Лекция 3 по дисциплине «Устройство яэу и перегрузка ядерного топлива»

Тема: Изменение материального состава ядерного топлива

Введение

Из ранее сказанного Вам должен быть понятен основ­ной принцип управления реактором: для того, чтобы заставить работающий в критическом режиме реактор увеличивать или уменьшать мощность, надо сообщить ему положительную или отрицательную реактивность; экспоненциальный темп увели­чения или снижения уровня мощности реактора определяется абсолютным значением сообщённой реактору положительной или отрицательной реактивности. Если нужно держать уро­вень мощности реактора постоянным, – следует поддержи­вать реактор в состоянии с нулевой реактивностью.

В общем, всё, что происходит в работающем реакторе, так или иначе и в той или иной степени вызывает изменение реактивности.

Дело осложняется ещё тем, что различные физические процессы в рабо­тающем реакторе протекают во времени с качественно различными законо­мерностями, а, значит, они различны по интенсивности, и, следовательно, из­меняют величину реактивности с различным темпом.

Есть быстротечные процессы, практически безынерционно следующие за изменениями вызывающих их параметров (например, изменения темпера­туры в активной зоне, давления теплоносителя, мощности реактора). Есть средние по быстродействию процессы, порождающие изменения реактивности протяжённостью до 70 – 75 часов (таков процесс отравления реактора ксено­ном). Есть и процессы, монотонно протекающие в течение всего времени ра­боты реактора (например, выгорание, шлакование и воспроизводство топлива).

А так как большинство упомянутых процессов приводят к уменьшению величины (или к потерям) реактивности, из сказанного уже следует, что для того, чтобы заставить реактор работать в критическом режиме на номинальной мощности в течение расчётного времени (до перегрузки топлива), он должен располагать некоторым запасом положительной реактивности, достаточным для того, чтобы компенсировать по мере необходимости все эти потери реак­тивности в течение всей кампании загрузки активной зоны, поддерживая, тем самым, реактор критичным на этом уровне мощности.

3.1 Понятие общего и оперативного запасов реактивности

Энергетический ядерный реактор создаётся для работы на расчётной (номинальной) мощности в течение довольно длительного времени, называе­мого кампанией загрузки активной зоны реактора. Это означает: чтобы успешно работать на номинальной мощности в течение всей кампании, реактор должен поддерживаться в критическом состоянии всё это время. Представим, как создаётся первое критическое состояние реактора в ходе его загрузки топливом: активную зону заполненного водой реактора по­степенно, от центра к периферии, заполняют тепловыделяющими сборками до тех пор, пока в ней не начнётся самоподдерживающаяся цепная реакция деле­ния. В этом случае говорят, что в активной зоне набрана первая критическая масса.

Но долго ли сможет работать реактор с таким количеством топлива? Вы несомненно ответите: как только небольшая часть загруженного топлива выго­рит, а вместо разделившихся ядер появятся осколки деления (а все они - в раз­ной степени захватчики нейтронов), - реактор станет подкритичным и остано­вится. Поэтому для длительной работы реактора в течение времени кампании необходимо загружать в него топливо сверх критического его количества.

*) Например, первая критмасса реактора ВВЭР-1000 в воде без борной кислоты составляет 6 – 7 его ТВС, в то время, как число ТВС, загружаемых в активную зону в расчёте на годовой цикл работы на номинальной мощности, составляет 163. Разница 163 – 7 = 156 ТВС и содержит в себе упомянутое сверхкритическое количество топлива.

Но Вы знаете, что просто так вводить в активную зону сверхкритические ТВС нельзя, это - опасно: как только Вы за­грузите в активную зону некоторое сверхкритическое количество топлива, в результате чего в реакторе возникнет положительная реактивность величиной b_э » 0.0064, - реактор станет неуправляемым. Поэтому загружать сверхкри­тическое количество топлива в реактор следует только с одновременным вве­дением в активную зону компенсирующих поглотителей. Последние потому так названы, что служат для компенсации возникающей положительной реак­тивности при загрузке топлива сверх критического его количества.

Принципиально неважно, какими будут компенсирующие поглотители (подвижные стержни-поглотители, неподвижно размещаемые в а.з. твёрдые стержни с выгорающим поглотителем или борная кислота, добавляемая в воду первого контура), но процесс загрузки сверхкритического количества то­плива в активную зону всегда должен сопровождаться синхронным введением в активную зону соответствующих количеств компенсирующих поглотителей.

Таким образом, загрузка в активную зону сверхкритического количества ядерного топлива приводит к возникновению положительной реактивности, которая сразу же подавляется компенсирующими поглотителями.