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

С учётом понятия пористости топлива в твэлах величина вероятности первого взаимодействия быстрого нейтрона с ядрами 238U внутри твэла будет равна pub, а для вычисления величины коэффициента размножения на быстрых нейтронах в "редкой" решётке твэлов (равной величине εт в одиночном изолированном твэле) можно воспользоваться формулой (8.1.3) для блока природного металлического урана:

где величина вероятности pu рассчитывается по формуле (8.1.2) с учётом того, что диаметр топливной композиции в твэле меньше наружного диаметра твэла на удвоенную толщину оболочки твэла

Нельзя сказать, что этим исчерпываются отличия в картинах размножения на быстрых нейтронах в реальном одиночном твэле и одиночном урановом блоке того же диаметра. Например, наличие разжижителя в топливной композиции реального твэла, в качестве которого (для уменьшения внутреннего блок-эффекта в твэле) подбирается хороший замедлитель (кислород в UO2), явно должно привести к интенсификации замедления нейтронов. Следовательно, с наличием разжижителя в топливе твэла действительная величина коэффициента размножения на быстрых нейтронах εт должна быть ниже рассчитанной по формуле (8.1.7).

Но, с другой стороны, наличие в реальном топливе тепловых реакторов ядер ура- на-235 и плутония-239, которые тоже (хотя и слабо) делятся эпитепловыми нейтронами должно увеличивать значение εт, рассчитанного по формуле (8.1.7).

Считается (и это мнение подтверждают расчёты многих авторов), что в топливных композициях низких обогащений оба указанных эффекта приблизительно равны, благодаря чему их влияние на величину εт можно опустить и с достаточной для качественного анализа точностью рассчитывать величину коэффициента размножения на быстрых нейтронах в "редкой" решётке по формуле для одиночного изолированного твэла

(8.1.7)

8.1.4. Величина ε в "тесных" уран-водных решётках твэлов. Признаком "тес-

ной" решетки является соизмеримость зазора между твэлами в ней со средней длиной пробега рассеяния быстрых нейтронов в воде:

Решётки твэлов в ТВС энергетических тепловых реакторов АЭС являются "тесными". Не только из-за стремления конструкторов реакторов расположить твэлы как можно плотнее, чтобы получить в ограниченном объёме активной зоны возможно большую тепловую мощность, но и потому, что именно "тесная" решётка позволяет иметь размножающие свойства гетерогенной композиции, близкие к оптимальным.

Что качественно нового можно увидеть в картине размножения на быстрых нейтронах в "тесной" решётке твэлов сравнительно с размножением в "редкой" решётке?

Соизмеримость водного зазора между твэлами со средней длиной свободного пробега рассеяния в воде быстрых надпороговых нейтронов создаёт возможность для рожденного в одном твэле быстрого нейтрона преодолевать сравнительно тонкий слой воды без единого рассеяния и попадать в соседний твэл, оставаясь при этом надпороговым нейтроном, способным вызвать деление 238U в этом соседнем твэле (рис.8.5).

То есть соседние твэлы в "тесной" решетке имеют возможность обмениваться между собой быстрыми надпороговыми нейтронами, отчего скорость делений ядер 238U

Рис.8.5. К пояснению понятия перекрестного эффекта размножения на быстрых нейтронах в "тесной" решётке твэлов.

Это увеличение числа делений ядер 238U в твэле, обусловленное надпороговыми нейтронами, поставляемыми в твэл из соседних твэлов, принято называть перекрест-

ным эффектом размножения на быстрых нейтронах.

Перекрестный эффект сильно усложняет картину размножения на быстрых нейтронах в "тесных" решётках твэлов для теоретического анализа, и единственным методом изучения влияния этого эффекта на величину ε остаётся экспериментальный метод.

Предпринятые в 50-х годах экспериментальные исследования Батя и Цыганкова позволили получить полуэмпирическую формулу, связывающую величины коэффициентов размножения на быстрых нейтронах в "тесной" решётке твэлов уран-водных систем и в одиночных изолированных твэлах их:

В формуле Батя-Цыганкова:

εт - коэффициент размножения на быстрых нейтронах в одиночном изолированном твэле, рассчитываемый по формуле (8.1.7);

(Nн/N8) - отношение величин ядерных концентраций водорода в воде ячейки и урана-238 в топливной композиции твэлов;

Sз, см2 - площадь поперечного сечения, занятая водой в ячейке;

Sт, см2 - площадь поперечного сечения, занятая топливной композицией в ячейке.

По существу произведение двух отношений в знаменателе формулы (8.1.10) - есть не что иное как отношение общих количеств ядер водорода и урана-238 в ячейке. Факт нахождения этой величины в знаменателе формулы вполне согласуется с физическим смыслом: чем больше водорода находится в ячейке, тем интенсивнее идет процесс замедления нейтронов в ней, тем больше быстрых нейтронов выбывают из процесса размножения на быстрых нейтронах (т.к. в ячейке меньше остаётся надпороговых нейтронов), и тем меньше происходит в твэле делений 238U, а, значит, меньше становится величина ε; и чем больше ядер 238U содержится в ячейке, тем больше в ней делящегося под действием надпороговых нейтронов компонента топлива, тем больше скорость делений ядер 238U и тем выше величина ε.

8.1.5. Факторы, определяющие величину ε в тепловых реакторах. Величина коэффициента размножения на быстрых нейтронах определяется обогащением топлива (х), уран-водным отношением (u) и температурами топлива и воды в активной зоне.

а) Обогащение ядерного топлива. С ростом обогащения топлива в нём растёт концентрация ядер урана-235, но концентрация ядер урана-238 падает, поэтому с ростом обогащения в топливе твэлов происходит меньше делений ядер урана-238 быстры-

ми нейтронами, и величина ε уменьшается.

x− → N8 ↓ → ε↓

б) Уран-водное отношение. С ростом величины u = NUVт / NзVз, достигаемого увеличением диаметра твэла при неизменном размере ячейки, либо уменьшением количества воды в ячейке при неизменном диаметре твэла, приводит к увеличению общего количества ядер урана, либо к уменьшению общего количества молекул воды в ячейке.

В обоих случаях при неизменном обогащении топлива это приводит к уменьшению величины отношения количеств ядер водорода и ядер урана-238 в ячейке, что, как видно из формулы Батя-Цыганкова, приводит к увеличению величины ε.

в) Температура активной зоны. С ростом температуры воды в активной зоне уменьшается её плотность в зазорах между твэлами, из-за чего уменьшается молекулярная концентрация воды и её макросечение рассеяния быстрых надпороговых нейтронов (или: увеличивается средняя длина свободного пробега рассеяния быстрых надпороговых нейтронов в воде), т.е. вода становится более прозрачной для надпороговых нейтронов, из-за чего перекрестный эффект размножения на быстрых нейтронах усили-

вается, а величина ε - растёт.

tз − → γз ↓ → Nз ↓ → Σsз↓( т.к. λsз−) → ×-эффект− → ε−.

В реальных энергетических тепловых реакторах АЭС величина ε вообще не превышает 1.05 ÷ 1.06, поэтому обусловленное температурным расширением теплоносителя увеличение ε является незначительным по сравнению с температурным ростом величины θ или температурным падением величины η.

8.2.Вероятность избежания резонансного захвата

8.2.1.Определение и общие понятия. Второй величиной, определяющей эффективные размножающие свойства реактора, связанной с наличием в активной зоне его ядер 238U, является вероятность избежания резонансного захвата. В п.8.1 говорилось о позитивной роли урана-238, как о компоненте, делящемся быстрыми надпороговыми нейтронами, в результате чего в этих делениях рождается добавочное количество нейтронов деления, которые включаются в общий цикл размножения, увеличивая значение эффективного коэффициента размножения. С точки зрения одногруппового диффузи- онно-возрастного приближения этот процесс имеет место в самом начале процесса замедления. В конце же процесса замедления тот же уран-238 выступает в прямо противоположной, негативной, роли - как резонансный захватчик замедляющихся нейтронов, из-за наличия которого часть замедляющихся нейтронов выбывает из цикла размножения, уменьшая величину эффективного коэффициента размножения.

Вероятностью избежания резонансного захвата (ϕ) называется доля нейтронов, избежавших резонансного захвата при замедлении, от общего числа нейтронов поколения, замедляющихся в объёме активной зоны.

Резонансные свойства урана-238 обусловлены особенностями строения его ядер, которые определяют особенности зависимости величины микросечения радиационного захвата ядер 238U от энергии нейтронов, с которыми взаимодействуют эти ядра -

σc8(E) (рис.8.6).

σс8

барн

103

102

101

100

Рис.8.6. График зависимости микросечения радиационного захвата ядер урана-238 от кинетической энергии нейтронов. График имеет лишь качественный характер

(показаны не все известные резонансные уровни).

В области энергий медленных нейтронов зависимость σc8(E) практически подчиняется закону "1/v", в области более высоких энергий (выше 0.6 эВ) эта зависимость существенно отклоняется от закона "1/v", а при E1 ≈ 6 эВ величина σc8 при очень малом увеличении энергии резким пиком "взлетает" вверх, достигая в точке максимума этого пика значения в несколько тысяч барн, а затем резко падает вниз, возвращаясь приблизительно к исходной своей величине. Аналогичные аномальные (отклоняющиеся от монотонных, плавных) изменения величины σc8 имеют место ещё несколько десятков

раз при более высоких энергиях нейтронов в диапазоне от 6 до ~ 600 эВ.

Поскольку такие аномальные закономерности в отклонениях различных величин свойственны целому классу явлений, называемых резонансными явлениями, для того, чтобы отличать этот аномальный радиационный захват замедляющихся нейтронов от радиационного захвата тепловых нейтронов или нейтронов других энергий, при которых величина σc(E) меняется монотонно, его назвали резонансным захватом, а нуклиды, которым свойственен такой захват замедляющихся нейтронов, - резонансными за-

хватчиками.

Вообще-то, материалов, содержащих компоненты с резонансными свойствами, довольно много, но в энергетических реакторах по понятным причинам их стараются не применять, за исключением редких случаев, когда их использование несет полезную нагрузку (например, в кадмиевых стержнях регулирования; 48Cd - сильный резонансный поглотитель, имеющий резонансный пик при E ≈ 0.16 эВ). В небольшом количестве резонансные поглотители в реакторе оказываются вынужденно: например, резонансными свойствами обладают некоторые осколки деления топлива.

В отечественных энергетических реакторах АЭС кадмий в регулирующих стержнях не применяют, поэтому в первом приближении можно считать, что уран-238 (который составляет более 30% всех ядер топливной композиции) является единственным общим для всех реакторов резонансным захватчиком замедляющихся нейтронов.

Каждый из резонансных пиков, чаще называемых резонансными уровнями, характеризуется:

-значением энергии его максимума (Ei),эВ;

-пиковым значением σc8(Ei), барн;

-эффективной шириной уровня Гi, эВ.

Эффективная ширина уровня Гi - это разница значений энергии нейтронов, при которой величина сечения радиационного захвата равна половине пикового значения.

σс8(Е) σсmax

σcmax/2

Гi – эффективная ширина i-го резонансного уровня

Рис.8.7.К понятию эффективной ширины резонансного уровня.

Все резонансные уровни 238U можно по их качественной форме разделить на две группы:

- сильные резонансные уровни - в самом простом понимании - это высокие и узкие резонансные уровни, то есть характеризуемые большим пиковым значением σc8(Ei), но малым значением ширины уровня Гi;