GOSy_teoria_2013

Для ВВЭР кипящего типа определяющим является паровой эффект реактивности п, имеющий отрицательный паровой коэффициент реактивности. Рост парообразования уменьшает количество замедлителя в активной зоне, снижая и наоборот.

ВЯР с графитовым замедлителем и H2O теплоносителем (РБМК) паровой ТКР может быть положительным, т.к. изменение доли пара в пароводяной смеси практически не влияет на замедление нейтронов (концентрация графита, определяющая спектр нейтронов, остается постоянной), а поглощение нейтронов в воде уменьшается.

ВЯР с газовым или жидкометаллическим теплоносителем знак и значение изменения реактивности при изменении температуры зависят от поглощающей и рассеивающей способностей наиболее чувствительных к температуре компонентов активной зоны. Например, в ЯР с воздушным охлаждением эффект, вызванный тепловым расширением теплоносителя,

имеет порядок +2 10–5 1/0C. Но здесь необходимо учитывать барометрический эффект (изменение от давления в контуре, такая связь реактивности и давления обусловлена тем, что концентрация атомов газа сильно зависит от давления): p=d (P)/dP, 1/МПа, где d (P) – изменение реактивности при изменении давления Р теплоносителя. Для воздуха барометрический коэффициент в ЯР на тепловых нейтронах имеет порядок –(10–2 10–1) 1/МПа. Барометрический эффект для ВВЭР слаб, так как вода – слабосжимаемая жидкость. Более сильно барометрический коэффициент проявляется в кипящих ЯР.

60. Физические условия устойчивости реактора к Хе колебаниям.

Физические условия устойчивости ядерного реактора.

Все факторы, влияющие на изменение коэффициента размножения, можно разделить на стабилизирующие (при изменении k меняются параметры ЯР, которые приводят в конечном итоге к неизменности коэффициента размножения), приводящие к неустойчивости и условно стабилизирующие. При этом необходимо отметить, что деление условно, и для каждого ЯР действие одних и тех же факторов может быть отнесено к другим группам.

Втаблице приведены основные факторы, определяющие устойчивость ЯР

вбольшинстве случаев.

Видно, что во многом влияние на устойчивость определяется временем протекания того или иного процесса. Как правило, быстро протекающие процессы обуславливают устойчивость ЯР, а долго протекающие – его неустойчивость. Рассмотрим более подробно перечисленные факторы с точки зрения их влияния на устойчивость.

101

102

1. Температура топлива. Возрастает практически мгновенно после изменения мощности. Из-за действия эффекта Доплера практически всегда обуславливает

отрицательный ТКР. Типичные значения составляют величины порядка –10-5

0C–1.

2.Температура замедлителя. Возрастает с увеличением мощности. Это связано с непосредственной передачей энергии при замедлении нейтронов, а также с теплопередачей от топлива и теплоносителя. ТКР по замедлителю для

реакторов с жидким замедлителем определяется изменением его плотности, и типичные значения ТКР в этом случае лежат в диапазоне 0÷ -20·10-5 0C–1.

Вреакторах с твердым замедлителем и топливом 239Pu ТКР по замедлителю может быть положительным и приводить к неустойчивости.

3.Ксенон. Изменение реактивности вследствие накопления ксенона всегда отрицательно. Времена изменений, связанные с ксеноном, составляют несколько часов. При возрастании мощности концентрация ксенона сначала убывает, а затем возрастает до некой равновесной величины, превышающей первоначальную. Вследствие того, что время запаздывания процесса больше любого времени запаздывания, этот фактор практически всегда действует в сторону неустойчивости.

4.Кипящие водяные реакторы проектируются так, чтобы паровой КР был всегда отрицателен. Вместе с тем величина реактивности зависит от места в ЯР. Так, например, в центре кипящего ЯР эффект уменьшения поглощения может стать более существенным, чем эффекты уменьшения замедления и увеличения утечки, как следствие, местный коэффициент реактивности может оказаться положительным.

Время изменения парообразования определяется временем, через которое пузырек пара покинет активную зону. Этот процесс может повторяться

103

многократно и, как следствие, неустойчивость может возникать даже при отрицательном паровом КР.

5.Запаздывающие нейтроны. Уменьшают изменение мощности так, что оказывают стабилизирующее влияние в переходных процессах (реактор на мгновенных нейтронах имеет огромное неуправляемое изменение мощности).

6.Утечка нейтронов. Распределение мощности в критическом реакторе соответствует оптимальной утечке для данного реактора. В связи с этим при всяком возмущении мощности изменяется утечка и, таким образом, оказывает стабилизирующее влияние на процессы в ЯР.

Рассматривая нестационарное ксеноновое отравление необходимо отметить две его особенности. Первая – положительная обратная связь по ксеноновой составляющей реактивности: например, уменьшение потока нейтронов приводит к увеличению концентрации ксенона, уменьшению реактивности и, следовательно, к еще большему уменьшению потока нейтронов. Вторая – это изменение направления развития процесса на обратное спустя несколько часов после его начала. Как правило, исходное возмущение является локальным (например, перемещение стержня СУЗ. Все это вызывает в энергетических реакторах ксеноновую нестабильность или ксеноновые колебания. Вероятность возникновения ксеноновых колебаний возрастает с увеличением размеров реактора.

Случайное увеличение потока нейтронов в ограниченном объеме, вызванное изменением мощности, перемещением стержней или другими причинами приводит сначала к снижению концентрации ксенона, росту реактивности и дальнейшему повышению мощности. Постепенно концентрация ксенона становится выше первоначальной, реактивность и мощность начинают снижаться, концентрация ксенона расти и процесс

превращается в циклический с периодом ксеноновых колебаний 6 10 часов. Причем вследствие того, что для компенсации первоначального увеличения мощности будут приняты меры по уменьшению потока не только вблизи первоначального источника возмущений, но и в областях вдали от него, ксеноновые колебания распространяются по всему объему реактора и могут привести к перегреву ТВЭЛов. Для предотвращения колебаний реактор должен управляться стержнями по специальной программе.

Так, для реактора ВВЭР–1000 радиальные и азимутальные деформации распределения мощности могут быть скомпенсированы извлечением или погружением определенных групп поглотителей. Высотные деформации можно компенсировать с помощью специально предусмотренной для этой цели группы управляющих стержней с половинной высотой поглотителя, перемещая их по высоте активной зоны.

104

61. Концепция внутренней безопасности реакторов.

Внутренняя безопасность реализуется на использовании естественных законов природы (гравитация, естественная циркуляция, испарение). Привлекательность использования естественных законов в концепции безопасности – постоянство их действия, независимость от внешних факторов. Принцип многобарьерности – последовательный ряд преград на пути распространения радиоактивности. Нарушение барьеров возможно лишь при наложении большого числа маловероятных неисправностей, что практически нереализуемо.

Анализ переходных и аварийных режимов ЯЭУ показывает, что отрицательный температурный коэффициент реактивности оказывает решающее влияние на устойчивость работы реактора в переходном режиме.

62. Безопасность в аварийных ситуациях.

Анализ переходных и аварийных режимов ЯЭУ показывает, что отрицательный температурный коэффициент реактивности оказывает решающее влияние на устойчивость работы реактора в переходном режиме.

Установлено, что реактор не может быть доведен до атомного взрыва. Если реактор имеет даже положительный температурный коэффициент реактивности и пойдет в разгон, то в конце концов он снова возвратится в подкритическое состояние вследствие расплавления активной зоны и т.д. но не исключается возможность теплового взрыва.

Во всех аварийных случаях, связанных с быстрым возрастанием плотности нейтронов, чем больше температурный коэффициент, тем лучше.

При заданном допустимом максимальном уровне мощности, чем больше температурный коэффициент, тем больше может быть допустимая скорость изменения реактивности.

Это – «пусковая авария».

Слишком большой температурный коэффициент реактивности также нежелателен, т.к. при этом становится возможной аварийная ситуация, связанная с понижением температуры теплоносителя.

В реактор, работающий при нормальной температуре, вдруг внезапно начинает поступать свежий теплоноситель (холодный), что приводит к понижению средней температуры реактора. Это, в свою очередь, приведет к увеличению реактивности, и плотность нейтронов начинает возрастать. После того, как теплоноситель снова нагреется, начнет проявляться ограничивающее действие отрицательного температурного коэффициента. Но может случиться и так, что при очень быстром возрастании мощности

105

отрицательный температурный коэффициент не обеспечит сохранности реактора.

Максимальная мощность, которая достигается в рассматриваемом аварийном режиме, тем больше, чем больше результирующее понижение температуры активной зоны.

При заданном допустимом уровне мощности, чем больше отрицательный температурный коэффициент, тем меньше допустимое понижение температуры и допустимая скорость изменения реактивности в аварийном режиме.

63. Качественное описание распределений плотности тепловыделения в ТВЭЛе, замедлителе, теплоносителе, в активной зоне в целом и в отражателе.

Составляющие тепловыделения:

1.кинетическая энергия осколков деления (осн. доля тепловыделения).

2.замедление нейтронов.

3.торможение бета-частиц.

4.реакция (n, ).

Суммарное тепловыделение в твэлах распределено пропорционально распределению плотности деления.

Доля энергии замедляющихся гамма-квантов и нейтронов зависит от структуры АЗ.

В графитовом замедлителе выделяется до 7% тепловой мощности реактора. Максимально напряжённые условия эксплуатации соответствуют блокам замедлителя, находящимся в центре АЗ.

При расчёте используются следующие приближения:

1.Тепловыделение в замедлителе обусловлено только процессами замедления нейтронов и поглощения гамма квантов.

2.Вся кинетическая энергия нейтронов превращается в тепловую за счёт упругих взаимодействий.

3.Тепловыделение за счёт упругого замедления нейтронов пропорционально

плотности делений.

Характер распределения т/выделения по высоте за счет гамма-квантов и замедляющихся нейтронов в начале кампании аналогичен распределению плотности потока теплоносителя.

Тепловыделение в отражателе обусловлено: 1.замедлением нейтронов.

2.взаимодействием гамма-квантов.

106

Как правило общее т/выделение в отражателе 5% от т/выделения в АЗ. Как правило распределение т/выделения в отражателе имеет вид резкоспадающей функции от границы с АЗ.

107

64. Количественное описание распределений плотностей тепловыделения в ТВЭЛе, в блоке твердого замедлителя, в регулирующем стержне.

viv H

аз

Вкачестве материалов для изготовления органов регулирования реактором

используется борсодержащие материалы. Тепловыделение в таких материалах обусловлено протеканием реакции:q q cos π

on1+B10 = 3Li7+2 4

которая происходит на тепловых и промежуточных нейтронах.

Среднее по АЗ значение плотности потока тепловых нейтронов определяется соотношением [1] и рассчитано ранее:

Распределение плотности потока тепловых нейтронов по объему АЗ описывается формулой:

Объемная плотность энерговыделения в материале стержня определяется соотношением:

где E 3,696 10-13 Вт с.

108

Для определения плотности объемного энерговыделения для блока замедлителя, находящегося в центре А.З. можно воспользоваться следующим соотношением

Где En=5Мэв-энергия нейтронов деления, Ef=200Мэв-энергия деления,S -зам-ая способность материала замедлителя. S -средняя замедляющая способность материала А.З.(гомогенизированная А.З.). Величина -хар-ет отношение объемного энерговыделения за счет гамма-квантов к выделению за счет нейтронов.

65. Качественное и количественное описание распределения температуры в оболочке ТВЭЛа; топливной таблетке; регулирующем стержне. Тепловое состояние теплоносителя по коду его движения в технологическом канале..

Температура поверхности ТВЭЛ на i-ом участке определяется соотношением:

соотношением: tттi=tповi+ t1i+ t2i, где t1i – перепад температуры на оболочке ТВЭЛ.

з – коэффициент теплопроводности зазора.з – толщина зазора.

109

Рис.8 Температура на поверхности твэл по высоте активной зоны.

Распределение температуры в топливной таблетке.

Для цилиндрической ТТ, расположенной в ТВЭЛе на i-ом участке, распределение температуры по радиусу описывается соотношением:

топ(tттi) – коэффициент теплопроводности топлива при температуре tттi (коэффициенты брались для топлива, полученного прессованием);

r – текущее значение координаты.

Максимально возможные значения температуры в центре и по радиусу топливной таблетки в центре активной зоны.

поверхности ТТ (определяется так же, как и tттi – с заменой в соответствующих выражениях величины qvi на qvmax.

Рис.10 Температура на поверхности топливной таблетки по высоте активной зоны

. Распределение температуры в органах регулирования.

110