что несколько снижает мощностной коэффициент реактивности и ухудшает саморегулируемость реактора.
В БГР становятся более существенными, чем в ВТГР, аварийные эффекты реактивности, обусловленные заполнением активной зоны и зон воспроизводства водой, которые зависят от состава топлива. В топливе на основе обогащенного урана эффект реактивности вследствие заполнения активной зоны водой велик и достигает 20—30% Δkэф. В плутониевом топливе, основном для реакторов на быстрых нейтронах, эффект роста реактивности при появлении в зоне воды заметно снижается и может изменить знак [89].
Данное явление объясняется присутствием в активной зоне нуклида 240Рu, сильно поглощающего нейтроны в тепловом или эпитепловом спектре и являющегося хорошим топливом в энергетическом спектре реактора на быстрых нейтронах. Заметим, что возможность попадания воды зависит от конструкции реактора и в ряде случаев следует учитывать лишь заполнение активной зоны паром. Эффекты реактивности при аварийной потере теплоносителя в результате разрыва контура в БГР более существенны, чем в ВТГР, но заметно ниже аналогичных эффектов в БН.
