Энергетический реактор на быстрых нейтронах Действующие реакторные технологии Перспективы развития быстрых реакторов Российская программа по быстрым реакторам  Гомогенный реактор с отражателем Ядерная энергетика

Энергетический реактор на быстрых нейтронах

Жидкостное регулирование реактивности

Причины введения системы борного регулирования. Ее преимущества и недостатки.

В ядерных реакторах, типа ВВЭР-1000, широкое применение получило так называемое жидкостное борное регулирование. Суть его заключается в том, что в циркулирующую в первом контуре воду, выполняющую одновременно роль теплоносителя и замедлителя, добавляется определенное количество борной кислоты. Концентрация борной кислоты зависит от времени и определяется скоростью и глубиной выгорания топлива в период между частичными перегрузками топлива. После каждой частичной перегрузки концентрация борной кислоты максимальна и рассчитана на компенсацию реактивности, обусловленную избытком топлива над критической массой. К началу же очередной частичной перегрузки борная кислота полностью выводится из циркулирующей воды и концентрация ее становится равной нулю.

Главным достоинством борного регулирования является то, что введение борной кислоты не искажает поля плотности потока нейтронов в активной зоне реактора, так как бор равномерно распределен в циркулирующей воде. При этом механическая система компенсации реактивности (кластеры поглощающих стержней) предназначена только для компенсации температурного эффекта и отравления реактора и после выхода реактора на рабочий режим практически полностью выводится из активной зоны. В зоне остаются только стержни, выполняющие роль оперативного регулирования, суммарная эффективность которых сравнительно невелика (обычно несколько меньше bэф), поэтому искажения профиля плотности потока нейтронов за счет перемещения механической системы регулирования сводятся к минимуму.

Борное регулирование обеспечивает глубокую подкритичность реактора в холодном состоянии и при перегрузке топлива при температуре теплоносителя 20-60 °С.

Борное регулирование компенсирует медленные изменения реактивности связанные с выгоранием топлива, стационарным отравлением ксеноном и самарием, а также с нагревом и расхолаживанием реактора.

Концентрация борной кислоты в теплоносителе изменяется с помощью системы продувки-подпитки первого контура. Поэтому скорость изменения концентрации бора во время эксплуатации очень мала, что благоприятно для ядерной безопасности, но не отвечает требованиям оперативного регулирования мощности реактора при нормальной работе и тем более при аварийных ситуациях, связанных с быстрым изменением реактивности.

Выгорающие поглотители

В реакторах ВВЭР-1000 по мере усовершенствования технологии топлива применяется уран все более высокого обогащения (на сегодня уже около 5%) и весь увеличивающийся запас реактивности не может быть скомпенсирован только при помощи борного регулирования, иначе в воду надо вводить очень много кислоты, что влияет при выбранных параметрах решетки на условия ядерной безопасности. Поэтому в активную зону помещается твердый неперемещаемый выгорающий поглотитель (ВП), целями введения которого являются:

частичная компенсация запаса реактивности на выгорание в начальный период кампании топлива;

полное выгорание ВП на заключительном периоде кампании топлива и, соответственно, полное освобождение оставшейся реактивности первичного и наработанного вторичного топлива;

выравнивание распределение энерговыделения как по радиусу активной зоны реактора в целом, так и по сечению отдельных ТВС;

Такое название ВП получили потому, что исходные нуклиды, используемые в качестве выгорающих поглотителей и имеющие высокие сечения поглощения, после захвата нейтронов превращаются в нуклиды с заурядным небольшим сечением поглощения, что эквивалентно удалению поглотителя из активной зоны .

В идеале уменьшение концентрации выгорающего поглотителя при работе реактора должно было бы происходить так, чтобы скорость высвобождения реактивности при этом была равна скорости уменьшения начального запаса реактивности на выгорание и шлакование топлива с учетом воспроизводства. В таком случае равенство (6.1), относящееся к исходной загрузке активной зоны, было бы справедливо в любой момент кампании, вследствие чего подвижные поглотители при работе реактора в стационарном режиме перемещать не потребуется, а диапазон изменения концентраций борной кислоты будет небольшим. Такого идеального соответствия в водо-водяных реакторах достичь не удается, но все же положительный эффект от применения выгорающих поглотителей весьма ощутим. Кроме существенного снижения начальной стартовой концентрации борной кислоты и ограничения диапазона изменения ее концентраций, положительный эффект состоит еще и в том, что профилированное размещение выгорающего поглотителя в активной зоне позволяет целенаправленно уменьшать неравномерность распределения плотности энерговыделения нейтронов в ТВС.

Характер изменения запаса реактивности рзап в условия применения ВП будет определяться соотношением скоростей выгорания 235U и выгорающего поглотителя, а это соотношение скоростей во многом зависит от способа размещения выгорающего поглотителя в активной зоне и свойств нуклидов, применяемых в качестве ВП .

Способы размещения выгорающих поглотителей можно свести к двум основным разновидностям:

1) размещение выгорающих поглотителей, при котором обеспечивается примерное равенство средних значений плотности потока нейтронов в ядерном топливе и в выгорающем поглотителе (Фт »Фв.п). Такой выгорающие поглотитель называют гомогенный выгорающий поглотитель -ГВП (или неблокированными). Примером неблокированного размещения выгорающих поглотителей является их гомогенное перемешивание с ядерным топливом, введение их в виде присадок в материал кожухов ТВС или оболочек твэлов.;

2) блочное размещение выгорающих поглотителей, при котором их наружные слои экранируют внутренние, вследствие чего происходит постепенное обгорание этих поглощающих блоков . Такие выгорающие поглотители называются блокированными или самоэкранированными-СВП . Конструктивно они исполняются в виде отдельных абсолютно черных для нейтронов стержней, размещаемых внутри ТВС.

Для понимания эффектов воздействия ВП на реактор необходимо оценить какое влияние на баланс реактивности в процессе кампании реактора (и изменение эффективного коэффициента размножения) оказывает применение гомогенных и самоэкранированных выгорающих поглотителей (ГВП и СВП).

Гомогенные выгорающие поглотители 

Скорость изменения количества ядер ВП во времени будет описываться уравнением, которое абсолютно аналогично уравнению выгорания для 235U (5.1):

dNВП(t)/dt = - saВП NВП(t)*ФВП(t) (6.8)

Если разделить (6.8) на (5.1) то:

dNВП/ dN5 =(NВП *saВП ФВП) / (N5 *sa5 Ф5) (6.9)

Если ВП равномерно распределен в топливе, то в уравнении (6.9) соблюдается условие гомогенности размещения поглотителя ГВП ФВП » Ф5 =Ф.

Из аналитического вида решения уравнения (6.9) и требования полного выгорания ВП следует требование к сечениям нуклидов, которые можно использовать в качестве выгорающих поглотителей:

saВП >> sa5 (6.9в).

Поэтому в качестве выгорающих поглотителей могут использоваться такие материалы, как бор (естественная смесь изотопов бора 0,8 10B+0,2 10В с sa =767 б), кадмий и т. п. Очень удобны и хорошо проявили себя в практической эксплуатации малых реакторов ВВЭР также естественная смесь изотопов гадолиния (7 изотопов со значением sa »46 600 бн), смесь изотопов эрбия (5 изотопов со значением sa »10 000 бн).

При гомогенном размещении ГВП выгорает гораздо быстрее урана, поэтому в начале кампании положительная реактивность, высвобождаемая сгоранием ГВП, гораздо больше, чем падение реактивности от выгорания урана. В результате в балансе реактивности реактора (точнее в ОЗР), например малого реактора ВВЭР, наблюдается характерная для ГВП картина, изображенная на рис 6.1. Всплеск реактивности в начале кампании называется борный выбег.

1 — при g=0;

2 —при g=2;

3 — при g=4.

Рис. 6.1. Характер изменения Кэф в реакторах с ВП с различным параметром степени самоэкранированности ВП g.

Все указанные недостатки ГВП, и в первую очередь существенные борные выбеги, заставили искать регулирования скорости выгорания поглотителя через применение блокированных выгорающих поглотителей.

Блокированные (Самоэкранированные) выгорающие поглотители -СВП. Блоки выгорающего поглотителя с большим сечением поглощения рассматриваются как гетерогенная решетка из абсолютно черных стержней в условно гомогенизированной активной зоне .

К сожалению, простой модели количественного описания подобных эффектов не существует, возможно лишь упрощенное качественное рассмотрение.

Введение в активную зону блокированного выгорающего поглотителя приводит к заметной деформации нейтронного поля в области его расположения, причем эта деформация по мере обгорания блока заметно уменьшается, как показано на рис. 6.2. Понятно, что блоки или стержни выгорающего поглотителя СВП сначала обгорают по поверхности (с объемом 2pr*dr), а затем поверхностные слои становятся прозрачными и начинается уже объемное выгорание ( в объеме pr2).

Влияние степени самоэкранировки g показано на рис 6.1 для значений 2 и 4. Видно, что борный выбег уменьшается и может быть полностью исключен, в то же время эффект действия поглотителя смещается на вторую половину кампании. Но слишком большое блокирование может привести к тому, что в зоне в конце кампании останется много невыгоревшего поглотителя и это не даст полностью реализовать деление оставшегося урана.

Разумеется наилучшего эффекта можно достичь комбинированным применением ГВП и СВП.

 

Рис. 6.2 Характер изменения радиального распределения нейтронного потока Ф по ячейке самоэкранированного выгорающего поглотителя при увеличении энерговыработки реактора Q1 Þ Q2.


 


Повреждений, вызванных в живом организме излучением