ВЫРАВНИВАНИЕ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ ПО АКТИВНОЙ ЗОНЕ

Из рассмотрения реакторов с однородной активной зоной и отражателем следует, что существует значительная неравно­мерность в распределении потока нейтронов (энерговыделения) по объему реактора. Так, в цилиндрической активной зоне реак­тора максимальная тепловая нагрузка превышает среднюю бо­лее чем в 3 раза. Поэтому необходимо применять какие-либо меры по выравниванию нейтронного потока, чтобы уменьшить коэф­фициенты неравномерности. Известно большое число способов уменьшения неравномерности энерговыделения в современных энергетических реакторах. Все они сводятся к выравниванию числа актов деления ядер топлива по объему активной зоны (физическое профилирование). Поскольку в ре­акторах на тепловых нейтронах

(*)

то добиться требуемого выравнивания можно либо чисто внешними средствами (например, рабочими органами СУЗ, выго­рающими поглотителями и т. д.), либо изменяя концентрацию ядерного топ­лива по объему реактора. В современных реакторах чаще используют второй способ как наибо­лее эффективный.

Из формулы (*) следует, что распределение удельного тепловыделения по объ­ему активной зоны определяется распределениями N₅(r) — концент­рации ядер ²³⁵U и плотности пото­ка тепловых нейтронов Ф_т(r) по объему активной зоны. Величина E_f в является фи­зической константой, Σ_f5 хоть и зависит от спектра нейтронов (он может изменяться по объему реактора), но σ_f5 можно тоже считать константой. Поэтому для выравнивания тепло­выделения используются способы, основанные на изменении распре­деления N₅(r) и Ф_т(r) по объему активной зоны. К этим способам относятся:

1) применение эффективных отражателей нейтронов, расположенных вокруг активной зоны, позволяющих уменьшить утечку нейтронов и тем самым выровнять распределение плотности потока тепловых нейтронов и соот­ветственно тепловыделение;

2) создание многозонных реакторов, в которых распреде­ление ядер ²³⁵U по радиусу актив­ной зоны выполнено таким обра­зом, чтобы изменение концентрации N₅ было примерно обратно пропор­ционально изменению Ф_т;

3) применение твердых и жидких поглотителей, изго­товленных из материалов, сильно поглощающих тепловые нейтроны. Поглотитель стремятся располагать по радиусу и высоте активной зоны таким образом, чтобы его концент­рация была прямо пропорциональ­на Ф_т.

 

Рассмотрим выравнивание энер­говыделения с помощью распре­деления топлива. Наиболее просто это можно осуществить по радиусу реактора.

Качественные распределе­ния потока тепловых нейтронов и ядерной плотности ²³⁵U, соответствую­щие достижению идеального физического профилирования по радиусу реактора [q(r) = const], показаны на рисунке.

Профилирование энеproвы деления по радиусу активной зоны реак­тора (идеальный случай)

 

Однако добиться на практике физического профилирования энергетиче­ских реакторов с помощью непрерывного изменения концентра­ции делящегося вещества весьма трудно по технологическим и конструктивным причинам.

В связи с этим возникает задача о зонном профилировании активной зоны, при котором концентрация делящегося вещества меняется скачком от зоны к зоне, оставаясь практически по­стоянной внутри каждой из них. Число зон и их размеры зави­сят в основном от принятого режима перегрузки. Обычно на практике ограничиваются двумя зонами: центральной и периферийной. Распределение энерговыделения и ядерной плотности ²³⁵U по радиусу в случае двухзонного реактора имеют вид, представленный на рисунке.

Зонное профи­лирование по ра­диу­су активной зоны реак­тора

Необходимо отметить, что, рас­полагая топливо с высоким обогащени­ем на периферии активной зоны, мы уве­личиваем вероятность утечки нейтронов за пределы реактора, ухудшая тем са­мым баланс нейтронов. Тем не менее в настоящее время практически во всех реакторах применяется физическое про­филирование. Поэтому расчет многозон­ного реактора - одна из важнейших за­дач теории критических размеров.

 

При зонном профилирование (компоновке) топлива активная зона состоит из нескольких зон, различающихся между собой размножающими свойствами. Типичный пример рас­пределения плотности потока нейт­ронов по радиусу в двухзонной цилиндрической активной зоне с отражателем показан на рисунке.

Распределение плотности потока нейтронов по радиусу в двухзонной активной зоне с отражателем.

Зонная компоновка активной зоны принята, например, в корпусных ядерных энергетических реакторах с обычной водой в качестве замед­лителя и теплоносителя (ВВЭР), где свежее топливо, т. е. более обо­гащенное, располагается в перифе­рийной зоне, а выгоревшее, т. е. ме­нее обогащенное, находится в цент­ральной зоне.

Действие отражателя основано на том, что покидающие активную зону нейтроны попадают в окру­жающую среду и находятся в ней в хаотическом движении, так же как в самой активной зоне. Поэто­му часть нейтронов, отражаясь от ядер среды, может возвратиться обратно. Отсюда результирующая утечка нейтронов из активной зоны уменьшается. Отношение числа нейтронов, возвращающихся в ак­тивную зону в результате отраже­ния, к числу попадающих в отра­жатель нейтронов называют коэф­фициентом внутреннего от­ражателя нейтронов или альбедо β.

В ядерных реакторах на тепло­вых и промежуточных нейтронах в качестве отражателей используют­ся вещества, хорошо замедляющие и слабо поглощающие нейтроны, т. е. вещества-замедлители нейтро­нов. Они обладают самыми высо­кими альбедо; например, у слоя обычной воды толщиной 2L, где L — длина диффузии тепловых нейтронов, β=0,8, у слоя бериллия той же толщины β=0,9, у графита β=0,94 и утяжелой воды β=0,98.

При этом в отражателе помимо отражения собственно тепловых нейтронов в активную зо­ну происходит замедление быстрых нейтронов, причем более эффектив­но, чем в самой активной зоне, где имеется определенная вероятность захвата нейтронов. Часть замедлив­шихся нейтронов возвращается в активную зону и еще больше повы­шает плотность потока тепловых нейтронов Ф_т(r) вблизи отражате­ля. Типичное распределение Ф_т(r) при наличии отражателя и без него показано на рисунке.

 

 

Видно суще­ственное выравнивание Ф_т(r) в ак­тивной зоне за счет отражателя. Влияние отражателя, грубо говоря, сводится к уменьшению утечки нейтронов из активной зоны и соответственно к уменьшению критических размеров реакто­ра. Для геометрического параметра B_g² это уменьшение учитывается так называемой эффектив­ной добавкой Δ, которая примерно равна длине линейной экстраполяции δ.

В энергетических ядерных реакторах на тепловых нейтронах замедлитель и от­ражатель обычно выполняются из одного материала. У таких реакторов значение δ зависит от толщины отражателя Т и от­ношения (τ/L)_otp.

Влияние толщины отражателя на зна­чение Δ проявляется из-за того, что слои отражателя, находящиеся на различных расстояниях от активной зоны, отражают нейтроны по-разному. Наиболее эффектив­ными отражателями являются слои, рас­положенные вблизи активной зоны. С уве­личением расстояния от границы активной зоны эффективность отражения нейтронов падает, так как уменьшается доля нейтро­нов, попадающих в удаленные слои отра­жателя. Поэтому оказывается, что эффек­тивность слоя отражателя толщиной Т≈1,5М [где М — длина миграции в отра­жателе] близка к эффективности слоя бесконечной толщины, и дальнейшее увеличение толщины отражателя бесполез­но. Для графита предельная тол­щина составляет около 90 см, для обыч­ной воды — приблизительно 10 см. При оценке отражателей толщиной, равной или большей 1,5М, можно принять, что эффек­тивная добавка равна длине миграции в матерале отражателя (Δ≈М). Тогда для отражателя из графита Δ=60 см, а из обычной воды Δ=6 см (более точные оценки дают 7 см).

Для каждого замедляющего вещества существует предельная тол­щина отражателя, превышение которой практически не сказы­вается на распределении потока тепловых нейтронов в актив­ной зоне. Эта предельная толщина отража­теля составляет:

для тяжелой воды.......80 см

графита..........120 см

бериллия.........50 см

Природная вода из-за сильного поглощения ею нейтронов не годится в качестве отражателя. Если толщина отражателя меньше 30% предельных значений, то эффективные добавки следует принимать равными толщине отражателя. При от­ражателе предельной толщины эффективные добавки можно принимать равными 50% толщины отражателя. Для промежу­точных значений толщины отражателя эффективные добавки можно находить линейной интерполяцией.

Коэффициенты неравномерности по радиусу и высоте цилиндриче­ской активной зоны радиусом R и высотой H с отражателем нейтро­нов:

 

 

Отсюда следует, что при на­личии отражателя коэффициенты неравномерности уменьшаются.

 

Однако в энергетических реакторах Δ<<min(R,H), поэтому коэффи­циенты мало отличаются от коэф­фициентов неравномерности для ре­акторов без отражателя. В неболь­ших реакторах, когда величина Δ соизмерима с R и H, влияние отра­жателя на коэффициенты неравномерности существенно. Например для водо-водяного реактора с размерами активной зо­ны Н=2R=1м при Δ=0,1 м зна­чение k_z уменьшается от 1,57 до 1,35, k_r—от 2,32 до 1,74 и k_v=k_rk_z — от 3,64 до 2,34 (т. е. в 1,5 раза). Тогда получается, что без изме­нения размеров активной зоны использование отражателя позво­ляет увеличить мощность реактора в 1,5 раза. При этом существенно выравнивается энерговыделение по объему активной зоны.

В ядерных реакторах на быст­рых нейтронах вещества-замедлите­ли отсутствуют и в качестве мате­риала отражателей используются тяжелые нуклиды ²³⁸U или ²³²Th, которые кроме отражения быстрых нейтронов в основном служат для воспроизводства новых делящихся нуклидов. Эти нуклиды получаются при поглощении ядрами ²³⁸U или ²³²Th вылетевших из активной зо­ны нейтронов. Поэтому зоны где находятся эти материалы, принято называть не отражателя­ми, а зонами воспроизвод­ства.

 

В современных энергетических реакторах одновременно применя­ются все перечисленные выше спо­собы выравнивания тепловыделе­ния. В результате достигаются следующие значения коэффициен­тов неравномерности: по радиусу 1,2-1,5; по высоте k_z= 1,3-1,5; по объему 1,5‑2,5. Например, в реакторе типа ВВЭР это дало возможность снизить коэффициент k_v в 2 раза: с 4,8 (реактор ВВЭР-210 на I блоке Нововоро­нежской АЭС) до 2,4 (реактор серийный ВВЭР-440).

В процессе работы реактора происходит выгорание топлива и поглотителя, соответственно изменя­ется распределение тепловыделения по активной зоне. Поэтому прово­дится изменение распределения по­глотителей во времени таким обра­зом, чтобы обеспечить минимизацию рассмотренных коэффициентов неравномерности.