Правильный выбор максимально допустимого диаметра модулей обеспечивает достаточную эффективность регулирующих стержней, располагаемых лишь в стенках модулей и не вводимых в засыпку шаровых твэлов. Согласно расчетным данным, полученным методом Монте-Карло [92], эффективность 96 поглощающих стержней из В4С плотностью 1,6 г/см3 и диаметром 70 мм (см. рис. 3.1) составляет ~33% Δkэф. Этого более чем достаточно для компенсации всех эффектов реактивности реактора.
Изменение реактивности в высокотемпературных реакторах с урановым топливом прежде всего определяется температурным эффектом реактивности, достигающим в ряде случаев (5-10) % Δkэф и зависящим от выходной температуры гелия и от режима работы реактора. Основное влияние на температурный эффект реактивности оказывает доплеровское уширение резонансных уровней, рост в связи с этим эффективного резонансного интеграла 238U Jэф и падение вероятности избежать резонансный захват в 238Uφ8, а в сравнительно небольшом по размеру реакторе; ВТГР-500 — также и увеличение длины диффузии L тепловых нейтронов (табл. 3.1), происходящее из-за снижения макроскопического сечения поглощения Σα в активной зоне. Возраст нейтронов τ уменьшается при разогреве из-за роста энергии сшивки Есш тепловых и замедляющихся нейтронов. Ввиду физической гомогенности активной зоны ВТГР с топливом в графитовой матрице эффекты разблокировки топлива и изменения коэффициента использования тепловых нейтронов Θαυ при нагревании практически не влияют на температурный эффект реактивности. Блокировка поглощающих стержней при нагревании увеличивается вследствие более слабого, чем в активной зоне, падения сечений поглощения в стержне, и эффективность регулирующих стержней несколько снижается.
Таблица 3.1
Зависимость параметров активной зоны ВТГР-500 с урановым топливом от температуры (ячейка с обогащением 6,5% по 236U и загрузкой 1,47 г 235U на 1 см3 топливной матрицы)
В случае использования 235U при нагревании до ~1000°С заметно уменьшается среднее число вторичных нейтронов на один, поглощенный в уране, ναυ· Как уже отмечалось, предпочтительнее 233U, при делении которого образуется больше вторичных нейтронов, причем их число vа3 не так сильно уменьшается с ростом температуры, как в 235U.
Температурный эффект реактивности зависит также от состава активной зоны в начальном, переходном или установившемся режимах работы реактора. В режиме установившихся перегрузок при однократном прохождении твэлов через активную зону температурный эффект реактивности отдельных областей активной зоны с различной глубиной выгорания может быть усреднен в первом приближении с весовой функцией — квадратом потока тепловых нейтронов. В начальной загрузке с однородным по высоте составом активной зоны на температурный эффект влияют дополнительные поглотители (ДП), используемые для компенсации реактивности, идущей на обеспечение выгорания топлива.
В целом, по результатам расчетов, температурный эффект в установившемся режиме ниже, чем в начальном. Дополнительное снижение температурного эффекта реактивности достигается при переходе на ториевый топливный цикл. Варьирование графит-уранового отношения в начальном состоянии реактора практически не изменяет температурного эффекта.
Остановимся еще на одном эффекте реактивности — отравлении реактора ксеноном. Поскольку плотность потока тепловых нейтронов в любом режиме работы ВТГР-500 превышает (0,8— 1)х1014 нейтр./(см2-с), стационарное отравление ксеноном практически одинаково как в начальном состоянии, так и в режиме установившихся перегрузок и составляет ~3% Δkэф. Йодная яма в установившемся режиме (~ 1,5% Δkэф ) выше, чем в начальном состоянии (~0,5% Δkэф), вследствие меньшей загрузки делящихся нуклидов и более высокой плотности потока тепловых нейтронов. Стационарное отравление самарием определяется макроскопическим сечением деления и снижается при переходе от начального режима к режиму установившихся перегрузок.
Суммарная реактивность, которую необходимо иметь в холодном, неотравленном состоянии реактора, достигает 10—15% Δkэф. Эта реактивность должна быть подавлена всеми имеющимися органами компенсации, за исключением систем АЗ и АР, с обеспечением запаса не менее 1 % Δkэф на создание подкритичности реактора. При аварийном заливе реактора водой реактивность может увеличиваться на 3—5% Δkэф, и это нужно учитывать при выборе общей эффективности регуляторов.
Рассчитать эффективность поглощающих стержней можно различными способами, в частности двухгрупповым аналитическим методом [93] с использованием эффективных граничных условий на поверхности стержня и альбедных условий на внешней поверхности одномерного в радиальном направлении реактора. Расчеты эффективности стержней в начальной загрузке активной зоны основного варианта ВТГР-500 с каналами для шаровых твэлов и стержней регулирования в графитовой кладке показали, что для компенсации эффектов реактивности достаточно 61 стержня, равномерно расположенных в активной зоне по треугольной сетке с шагом 665 мм. Суммарная эффективность стержней составила 28% Δkэф в холодном состоянии и 26% Δkэф в горячем при условии, что поглощающие части стержней были выполнены из графитовых втулок диаметром 60 мм и толщиной стенки 10 мм с содержанием карбида бора в графитовой матрице 0,45 г/см3.
