Мерзликин Основы теории ядерных реакторов

глубокой эрудиции. Он подогревается желанием проникнуть в замыслы создателей эксплуатируемого ими реактора для того, чтобы в них найти ответы на естественные прагматические вопросы типа: почему это сделано так, а не иначе? какой в этом

смысл, и какой от этого выигрыш?

И это понятно: эксплуатационник в процессе своей работы обязан думать о более практических вещах – о режимах работы, параметрах и характеристиках, о безопасности и эффективности и т.п. И чем меньшим числом устойчивых в процессе кампании рабочих характеристик обеспечивается безопасная эксплуатация реактора, тем проще работа оператора реакторной установки, поскольку неизменные при эксплуатации характеристики требуют меньшего объёма контроля с его (оператора) стороны. В полном соответствии с известным философским принципом Оккама: не изобретай новых сущ-

ностей, если можно обойтись без них.

Но вернёмся к температурному эффекту. Если уж есть такой феномен и если он так важен, есть смысл задуматься над вопросом: в каких случаях жизни ТЭР действи-

тельно важен?

Во-первых, ТЭР важен не столько при разогреве реактора (хотя и это нельзя игнорировать), сколько при работе реактора в энергетических режимах, так как именно в них величина отрицательного ТКР обеспечивает нужные устойчивость и регулируемость реактора. Во-вторых, важные для нас температурные изменения реактивности в работающем реакторе и возникают, по сути дела, именно при изменениях уровня мощности реактора. Поэтому для эксплуатационника было бы вполне достаточным (и намного более простым) иметь только одну рабочую характеристику реактора – зависимость реактивности от тепловой мощности ρ = f(Np). Такая характеристика действительно имеется. Аналогично определению ТЭР:

Мощностным эффектом реактивности реактора на данном уровне его мощности (Np) называют величину изменения реактивности, возникающего в разогретом до номинальной средней температуры теплоносителя реакторе вследствие подъёма его тепловой мощности от 0 (от МКУМ) до данного уровня Np.

И аналогично определению ТКР:

Мощностным коэффициентом реактивности реактора на данном уровне его тепловой мощности называется изменение реактивности в разогретом до номинальной средней температуры теплоносителя реакторе при подъёме его тепловой мощности на 1 МВт сверх данного уровня.

МЭР и МКР обозначаются соответственно ρ N (N p ) и α N (N p ) и измеряются со-

ответственно в % и %/МВт. Они (как и ТЭР с ТКР) представляют собой интегральную и дифференциальную меры влияния мощности реактора на его реактивность и взаимосвязаны аналогичными зависимостями:

Хотя мощностной эффект (и коэффициент) реактивности имеют своё специфиче-

ское название и обозначение, не будем забывать, что их происхождение – температур-

ное. По существу, это – определяемая температурой топлива доплеровская составляющая температурного изменения реактивности, но поставленная в соответствие не температуре топлива, а другому аргументу – тепловой мощности реактора. При неизменной средней номинальной температуре теплоносителя изменение мощности приводит к

изменению средней температуры топливной композиции. Последнее воздействует на размножающие свойства реактора, главным образом, через доплеровское изменение величины ϕ (вероятности избежания резонансного захвата замедляющихся нейтронов). Изменение с температурой топлива величины коэффициента использования тепловых нейтронов θ хотя и имеет место, но оно меньше Доплер-эффекта примерно на два порядка величины, поскольку оно определяется не столько температурой топлива, сколько температурой нейтронов, которая, в свою очередь, зависит не столько от температуры топлива, сколько от средней температуры замедлителя-теплоносителя в ВВЭР. Вот почему мощностное температурное изменение реактивности реактора часто называют доплеровским.

И ещё об одном распространённом названии. МЭР (МКР) определяются самой динамично изменяющейся температурой в реакторе – температурой топлива, и мощностное изменение реактивности в реакторе происходит безынерционно, практически отслеживая без запаздывания величину мощности и величину средней температуры топ-

лива. Поэтому МКР часто называют быстрым мощностным коэффициентом реактив-

ности. Это делается в тех случаях, когда требуется отличить чисто мощностное изменение реактивности от полного изменения реактивности, вызываемого изменением мощности реактора и дополняемого (с некоторым запаздыванием) изменением реактивности, обусловленным изменением средней температуры теплоносителя.

Расчёт мощностных изменений реактивности реактора производится по стереотипной формуле:

в которую величины мощности подставляются в МВт, а величина МКР извлекается из располагаемой оператором рабочей документации.

При этом следует иметь в виду, что МКР – величина не постоянная, а зависящая от уровня мощности реактора, поэтому в (10.5.3) подставляется среднее в интервале изменения мощности значение МКР. Это значение находится следующим образом.

Оператор из рабочей документации (из графиков или таблиц) может без особых затруднений извлечь достоверное на данный момент кампании значение МКР на номи-

нальном (100%-ном) уровне мощности реактора - α 100N . На нулевом уровне мощности

величина МКР меньше указанной величины, но она не равна нулю, а составляет приблизительно третью часть от величины МКР на полной мощности реактора. Полагая, что в интервале от 0 до номинальной мощности текущее значение αN возрастает по линейному закону (а это практически так и есть), величина МКР на исходном уровне мощности (Np1) найдётся как

Аналогично величина МКР на конечном уровне мощности Np2:

и поэтому среднее значение МКР в интервале изменения мощности (Np1, Np2):

*) Здесь значения уровней мощности Np1 и Np2 подставляются в % Npном.

Таким образом, для того, чтобы рассчитать изменение реактивности за счёт изменения уровня мощности реактора от Np1 до Np2 в данный момент кампании, для расчёта

среднего значения МКР требуется извлечь из рабочей документации только достоверное на этот момент кампании значение МКР на номинальной мощности реактора. Удобнее всего для этой цели пользоваться имеющимся в распоряжении оператора рассчитанным графиком, качественный вид которого показан на рис.10.4.

0

-3 . 10-4

-6 . 10-4

Рис.10.4. Величина МКР реактора на номинальной мощности в различные моменты кампании.

Из сказанного эксплуатационнику полезно взять на заметку следующее.

1.С точки зрения устойчивости работы реактора на мощности сказанное ранее об условии обеспечения этой устойчивости полностью касается и МКР: в разогретом до номинальной температуры реакторе мощностной коэффициент реактивности должен быть обязательно отрицательным.

2.Абсолютная величина МКР на малых уровнях мощности реактора всегда меньше, чем на больших мощностях. Это значит, что с ростом мощности реактора его устойчивость растёт. И опасаться недостаточно устойчивой работы реактора следует именно на МКУМ и малых уровнях мощности.

3.В процессе кампании величина отрицательного МКР реактора монотонно увеличивается. Следовательно, снижения устойчивости реактора в процессе кампании можно не опасаться.

Итак, «всё хорошо под сиянием лунным…» - есть возможность просто учитывать изменения реактивности от более практичной величины – мощности реактора, и о чисто температурных изменениях реактивности, связанных с изменением трудноконтролируемой температуры топлива эксплуатационнику можно было бы совсем забыть. Но как быть с теми изменениями реактивности, которые обусловлены изменением средней температуры воды?

10.6. ТЭР и ТКР теплоносителя

Во всём диапазоне изменений средней температуры теплоносителя – от 20оС до наибольшей температуры рабочей зоны – изменение реактивности ВВЭР происходит за счёт изменений ядерных свойств теплоносителя (микросечений поглощения воды и содержащейся в ней борной кислоты) и изменений плотности воды, которые, кстати имеют место не только с изменением температуры воды, но и давления в реакторе.

Ранее (п.10.4.2) упоминалось, что законы передачи тепла от топлива к теплоносителю на разных уровнях мощности реактора ставят в более или менее жёсткое соответствие величины средних температур топлива и теплоносителя:

N p = k × F × Dt = k × F × (tтк - tтн ) .

Следовательно, соотношение мощности и средней температуры теплоносителя

N p = k × F × (tтк -1)

tтн tтн

определяется в конкретном реакторе соотношением средних температур топливной композиции и теплоносителя ( tтк / tтн ), которое опять-таки определяется только тепло-

вой мощностью реактора. А, значит, величину полного ТЭР (ТКР) реактора принципиально можно было бы поставить в соответствие с величиной уровня мощности. Чего, к сожалению, не получается, потому что:

-во-первых, одна и та же величина тепловой мощности реактора

N p = Gтн × ср тн × (tтнвых - tтнвх )

может обеспечиваться при различных комбинациях расходов теплоносителя Gтн и подогревов его в активной зоне ( Dtтн = tтнвых - tтнвх ), а, значит, в этих комбинациях (учитывая нелинейный характер роста температуры теплоносителя от входа к выходу активной зоны) будет меняться и средняя температура теплоносителя tтн = 0.5(tтнвх + tтнвых ) , не говоря уже о среднеэффективной температуре активной зоны;

-во-вторых, величины средних температур топлива и теплоносителя зависят от характера распределения энерговыделения по высоте реактора, а, значит, и от характера

вертикальной составляющей нейтронного поля в активной зоне (а это – довольно из-

менчивая в процессе кампании характеристика).

Именно эта неоднозначность зависимости ρ(Np), её изменчивость в различных условиях эксплуатации реактора вынуждает пользоваться в физических расчётах различными составляющими ТЭР (ТКР). Потребность в расчётах при различных расходах теплоносителя, при различных средних температурах теплоносителя и в различные моменты кампании активной зоны диктует потребность в точном знании таких составляющих ТЭР (ТКР), которые можно было бы корректно измерить в рабочих условиях эксплуатации реактора.

С этой целью весь ТЭР (ТКР) ВВЭР с высокотемпературным топливом делят на две материальные составляющие - ТЭР (ТКР) топлива и ТЭР (ТКР) теплоносителя.

Температурный эффект топлива проявляется при температурах топлива, существенно превышающих величины средних температур теплоносителя, что в условиях реальной эксплуатации ВВЭР имеет место при работе реактора на мощности. Поэтому учитывать изменения реактивности, обусловленные только температурой топлива, во всех отношениях удобнее не как функцию изменения средней температуры топлива (последнюю рассчитывать достаточно непросто), а как функцию изменения величины мощности реактора. То есть как мощностные изменения реактивности, о чём говорилось в п.10.5.

Температурный эффект теплоносителя проявляется при разогреве теплоносителя от 20оС вплоть до самых больших средних его температур. Теоретически он действует независимо от температурного эффекта топлива, если в процессе разогрева теплоносителя сохраняется неизменной средняя температура топлива. При реальной эксплуатации реактора его действие можно проследить и зафиксировать в процессе очень медленного разогрева критического на МКУМ реактора от постороннего источника те-

пла. Именно так производится измерение температурного коэффициента реактивно-

сти теплоносителя: разогрев со скоростью не более 10оС/час при поддержании реактора на МКУМ гарантирует непревышение средней температуры топлива над средней температурой теплоносителя и практически нулевое мощностное изменение реактивности реактора.

Температурный коэффициент реактивности теплоносителя (αt) в наиболее важном интервале средних температур теплоносителя – выше 278оС – отрицателен и с

ростом температуры увеличивается по абсолютной величине приблизительно по линейному закону (рис.10.5).

αt, %/оС

0

t,o

-0.010

-0.015

-0.020

-0.025

Рис. 10.5. Зависимость ТКР теплоносителя ВВЭР-1000 в интервале температур 275 – 300 оС.

До температуры 279 – 280 оС разогрев ВВЭР-1000 обеспечивается за счёт джоулева тепла от работающих ГЦН. Выше этой температуры реактор разогревается собственным («ядерным») теплом. Поэтому экспериментально в начале кампании определяется минимальная величина ТКР теплоносителя именно при этой температуре.

В распоряжении оператора всегда имеется расчётная кривая ТКР теплоносителя

при номинальной средней температуре теплоносителя в различные моменты кампа-

нии (в зависимости от величины энерговыработки W), качественный вид которой показан на рис.10.6.

-0.02

-0.04

-0.06

Рис.10.6. Изменение ТКР теплоносителя при номинальной средней температуре в процессе кампании.

Таким образом, совместное изменение реактивности за счёт изменений мощности реактора и средней температуры теплоносителя (в пределах указанного интервала) найдётся как

Для получения корректных результатов расчёта значения МКР и ТКР теплоносителя желательно усреднять для интервалов изменения мощности реактора и средней температуры теплоносителя соответственно.

КИНЕТИКА РЕАКТОРА

Кинетика реактора - раздел теории реакторов, объясняющий и описывающий закономерности поведения реактора при ненулевых реактивностях.

Имеются в виду закономерности переходных процессов изменений величины плотности потока тепловых нейтронов в активной зоне реактора во времени, поскольку эта величина пропорциональна мощности реактора, то есть той самой величине, контролем и управлением которой призван заниматься оператор реакторной установки.

Создатель первого в мире ядерного реактора Э.Ферми первым обнаружил, что если в активной зоне изначально критического реактора переместить вверх любой стер- жень-поглотитель и оставить его на некоторое время в новом положении, то плотность потока тепловых нейтронов в реакторе при таком воздействии нарастает нелинейно: вначале измеритель нейтронной плотности показывает относительно быстрое нарастание плотности нейтронов, затем темп нарастания её замедляется (мощность как бы “ замирает”), а затем вновь начинает увеличиваться всё более и более нарастающим темпом (рис.11.1) по закону, очень близкому к экспоненциальному. И если этот стер- жень-поглотитель не вернуть в первоначальное положение, величина плотности нейтронов (и пропорциональная ей величина мощности реактора) может со временем возрасти до очень большой величины, грозящей перегревом и разрушением твэлов активной зоны.

При опускании стержня-поглотителя в исходное (критическое) положение величина плотности нейтронов в реакторе стабилизируется на том уровне, которого достиг реактор к моменту полного возвращения стержня в исходное критическое положение.

Регулирующий стержень

Рис.11.1. Качественный характер переходных процессов изменения плотности нейтронов в реальном реакторе при сообщении критическому реактору: а) положительной реактивности; б) отрицательной реактивности – постоянной величины.

Если из этого же критического положения опустить стержень-поглотитель ещё ниже и оставить в новом положении, картина убывания величины плотности нейтронов в реакторе оказывается качественно похожей: вначале следует относительно резкий скачок плотности нейтронов вниз, а затем темп спада этой величины замедляется , пе-

реходя в плавное её уменьшение по закону, близкому к экспоненциальному. И для того, чтобы остановить спад величины плотности нейтронов ниже нужного уровня, требуется поднять стержень-поглотитель в исходное (критическое) положение, при котором плотность нейтронов (и мощность реактора) стабилизируется на новом, более низком уровне.

Что означает перемещение стержня-поглотителя из критического его положения вверх или вниз, нам уже понятно: это выведение реактора из критического состояния путём сообщения ему положительной или отрицательной реактивности. Следовательно, так реагирует ядерный реактор на сообщение ему положительной или отрицательной реактивности. И все описанные закономерности изменения плотности нейтронов во времени (начальные скачки, переходящие в экспоненциальные изменения), как было выяснено впоследствии, присущи не только реактору Э.Ферми, но и всем реакторам вообще (независимо от типа и класса).

Эти закономерности особенно легко ощутимы для реакторов небольших размеров и на очень малых уровнях мощности; для того, чтобы их обнаружить, оказывается достаточным с помощью прибора-самописца сделать запись нескольких переходных процессов изменения плотности нейтронов при сообщении реактору положительной или отрицательной реактивности небольшой величины. В реакторах больших размеров и на больших уровнях мощности эти закономерности действуют точно так же, как и в малых, но непосредственно обнаружить их практически нельзя из-за множества параллельно (одновременно) воздействующих на реактор других эффектов реактивности.

Например, с изменением мощности реактора при неизменном расходе теплоносителя через его активную зону явно должна изменяться средняя температура топлива в его твэлах (что вызывает к действию доплеровское изменение реактивности реактора). По мере прогрева (или охлаждения) теплоносителя вступает в действие составляющая температурного эффекта реактивности теплоносителя. Причём, оба эффекта действуют одновременно с действием эффекта перемещения стержня-поглотителя так, что суммарная величина реактивности, воздействующей на реактор, естественно, не остаётся постоянной во времени.

Поэтому, если следить за величиной тепловой мощности реактора при сообщении ему реактивности на значительном уровне мощности, то оказывается, что изменение величины тепловой мощности реактора вызывается не только той величиной реактивности, которая сообщается реактору путём перемещения стержня-поглотителя, но и величинами реактивности, рождаемыми в переходном процессе за счёт самого изменения тепловой мощности.

Вот почему, для того, чтобы выделить закономерность изменения плотности нейтронов в реакторе от величины первоначально сообщаемой ему реактивности (независимо от её происхождения), надо ставить эксперимент на минимально контролируемом уровне мощности (МКУМ) реактора, так как только в таких условиях температурные, мощностные и прочие изменения реактивности пренебрежимо малы, а, следовательно, не исказят величину первоначально сообщённой реактору реактивности.

Именно ради выяснения закономерностей переходных процессов изменения плотности нейтронов при сообщении критическому реактору реактивности тех или иных величины и знака в теории реакторов вводится условное идеальное понятие “ холодного” реактора, то есть такого воображаемого реактора, в котором возмущение по реактивности приводит только к изменениям плотности нейтронов, но не влечёт за собой изменений тепловой мощности реактора. Тем самым, следовательно, исключается влияние на поведение реактора других сопутствующих изменениям мощности реактора эффектов реактивности. Иными словами, в первом приближении «холодным» можно считать реальный реактор, работающий на минимально контролируемом уровне мощности, поскольку любые переходные процессы на МКУМ не приводят к заметным изменениям тепловой мощности, а, следовательно, - и к существенным изменениям

температур топлива, замедлителя и теплоносителя, влекущих возникновение искажающих кинетическую картину частных эффектов реактивности.

Впоследствии, накладывая на картину выясненных кинетических закономерностей «холодного» реактора картины закономерностей проявления частных (температурного, мощностного, плотностного) эффектов реактивности, мы попытаемся воссоздать более сложные закономерности поведения величины тепловой мощности реактора, поскольку именно мощность реактора является предметом интереса для практикаоператора реакторной установки.

В этом и будет состоять смысл наших усилий при изучении кинетики реактора

Тема 11

ЭЛЕМЕНТАРНАЯ КИНЕТИКА ТЕПЛОВОГО РЕАКТОРА

Попробуем вначале описать переходный процесс изменений во времени величины средней по объёму активной зоны плотности тепловых нейтронов реактора при сообщении первоначально критическому реактору реактивности, опираясь только на то, что мы уже знаем о реакторе из предыдущих тем.

Рассуждая о поведении реактора в целом по поведению средней по его объёму плотности тепловых нейтронов, мы, вообще-то, грешим против истины, предполагая, что при нарастании нейтронной мощности реактора (при сообщении ему положительной реактивности) плотность тепловых нейтронов во всех точках активной зоны реактора будет нарастать синхронно и пропорционально величине средней плотности тепловых нейтронов в реакторе.

На самом деле это совсем не так: именно во время быстрых переходных процессов возникают существенные перекосы нейтронного поля, порождённые тем, что основной способ сообщения реактору реактивности основан на перемещении поглотителей в объёме активной зоны. Естественно, что такой способ не даёт возможности синхронно изменять размножающие свойства всех микрообъёмов активной зоны: введение или извлечение поглотителя изменяет поглощающие свойства в первую очередь той небольшой области активной зоны, куда он непосредственно вводится (или откуда он извлекается). Лишь после изменения распределения плотности тепловых нейтронов в этой области начнётся перераспределение плотности тепловых нейтронов в ближайших к ней соседних областях, а от них - далее, пока волна возмущения не распространится по всему объёму активной зоны. Всё это будет происходить в силу известного нам закона диффузии тепловых нейтронов: туда, где плотность тепловых нейтронов хоть на небольшой промежуток времени становится меньшей, немедленно устремляются тепловые нейтроны из соседних областей, где плотность нейтронов была более высокой. И понятно, что синхронное изменение плотности тепловых нейтронов во всех точках активной зоны при таком способе сообщения реактору реактивности попросту невозможно: наиболее динамичные изменения плотности тепловых нейтронов всегда будут происходить в областях непосредственного возмущения активной зоны поглотителями, и чем дальше располагается та или иная область объёма активной зоны от области непосредственного введения (извлечения) поглотителей, тем более асинхронно будут протекать в ней переходные процессы изменения плотности тепловых нейтронов, тем в большей степени эти процессы будут отставать от переходных процессов в области возмущения. Поэтому способ описания кинетических процессов в целой активной зоне по величине средней плотности тепловых нейтронов в ней называют

моделью в точечно-параметрическом приближении: активная зона довольно большого объёма словно бы заменяется одной точкой, единственным параметром которой, является среднее значение плотности тепловых нейтронов - n нейтр/см3, - присущее реальному реактору в текущий момент времени t.

10.1. Элементарное уравнение кинетики реактора

Пусть реактор в начальный момент времени (tо = 0) был критичен (то есть эффективный коэффициент размножения в нём был равен единице, а реактивность – нулю).

Сообщим этому реактору мгновенным скачком некоторую величину реактивности (для определённости - реактивности положительного знака), вследствие чего эффективный коэффициент размножения kэ мгновенно поднимется над единицей на некоторую величину δkэ, которую мы ранее назвали избыточным коэффициентом размножения (вспомните: избыточный коэффициент размножения - это превышение эффективного коэффициента размножения над единицей, характеризующее степень откло-