Материал: Мерзликин Г.Я. Основы теории ядерных реакторов. Курс для эксплуатационного персонала АЭС

б) Первичным условием поддержания реактора в критическом состоянии, вытекающим из определения критичности, является n(t) = idem, что равносильно условию:

то есть скорость изменения во времени средней плотности нейтронов по объёму топлива в реакторе должна быть нулевой.

Это условие неопределённо и практически годно лишь как первая ступень для постановки закономерно возникающего вопроса: за счёт чего можно поддерживать в

реакторе n(t) = idem или dn/dt = 0?

На этот вопрос в условиях начальной неизвестности можно отвечать только на основе формальной аналогии, свойственной всем природным физическим процессам. Применительно к плотности нейтронов (то есть к числу нейтронов в 1 см3) это логиче-

ское утверждение звучит так: скорость изменения плотности нейтронов - есть разница скоростей их появления и исчезновения в рассматриваемом единичном объёме.

Задавая себе вопрос: почему исчезают свободные нейтроны в единичном объёме материальной среды активной зоны реактора? - мы на основе своих (пока ещё скуд-

ных) знаний уже можем указать два канала исчезновения нейтронов из единичного объёма среды:

-во-первых, поскольку нуклиды веществ, составляющих активную зону реактора,

вразной степени (определяемой величинами микросечений поглощения) поглощают нейтроны, то первый канал исчезновения нейтронов из единичного объёма любой сре-

ды - нейтронная реакция поглощения;

-во-вторых, так как нейтроны в среде активной зоны реактора движутся, причём, с приличными скоростями (выше 2200 м/с!), неизбежна их утечка, как из любого единичного объёма активной зоны, так и из активной зоны в целом; утечка - это второй канал исчезновения нейтронов из единичного объёма активной зоны.

С учётом сказанного логическое уравнение баланса плотности нейтронов в единичном объеме среды активной зоны реактора можно записать так:

dn/dt = (скорость генерации нейтронов) - (скорость поглощения их) - (скорость утечки их), (3.1.3)

причём, это логическое уравнение справедливо как для полного числа нейтронов в активной зоне, так и для каждого единичного (и не только единичного) её объёма.

Единственной известной величиной в правой части (3.1.3) для нас пока является скорость реакции поглощения нейтронов (Rai = Σai Ф); как находить скорость утечки нейтронов из единичного объёма активной зоны, нам пока не известно, равно как неизвестно, как найти скорость генерации нейтронов в единичном объёме среды. Если говорить о скорости генерации нейтронов конкретной энергии Е, то нам пока лишь смутно понятно, что вопрос не исчерпывается лишь скоростью появления нейтронов деления за счёт делений ядер топлива (пропорциональной скорости реакции деления); речь идёт о нейтронах с любой энергией Е, которые могут вызывать деления ядер топлива, а

так как 235U и 239Pu делятся нейтронами любых свойственных реакторным нейтронам энергий, то условие критичности реактора равноценно условию постоянства плотности нейтронов любой энергии в любом единичном объёме активной зоны. Получаются же нейтроны любой энергии Е не только за счёт выхода из реакции деления, но, главным образом, за счёт замедления нейтронов из области более высоких энергий. Кроме того,

они исчезают внутри единичного объёма не только за счёт поглощения в этом объёме,

но, главным образом, за счёт замедления с данного уровня энергии в область более низ-

ких энергий. Как видим, картина изменения плотности нейтронов любой конкретной

энергии получается достаточно сложной.

Но без выяснения закономерностей генерации нейтронов любой энергии обойтись нельзя: это вопрос не только академического интереса, это вопрос - практический, т.к. он нацелен на поиск тех доступных человеку средств, с помощью которых можно организовывать критическое состояние и безопасно управлять мощностью реактора.

3.1.2. Эффективный коэффициент размножения и реактивность реактора

Подобно понятию поколения людей:

Поколение нейтронов в реакторе - это совокупность нейтронов, рождаемых в активной зоне реактора одновременно или в очень короткий (по сравнению со временем их свободного существования) промежуток времени.

Для чего понадобилось введение этого понятия?

Ясно, что любому свободному нейтрону обязательно свойственно вначале рождение (при делении ядра топлива), затем - некоторый пространственный перенос в среде активной зоны, в процессе которого нейтрон может взаимодействовать с встречающимися ядрами атомов среды, и, наконец, гибель свободного нейтрона в результате реакции поглощения.

Ясно, что каждый индивидуальный нейтрон в течение времени своего свободного существования (в силу многих превратностей, имеющих случайный характер) обладает "созидательными функциями", отличными от "созидательных функций" других нейтронов, и имеет своё индивидуальное время свободного существования, называемое

временем жизни нейтрона.

Но, как и у поколения людей, для нейтронов нетрудно представить себе среднее время жизни поколения и статистически оценить "созидательные возможности" осреднённого нейтрона этого поколения, дающие представление о "созидательных возможностях" целого поколения. Тем самым хаотический процесс смены поколений нейтронов в реакторе, для которого характерны "наложения" и "перехлёсты" одновременного существования нейтронов различных поколений (всё как у людей!), условно заменяется в наших представлениях стройной циклической сменой последовательных поколений нейтронов с одинаковым временем жизни, равным среднему времени жизни поколения реальных нейтронов.

При таком подходе к процессу размножения нейтронов в реакторе нет необходимости изучать поведение каждого индивидуального нейтрона; достаточно исследовать, как себя ведёт один среднестатистический нейтрон одного поколения и как физические свойства среды, в которой движется этот усредненный по свойствам нейтрон, влияют на величину его времени жизни.

Критерием правомерности такой замены должна служить её эквивалентность. Во-первых, в реалии и в идеализированной её модели должно быть одинаковое число участников-нейтронов (то есть должно соблюдаться равенство плотностей нейтронов одного поколения). Во-вторых (что самое важное!), в реальной и в идеализированной картинах нейтронных процессов должны получаться одинаковые скорости всех ней-

тронных реакций.

Предполагая, что правомерность такой замены каким-то образом строго доказана, поколения таких усреднённых нейтронов можно условно перенумеровать в соответствии с последовательными моментами времени их появления.

Пусть эта нумерация поколений нейтронов произведена, и плотности нейтронов первого, второго, третьего и т.д. поколений равны n1, n2, n3, ... , ni-1, ni, ni+1, ...

Понятно, что если плотности нейтронов различных поколений равны:

то реактор критичен: средняя плотность нейтронов n в нём в любой момент времени постоянна и уровень мощности реактора - не изменяется.

Если плотность нейтронов от поколения к поколению возрастает:

n1 < n2 < n3 < ... < ni-1 < ni < ni+1 < ... ,

то реактор надкритичен: плотность нейтронов в нём в любой момент времени - функция возрастающая, а, следовательно, мощность реактора во времени - растёт.

Если же плотность нейтронов последовательно сменяющих друг друга поколений уменьшается:

n1 > n2 > n3 > ... > n i-1 > ni > n i+1 > ... ,

то реактор подкритичен, и его мощность со временем падает.

Удобство понятия "поколение нейтронов" состоит ещё и том, что из приведенных простейших рассуждений вытекает простая мера оценки состояния реактора. Действительно, раз характер изменения мощности реактора определяется тенденцией изменения плотностей нейтронов непосредственно следующих друг за другом поколений, то отношение плотностей нейтронов любого рассматриваемого и непосредственно предшествующего ему поколений может дать ответ на вопрос, критичен, подкритичен или надкритичен реактор. Величина:

представляющая собой отношение чисел нейтронов рассматриваемого и непосредственно предшествующего ему поколений, называется эффективным коэффициентом размножения нейтронов в реакторе.

Понятно, что в критическом реакторе kэ = 1, в надкритическом реакторе kэ >1, а в подкритическом - kэ < 1, а величина эффективного коэффициента размножения (по тому, насколько она отклоняется от единицы) должна позволить нам оценить, с какой интенсивностью идут процессы нарастания или убывания мощности реактора.

Наряду с эффективным коэффициентом размножения, являющимся мерой оценки состояния реактора, используются ещё две меры оценки отклонения реактора от

критического состояния.

Первая из них - превышение величины эффективного коэффициента размно-

жения над единицей

называется избыточным коэффициентом размножения.

Вторая мера отклонения реактора от критичности, представляющая собой отно-

шение величин избыточного коэффициента размножения к эффективному

называется реактивностью реактора.

Понятно, что в критическом реакторе величины избыточного коэффициента размножения и реактивности равны нулю, в надкритическом реакторе они положительны, а в подкритическом - отрицательны.

Из трёх указанных характеристик реактивность реактора для эксплуатационной практики является наиболее важной. Достаточно сказать, что все расчёты, связан-

ные с оценкой состояния реактора, определением пусковых положений органов регулирования, с нахождением рабочих концентраций борной кислоты в реакторе, с оценкой условий соблюдения ядерной безопасности реактора - все эти расчёты оперативным персоналом АЭС выполняются в единицах реактивности.

Поэтому имеет смысл сразу познакомиться с двумя основными, наиболее употре-

бительными в практике единицами реактивности.

Единицы эти, конечно же, условные, поскольку из определения и формул (3.1.4) ÷ (3.1.6) вытекает, что реактивность - величина принципиально безразмерная.

То есть, во-первых, реактивность может измеряться в безразмерных долях от единицы, например, ρ = 0.0016 или ρ = 0.0005. Часто эти доли от единицы часто называют

абсолютными единицами реактивности (а.е.р.).

Поскольку при управлении реактором операторы имеют дело с небольшими величинами реактивности, в ходу другая единица реактивности, численно в сто раз большая, чем 1 а.е.р., а потому называемая процентом. Поэтому ρ = 0.0012 а.е.р. = 0.12%.

3.2. Нейтронный цикл в тепловом ядерном реакторе.

Большинство энергетических ядерных реакторов, используемых в энергоблоках АЭС, являются тепловыми.

Тепловой ядерный реактор (в отличие от быстрого и промежуточного) - это реактор, в котором подавляющее большинство делений ядер топлива осуществляется тепловыми нейтронами.

Иначе говоря, тепловому реактору свойственен тепловой (максвелловский) энер-

гетический спектр нейтронов.

Нейтронный цикл - это совокупность физических процессов, которые повторяются в пределах среднего времени жизни каждого поколения.

3.2.1. Основными физическими процессами нейтронного цикла в тепловом реакторе являются следующие.

а) Рождение свободных нейтронов в реакциях деления ядер топлива. Напомним,

что все нейтроны деления рождаются быстрыми (с Е > 0.1 МэВ), а их энергетическое распределение описывается спектром Уатта, которому свойственны наиболее вероятная энергия нейтронов Енв = 0.71 МэВ, и средняя энергия нейтронов Еср = 2 МэВ.

б) Замедление нейтронов - процесс пространственного переноса нейтронов в

среде активной зоны, сопровождающийся уменьшением их кинетической энергии за счёт реакций рассеяния на ядрах этой среды.

Основными чертами процесса замедления нейтронов в реакторе являются следующие.

∙Источником движения замедляющихся нейтронов является начальная кинетическая энергия, с которой рождаются в делениях быстрые нейтроны.

∙Нейтроны движутся прямолинейно и равномерно до тех пор, пока не встречают препятствия в виде ядер, с которыми они вступают во взаимодействия. Наиболее характерным типом взаимодействия быстрых и промежуточных нейтронов с ядрами среды, содержащей замедлители, являются упругие и неупругие рассеяния (микросечения поглощения в диапазоне энергий замедляющихся нейтронов пренебрежимо малы по сравнению с микросечениями рассеяния). При рассеянии ядро испускает нейтрон, имеющий, как правило, меньшую кинетическую энер-

гию, чем исходный нейтрон до рассеяния. Эта закономерность позволяет рассматривать серию реакций рассеяния в процессе замедления нейтронов как серию актов механического соударения, в которых участвует один среднестати-

стический нейтрон, в результате которых он теряет свою кинетическую энергию до уровня энергии тепловых нейтронов. Каждый замедляющийся нейтрон при каждом рассеивающем соударении представляется как уменьшающий скорость и меняющий направление своего движения;

∙Во время серии последовательных рассеяний замедляющийся нейтрон в объёме среды описывает пространственную ломаную линию, состоящую из приблизительно одинаковых отрезков, длина которых является, как говорилось ранее

(см.п.2.4.2), средней длиной свободного пробега рассеяния (λs = 1/Σs);

∙Нейтроны в процессе замедления движутся с большими (по обычным меркам)

скоростями (порядка км/с, десятков или даже сотен км/с); поэтому в процессе замедления неизбежна утечка части замедляющихся нейтронов за пределы активной зоны реактора, приводящая к потере нейтронов из цикла размножения;

∙В конце процесса замедления, в интервале энергий от 600 до 6 эВ, неизбежна также потеря ещё части замедляющихся нейтронов за счёт резонансного захва-

та их ядрами урана-238.

Уцелевшие в процессе замедления в активной зоне реактора нейтроны становятся тепловыми и вступают в качественно новый процесс - диффузии.

в) Диффузия тепловых нейтронов - процесс пространственного переноса

тепловых нейтронов в среде при постоянном среднем значении их кинетической энергии.

*) Обратим внимание: когда произносится слово "диффузия", речь всегда идёт о тепловых нейтронах.

Основными чертами процесса диффузии нейтронов в реакторе являются следующие.

∙Источником движения тепловых нейтронов в процессе диффузии является кинетическая энергия ядер атомов среды, в которой они движутся, поскольку последние сами находятся в состоянии теплового движения. Получая энергию от одного ядра среды, тепловой нейтрон способен до следующего рассеяния увеличить свою скорость, а, испытывая встречное рассеяние, - уменьшить скорость ниже некоторого среднего уровня. Среднее же значение энергии теплового нейтрона между последовательными рассеяниями при диффузии остаётся величиной постоянной и равной среднему значению кинетической энергии теплового движения ядер среды, которое определяется, как известно,

температурой среды;

∙Наиболее характерный тип нейтронно-ядерной реакции нейтронов в процессе их диффузии определяется тем материалом активной зоны реактора, в объёме которого происходит диффузия. В замедлителях наиболее характерным является рассеяние, в поглотителях - радиационный захват тепловых нейтронов.

∙При диффузии, как и при замедлении, пространственный путь теплового нейтрона представляет собой качественно такую же ломаную линию.

∙Хотя скорости тепловых нейтронов существенно меньше скоростей эпитепловых нейтронов, они все же достаточно высоки (> 2.2 км/с), что обуславливает безвозвратную утечку некоторой части тепловых нейтронов за пределы активной зоны реактора при их диффузии.