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

Тема 9. Критические размеры и нейтронное поле в реакторе с отражателем 156

Если градиент плотности потока тепловых нейтронов на границе активной зоны с отражателем имеет отрицательный знак (то есть функция Ф(r) при переходе границы убывает), то вектор плотности тока тепловых нейтронов направлен из активной зоны в отражатель, а это значит, что имеет место утечка тепловых нейтронов из активной зоны

(рис.9.2б).

Принципиально возможен и третий вариант, когда величина градиента плотности потока тепловых нейтронов на границе активной зоны с отражателем нулевая (рис.9.2в). Это случай так называемой «слепой диффузии», когда количества тепловых нейтронов, пересекающих границу активной зоны в противоположных направлениях, равны, и не имеют места ни утечка, ни втечка тепловых нейтронов; иначе говоря, имеет место нулевая утечка

Какой из этих трёх случаев имеет место в реальных энергетических реакторах АЭС? - Случай (б): окружение реактора отражателем приводит к простому (существенному!) снижению градиента плотности потока тепловых нейтронов на границе активной зоны. Величина максимума "всплеска" плотности потока тепловых нейтронов в отражателе в водо-водяных и в уран-графитовых реакторах значительно меньше величины максимального значения плотности потока тепловых нейтронов в объёме активной зоны реактора (рис.9.3а).

Однако, известен тяжеловодный реактор (с отражателем из той же тяжёлой воды D2O), у которого максимумы "всплесков" Ф в отражателе выше максимума Ф внутри активной зоны, и градиент плотности потока тепловых нейтронов на границе активной

Рис.9.3.Радиальные распределения плотности потока тепловых нейтронов

влегководном ВВР (а) и в реакторе с тяжеловодным отражателем (б).

Уреактора с тяжеловодным отражателем градиент плотности потока тепловых нейтронов на границах активной зоны положителен, а это значит, что работающая активная зона, испытывая утечку эпитепловых нейтронов, непрерывно пополняется тепловыми нейтронами из отражателя.

Ещё раз подчеркнём: в классическом энергетическом тепловом реакторе с легководным или графитовым замедлителем отражатель (который выполняется, как правило, из того же материала, что и основной замедлитель активной зоны) не ликвидирует полностью утечку тепловых нейтронов, а лишь уменьшает её. Поэтому величина вероятности избежания утечки тепловых нейтронов в ВВЭР и РБМК лежит в пределах от 0.990

Тема 9. Критические размеры и нейтронное поле в реакторе с отражателем 157

до 0.996, в то время как вероятности избежания утечки замедляющихся нейтронов в них имеют намного более низкие значения (pз ≈ 0.88 ÷ 0.92).

И так как утечка тепловых нейтронов в реакторе с отражателем меньше, чем без отражателя, критический реактор с отражателем имеет меньший размер, чем критический реактор того же состава без отражателя.

9.2. Эффективная добавка (δэ)

Итак, окружение активной зоны реактора бесконечно-толстым слоем хорошего замедлителя, называемого отражателем, даёт возможность уменьшить критические размеры активной зоны и, тем самым, добиться экономии ядерного топлива и конструкционных материалов.

Поэтому вопрос: намного ли отражатель уменьшает критические размеры активной зоны? - представляет самый практический интерес.

9.2.1. Определение:

Разница критических полуразмеров активной зоны, получаемая за счёт применения отражателя называется эффективной добавкой и обозначается δэ.

Если диаметр активной зоны Dаз является её полным поперечным размером, то радиус активной зоны Rаз является её поперечным полуразмером.

Поэтому на основании данного определения величина эффективной добавки:

Здесь R' и Rаз, см - критические радиусы активной зоны без отражателя (в вакууме) и при применении отражателя соответственно.

Или через вертикальные критические размеры - высоты критической активной зоны без отражателя (Н') и с отражателем (Наз):

Таким образом, найдя величину δэ, можно ответить на вопрос о выигрыше в компактности активной зоны, получаемом за счёт применения отражателя.

9.2.2. Зависимость величины δэ от толщины отражателя. Отражатели в ядер-

ных реакторах конструируются, как правило, из того же материала, который служит в качестве основного замедлителя в их активных зонах.

До сих пор речь шла о гипотетическом отражателе бесконечной толщины. Но, разумеется, никому не придёт в голову оснащать активную зону реактора отражателем, скажем, двухметровой толщины ради сокращения её размеров на 5 -10 см. Здравомыслящий человек постарается вначале выяснить, как зависит δэ от толщины отражателя, а затем уже станет думать, стоит ли овчинка выделки.

Особенно важен ответ на вопрос об эффективной толщине отражателя для транспортных реакторов, где выигрыш в размере активной зоны на 20 см оборачивается уменьшением веса всей установки на десятки тонн.

То, что эффективность действия отражателя (которая оценивается величиной δэ) зависит от толщины отражателя (По), очевидно. В самом деле, если активная зона лишена отражателя (По = 0), то δэ = 0; если же активная зона окружена отражателем бесконечной толщины, то нужно ожидать, что при отражателе такой толщины значение эффективной добавки будет иметь наибольшую величину (δэmax); при промежуточных значениях По должна существовать какая-то зависимость эффективной добавки от толщины отражателя из данного материала - δэ = f (По).

Тема 9. Критические размеры и нейтронное поле в реакторе с отражателем 158

Предположим, имеются две критические активные зоны одинакового состава - без отражателя и с отражателем конечной толщины По.

В обоих случаях для среды активной зоны, а во втором случае - и для среды отражателя, можно записать волновое уравнение Гельмгольца, для которого по конкретным (критическим) размерам и диффузионным характеристикам сред можно составить граничные условия, затем решить эти уравнения, найти в обоих случаях величины геометрического параметра активных зон и критические размеры их без отражателя и с отражателем. Разница критических полуразмеров первой и второй активных зон и даст величину эффективной добавки δэ(По1) при конкретной толщине отражателя По1.

С некоторыми допущениями эта задача решается не только в численном, но и в общем аналитическом виде, давая возможность получить следующее выражение:

где: Σtrаз и Σtro, см-1 - величины транспортных макросечений сред активной зоны и отражателя соответственно;

Lo, см - длина диффузии в отражателе.

Прежде всего отметим, что величина эффективной добавки пропорциональна величине гиперболического тангенса от относительной (т.е. выраженной в длинах диффузии Lo) толщины отражателя.

Напомним, что собой представляет функция гиперболического тангенса. Самое простое её выражение - через экспоненциальные функции того же аргумента:

Наглядное представление об этой функции даёт её график:

1.0

thx

0.5

Как видим, гиперболический тангенс - функция монотонная и возрастающая; с ростом х она асимптотически устремляется к своему предельному значению - единице. Но заметим, что практически (с менее чем 4%-ной погрешностью) она приближается к своему пределу уже при х = 2 (th2 ≈ 0.964).

Теперь о зависимости δэ(По). Понятно, что если построить график δэ по оси абсцисс в единицах длины диффузии в отражателе (то есть в относительных единицах По/Lо), то этот график, по существу, повторит кривую гиперболического тангенса в ином масштабе по оси δэ. Асимптотическим пределом величины δэ при По/Lо → ∞ будет значение:

Тема 9. Критические размеры и нейтронное поле в реакторе с отражателем 159

tr

δэ (По)

Рис.9.5.Зависимость эффективной добавки от толщины отражателя.

Вид этого графика свидетельствует о том, что величина эффективной добавки на 96.4% достигает своего предела уже при толщине отражателя:

По ≈ 2Lо.

Возникает практический вопрос: стоит ли увеличивать толщину отражателя более этого значения, зная при этом, что уменьшение критических размеров активной зоны на 1 см достанется ценой увеличения массы самого отражателя приблизительно на 650 кг и массы корпуса ВВЭР - на 1300 кг? – Наверное, не стоит.

Эффективной толщиной отражателя из заданного материала называется его толщина, при которой отражатель по своим свойствам практически идентичен бесконечно толстому отражателю из этого материала.

и есть эффективная толщина отражателя в диффузионном приближении.

В диффузионно-возрастном приближении эффективная толщина отражателя считается равной полутора длинам миграции нейтронов в активной зоне:

Расчёты по обеим формулам дают приблизительно одинаковые результаты. Считая, что у разогретого ВВЭР длина диффузии в водном отражателе Lо ≈ 5.5 см, можно получить представление об эффективной толщине отражателя в реальных ВВЭР, равной приблизительно 10 ÷ 11 см. Такие же расчёты для реактора с графитовым отражателем дают значение эффективной толщины отражателя приблизительно 0.94 м (в реакторе РБМК-1000 фактическая толщина отражателя – 1 м).

9.2.3. Физические основы конструкции отражателей в реальных ЭЯР. В со-

ответствии с упомянутым правилом, основным материалом отражателя выбирается тот же материал, что служит в реакторе основным замедлителем.

Поэтому в уран-графитовом реакторе РБМК-1000 отражатель выполнен из графита, а в реакторе ВВЭР-1000 основной материал отражателя - вода.

Тема 9. Критические размеры и нейтронное поле в реакторе с отражателем 160

Однако в обоих случаях дело обстоит немного сложнее. В ВВЭР, например, отражатель не чисто водяной, а слоистый, водно-стальной: кольцевые слои воды вокруг активной зоны чередуются с кольцевыми слоями нержавеющей стали. Нержавеющая сталь 08Х18Н10Т, применяемая как основной материал для внутриреакторных конструкций, имеет довольно неплохие замедляющие свойства:

-транспортное макросечение Str = 0.861 см-1 (у воды Str » 2 см-1);

-стандартная длина диффузии L = 1.62 см (у воды L = 2.72 cм);

-замедляющая способность xSs = 0.018 cм-1 (у воды xSs = 1.35 cм-1).

Недостаток этой стали как материала для отражателя - её большое макросечение поглощения (Sa » 0.24 cм-1), из-за чего эффективность водно-стального отражателя несколько снижается по сравнению с чисто водным.

Применение стальных слоев в экранной сборке ВВЭР - дань другой необходимости. Из активной зоны работающего ВВЭР идёт не только поток утечки нейтронов, но и мощное g-излучение, для которого дециметровый слой воды не является достаточной преградой; попадая на корпус реактора, поток g-квантов высоких энергий вызывает радиационный наклёп в его стали, отчего она теряет свои пластические свойства, охрупчивается. Поэтому постановка стальных экранов между активной зоной и корпусом реактора является вынужденной мерой, цель которой - снижение на два порядка величины потока гамма-излучения на корпус реактора, и повышение надежности и долговечности его работы.

Для водно-стальных отражателей эффективной толщины величина эффективной добавки с приличной точностью может вычисляться по эмпирической формуле:

Водно-стальную компоновку имеют и верхний и нижний торцевые отражатели в ВВЭР, с той лишь разницей, что в них нет явно выраженного чередования горизонтальных слоев воды и стали.

В реакторе РБМК-1000 и боковой, и торцевые отражатели в силу необходимости также имеют не чисто графитовую структуру: через нижний отражатель проходят подводящие теплоноситель к технологическим каналам трубы, в верхнем отражателе проходят отводящие трубы, а графит бокового отражателя пронизывают от низа до верха вертикальные трубы охлаждения самого отражателя.

9.3. Геометрический параметр и поле тепловых нейтронов

в гомогенной цилиндрической активной зоне с отражателем

Ранее (в п.6.4.2 и 6.4.3) были получены выражения для распределения Ф(z,r) и величины Bг2 в цилиндрической активной зоне гомогенного реактора без отражателя (в вакууме):

Здесь H' и R'- экстраполированные критические размеры цилиндрической активной зоны без отражателя, и, как уже неоднократно отмечалось, эти размеры мало отличаются от действительных критических размеров активной зоны из-за малости длины линейной экстраполяции d по сравнению с самими этими размерами. Поэтому с некоторой степенью точности H' и R' можно считать действительными критическими размерами активной зоны без отражателя.