Тема 18 использование выгорающих поглотителей



Дата13.07.2016
өлшемі61 Kb.



Тема 18. Использование выгорающих поглотителей.

Тема 18

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЫГОРАЮЩИХ ПОГЛОТИТЕЛЕЙ




Выгорающие поглотители - это поглотители с высоким сечением захвата тепловых нейтронов, неподвижно размещаемые в активной зоне и медленно уничтожаемые при работе реактора за счёт поглощения ими нейтронов, из-за чего на их месте образуются продукты с существенно меньшими сечениями поглощения, что приводит к уменьшению поглощающих свойств активной зоны и высвобождению запаса реактивности.
Иногда их называют самовыгорающими поглотителями. Мы будем придерживаться более краткого названия их и обозначения ВП (в тексте и в индексах символов).

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 sа (поскольку речь идёт о ВП для тепловых реакторов), и дочерним продуктом поглощения им теплового нейтрона должен быть нуклид с существенно более низким значением sа.


18.1. Характеристики наиболее распространённых выгорающих поглотителей
До настоящего времени в энергетических реакторах наиболее распространёнными являются два типа выгорающих поглотителей - борный и гадолиниевый.
а) Борный ВП. Борные выгорающие поглотители используются, как правило, в форме карбида бора (В4С) для обеспечения химической и термостойкости, причём, в этом химическом соединении может использоваться как природная смесь изотопов бора, содержащая приблизительно 19%10В и 81%11В, так и обогащённая изотопом 10В смесь с содержанием этого изотопа до 75%. В первом случае получается поглотитель со средним значением сечения захвата sа » 750 барн, а во втором - с sа » 4010 барн.
б) Гадолиниевый ВП. Этот тип выгорающего поглотителя используется в форме триоксида гадолиния (Gd2O3) c природным гадолинием, содержащим шесть различных изотопов с атомной массой от 152 до 160 а.е.м., и имеющим среднее значение микросечения радиационного захвата тепловых нейтронов sа » 46600 барн.
В обоих случаях соединения бора и гадолиния разбавляются оксидом бериллия (ВеО), что нужно, как увидим далее, для получения требуемой скорости выгорания ВП.
18.2. Факторы, определяющие скорость выгорания ВП

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:



dNвп/dt = -saвп Nвп(t) Фвп(t), (18.2.1)

где Фвп - 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 (Фвп), 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 = - sa5 N5(t) Фт(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:



. (18.2.3)

Относительное поглощение тепловых нейтронов выгорающим поглотителем (qвп) 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 (sавп/sa5) зависит только от рода используемого ВП. Чем больше величина микросечения sавп 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 (Nвп) и объём загружаемого ВП (Vвп). 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 (Фвпт) - средних плотностей потока тепловых нейтронов в ВП и в твэлах реактора. Чем дальше от основного топлива в ячейке располагается ВП, тем больше величина соотношения Фвпт. 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.

.*) На величину отношения Фвп/Фт влияет не только расположение стержней с ВП в тепловыделяющих сборках, но и упоминавшаяся выше степень разбавления ВП оксидом бериллия: являясь хорошим замедлителем, ВеО с повышением его количества в содержимом стержней с ВП может существенно снизить поглощающие и повысить диффузионные свойства среды, содержащей ВП, из-за чего в стержнях с ВП может существенно ослабляться внутренний блок-эффект, то есть - существенно повышаться средняя величина плотности потока тепловых нейтронов в стержнях с ВП, которая и определяет скорость выгорания ВП.

4. Моментом кампании активной зоны. Соотношение (Фвпт) 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 (Фвпт) в процессе кампании.



    1. Характер изменения реактивности при разных способах размещения ВП.

Известны два основных способа размещения ВП - гомогенный и гетерогенный.

При гомогенном способе выгорающий поглотитель может использоваться в смеси с топливной композицией внутри твэлов. Совершенно очевидно, что в этом случае Фвп/Фт = 1, поскольку топливо и ВП работают в одинаковом потоке нейтронов. При умеренных загрузках ВП (а они всегда должны быть умеренными) относительная скорость выгорания ВП получается недостаточно высокой, чтобы высвобождением реактивности от выгорания ВП компенсировать потери реактивности за счёт выгорания и шлакования топлива. Поэтому этот способ в чистом виде в энергетических реакторах, использующих борный или гадолиниевый ВП, применения не нашёл.

При гетерогенном способе размещения выгорающий поглотитель помещается в специальных стержнях с ВП, называемых борно-бериллиевыми (ББС) или гадолиний-бериллиевыми (ГБС) стержнями. Каждый такой стержень, как и твэл, имеет герметичную оболочку из циркониевого сплава или из нержавеющей стали, предотвращающую выход продуктов реакций из наполнителя стержня в омывающий его теплоноситель.

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 Фвп/Фт > 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-



rвп(t)
rmax

а б а б


0 t

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.


бождения реактивности от выгорания ВП не хватает для компенсации потерь реактивности от выгорания и шлакования топлива. Но с течением времени работы реактора по мере “обгорания” стержня происходит постепенная его разблокировка. Стержень начинает работать в нейтронном потоке всё большей частью своего глубинного объёма, скорость выгорания (и скорость высвобождения реактивности от выгорания ВП) увеличивается и становится большей, чем суммарная скорость потерь реактивности вследствие выгорания и шлакования топлива (рис.18.1б). На рис.18.1 показана также пара принципиально возможных промежуточных случаев использования ВП, реализуемых посредством более высокого разбавления ВП оксидом бериллия.
18.4. Кривая энерговыработки активной зоны реактора
Кривой энерговыработки принято называть графическую зависимость суммарных изменений запаса реактивности реактора за счёт четырёх самых медленных физических процессов от величины энерговыработки реактора, а именно за счёт:

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:

Drw = rw2 - rw1 , (18.4.1)

где rw2 и rw1 - значения, снимаемые с кривой энерговыработки в последующий и предыдущий моменты кампании (или, соответственно, при значениях энерговыработки реактора W2 и W1).

Знак Drw в этой формуле учитывается автоматически: если rw2 > rw1, величина Drw получается положительной, свидетельствуя тем самым, что имеет место высвобождение запаса реактивности, а если знак Drw 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:


С неблокированным ВП

w


С блокированным ВП

0 t


Борный (гадолиниевый) выбег

Без ВП


Рис.18.2. Кривые энерговыработки для реакторов с неблокированным ВП, блокированным 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;



б) увеличить кампанию активной зоны реактора;

в) существенно выровнять нейтронное поле в активной зоне, повышая за счёт этого мощность и экономические показатели реакторной установки.


Достарыңызбен бөлісу:




©dereksiz.org 2020
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет