Тема 18 использование выгорающих поглотителей

Тема 18

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЫГОРАЮЩИХ ПОГЛОТИТЕЛЕЙ

Вам, разумеется, понятно, что выгорающим поглотителем в реакторе может быть далеко не каждый поглотитель, а лишь тот, который обладает высоким значением микросечения поглощения тепловых нейтронов s_а (поскольку речь идёт о ВП для тепловых реакторов), и дочерним продуктом поглощения им теплового нейтрона должен быть нуклид с существенно более низким значением s_а.

Продуктами выгорания и бора и гадолиния являются слабые шлаки третьей группы, их микросечения поглощения очень малы. С учётом этого дифференциальные уравнения выгорания ВП будет иметь простой вид:

где Ф_вп - среднее значение плотности потока тепловых нейтронов, пронизывающих ВП.

В этом уравнении, кроме переменной концентрации ядер выгорающего поглотителя, находится величина плотности потока тепловых нейтронов в среде, содержащей выгорающий поглотитель (Ф_вп), в общем случае отличающаяся от плотности потока тепловых нейтронов в топливе твэлов (ВП чаще всего располагается отдельно от твэлов, в специальных борно-бериллиевых или гадолиний-бериллиевых стержнях). Поэтому для получения связи с основной контролируемой характеристикой реактора (его мощностью) необходимо к уравнению (18.2.1) присоединить уравнение выгорания основного топлива:

dN₅/dt = - s_a⁵ N₅(t) Ф_т(t) . (18.2.2)

Если почленно разделить уравнения (18.1) и (18.2), то в левой части получается величина относительного поглощения тепловых нейтронов выгорающим поглотителем:

Относительное поглощение тепловых нейтронов выгорающим поглотителем (q_вп) есть доля тепловых нейтронов, поглощаемых ВП, приходящаяся на каждый поглощаемый ядрами урана-235 тепловой нейтрон.

Потери реактивности за счёт поглощения тепловых нейтронов выгорающим поглотителем находится так же, как и потери реактивности от шлакования топлива:

Таким образом, доля поглощения тепловых нейтронов в ВП, а, следовательно, и потери реактивности за счёт наличия выгорающего поглотителя, определяются:

1. 
   Родом (или типом) выгорающего поглотителя, поскольку величина отношения микросечений (s_а^вп/s_a⁵) зависит только от рода используемого ВП. Чем больше величина микросечения s_а^вп применяемого в реакторе выгорающего поглотителя, тем большую величину запаса реактивности он способен “сковать” в любой рассматриваемый момент кампании, а, значит, и высвободить в результате его выгорания.
   
2. 
   Начальной загрузкой выгорающего поглотителя в активную зону, поскольку она определяет величину концентрации ядер ВП (N_вп) и объём загружаемого ВП (V_вп). Кроме того, эта же величина зависит от степени разбавления выгорающего поглотителя оксидом бериллия (чем более разбавлен ВП оксидом бериллия, тем меньше величина его ядерной концентрации).
   
3. 
   Способом размещения ВП в активной зоне реактора. Способ размещения ВП оказывает главное влияние на величину соотношения (Ф_вп/Ф_т) - средних плотностей потока тепловых нейтронов в ВП и в твэлах реактора. Чем дальше от основного топлива в ячейке располагается ВП, тем больше величина соотношения Ф_вп/Ф_т. Следовательно, путём вариаций расположения стержней с ВП можно регулировать начальную (и не только начальную) скорость выгорания ВП, а, значит, и скорость высвобождения реактивности в работающем реакторе.
   

4. Моментом кампании активной зоны. Соотношение (Ф_вп/Ф_т) при гетерогенном размещении ВП в активной зоне изменяется в процессе кампании. Из-за неодинаковых скоростей выгорания и шлакования топлива в твэлах и выгорающего поглотителя в ББС (ГБС) это приводит к различию самоэкранировок топлива и ВП, а, следовательно, к различиям величины отношения (Ф_вп/Ф_т) в процессе кампании.

3. 
   Характер изменения реактивности при разных способах размещения ВП.
   

При размещении стержней с ВП на периферии ТВС или вне её (в замедлителе) ВП работает в области более высокой плотности потока нейтронов, чем топливо твэлов, и поэтому Ф_вп/Ф_т > 1, то есть ВП будет выгорать с относительно более высокой скоростью, чем тот же ВП при гомогенном его размещении, а это значит, что есть возможность подбора ВП с такой начальной концентрацией и с такой степенью разбавления его оксидом бериллия, при которых скорость высвобождения реактивности при выгорании ВП будет (по крайней мере, приблизительно) компенсировать суммарные потери реактивности за счёт выгорания и шлакования топлива.

И хотя создать такую идеальную компенсацию в течение всей кампании, по-видимому, невозможно, но с помощь гетерогенного размещения ВП можно скомпенсировать значительную часть начального запаса реактивности реактора и при этом существенно выровнять нейтронное поле в активной зоне реактора (как по радиусу, так и по высоте).

При использовании ВП в гетерогенном варианте характерны два полярных случая его применения:

а) Случай неблокированного (или слабоэкранированного) ВП. В названии имеется в виду слабый внутренний блок-эффект в стержнях с ВП, который так же свойственен стержням с ВП, как и стержням с топливом в реакторе. Слабого внутреннего блок-эффекта добиваются путём сильного разбавления ВП оксидом бериллия: чем выше степень разбавления, тем меньше величина коэффициента экранировки стержня с ВП (отношение максимального значения плотности потока тепловых нейтронов на поверхности стержня к среднерадиальному её значению). И, поскольку коэффициент экранировки не очень существенно превышает единицу, выгорающий компонент в стержне выгорает сразу большей частью своего объёма и с относительно высокой скоростью, а потому - относительно быстро. Поэтому весь запас реактивности, который способен высвободить неблокированный ВП в результате своего выгорания, высвобождается в первой половине кампании реактора, что далеко не всегда удобно.

б) Случай блокированного применения ВП. Блокированное использование ВП достигается путём относительно слабого разбавления ВП оксидом бериллия. В этом случае поглощающая способность содержимого стержня получается высокой, но сильный внутренний блок-эффект не даёт возможности тепловым нейтронам глубоко проникать внутрь стержня, и поглотитель стержня работает в большом потоке нейтронов лишь периферийной частью своего объёма (“обгорает” с поверхности). При этом начальная скорость выгорания ВП получается относительно невысокой и скорости высво-

а б а б

Рис.18.1. Иллюстрации внутреннего блок-эффекта в неблокированном (а) и блокированном (б) стержнях с ВП и качественный характер высвобождения реактивности во времени при выгорании таких стержней.

а) выгорания топлива;

б) шлакования топлива;

в) воспроизводства топлива и

г) выгорания выгорающего поглотителя.
Кривая энерговыработки позволяет оператору быстрым и наглядным образом решать задачи по нахождению изменений запаса реактивности реактора вследствие четырёх указанных выше процессов, каждый из которых зависит только от момента кампании и определяется только величиной энерговыработки реактора и её приращением:

Dr_w = r_w2 - r_w1 , (18.4.1)

где r_w2 и r_w1 - значения, снимаемые с кривой энерговыработки в последующий и предыдущий моменты кампании (или, соответственно, при значениях энерговыработки реактора W₂ и W₁).

Знак Dr_w в этой формуле учитывается автоматически: если r_w2 > r_w1, величина Dr_w получается положительной, свидетельствуя тем самым, что имеет место высвобождение запаса реактивности, а если знак Dr_w получается отрицательным, то это говорит о том, что имеет место потеря запаса реактивности. В первом случае это физически объясняется тем, что скорость высвобождения реактивности вследствие выгорания выгорающего поглотителя в рассматриваемый период кампании больше суммарной скорости потерь запаса реактивности вследствие выгорания, шлакования и воспроизводства топлива, а во втором, - наоборот.

Возможны три качественно различных типа кривых энерговыработки:

 _w

0 t

Без ВП

и для реактора без ВП.

Кривая энерговыработки в общем случае характеризуется двумя параметрами: наибольшей расчётной величиной энерговыработки и величиной борного (или гадолиниевого) «выбега», то есть максимальным положительным значением _w в процессе кампании. Величина положительного выбега кривой энерговыработки показывает, каким должен быть минимальный физический вес остальных средств компенсации запаса реактивности реактора, так как высвобождающаяся в процессе кампании положительная реактивность обязательно требует её компенсации.

Если считать моментом окончания кампании активной зоны тот момент времени, когда величина _w становится равной нулю, то из вида кривых следует, что с помощью блокированного ВП можно продлить кампанию активной зоны в большей степени, чем с помощью неблокированного ВП, получив при этом более пологую кривую энерговыработки (с меньшей величиной борного или гадолиниевого «выбега» и более вытянутую во времени).

Применение в энергетических реакторах выгорающих поглотителей позволяет:

а) снизить физический вес подвижных органов компенсации запаса реактивности и мощности их сервоприводов;