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

Тема 9. Критические размеры и нейтронное поле в реакторе с отражателем 161

С применением отражателя действительные критические размеры активной зоны уменьшаются, как ранее указывалось, на величину 2δэ:

Но любопытна одна счастливая закономерность: в пределах активной зоны реактора с отражателем распределение плотности потока тепловых нейтронов почти совпа-

дает с распределением плотности потока тепловых нейтронов критической активной зоны без отражателя, полуразмеры которой больше полуразмеров реальной ак-

тивной зоны на величину δэ. Иначе говоря, если эпюры радиального или высотного распределений Ф(z,r) таких активных зон наложить друг на друга, то они с высокой степенью точности совместятся.

Отсюда следует, что формально распределение Ф(z,r) в пределах активной зоны критического реактора с отражателем будет описываться тем же выражением, что и распределение Ф(z,r) в активной зоне без отражателя; то есть для того, чтобы аналитически описать распределение Ф(z,r) в активной зоне реактора с отражателем, можно пользоваться выражением (9.3.1), в котором вместо реальных критических размеров активной зоны - подставлять экстраполированные критические размеры активной зоны без отражателя, то есть реальные критические размеры Наз и Rаз, увеличенные на величины удвоенной и одинарной эффективной добавки соответственно:

Так же обстоит дело и с выражением геометрического параметра критической активной зоны реактора с отражателем: в выражение для геометрического параметра реактора без отражателя (9.3.2) вместо критических размеров Н' и R' формально подставляются размеры (Наз+2δэ) и (Rаз+δэ):

Иными словами, и распределение Ф(z,r), и величина геометрического параметра реактора с отражателем Вг2 описываются теми же выражениями, что и в реакторе без отражателя, но в них формальную роль длины линейной экстраполяции d играет величина эффективной добавки δэ.

Таким образом, и в гомогенном цилиндрическом реакторе с отражателем распределение плотности потока тепловых нейтронов по высоте подчинено закону косинуса, а по радиусу – закону функции Бесселя первого рода нулевого порядка (для действительного аргумента).

Насколько точно такое описание? - В целом - точно; локальные отклонения действительных величин плотностей потока тепловых нейтронов от значений, даваемых формулой (9.3.4), наблюдаются только в относительно тонких приграничных слоях активной зоны (толщиной ≈ 2λtrаз).

В этих слоях график действительного распределения плотности потока тепловых нейтронов под действием "подпирающего" эффекта отражателя приподнимается над графиком косинуса или бесселевской функции (рис.9.6).

Тема 9. Критические размеры и нейтронное поле в реакторе с отражателем 162

Отражатель

3 λазtr

Бесселевское распределение

Активная зона

r

Рис.9.6. Отклонение распределения плотности потока тепловых нейтронов в приграничном слое активной зоны от бесселевской закономерности радиального распределения.

9.4.Особенности нейтронного поля в гетерогенном реакторе

сотражателем

Активная зона гетерогенного реактора состоит из множества геометрически одинаковых ячеек, каждая из которых представляет собой в общем случае тепловыделяющую сборку твэлов вместе с относящимися к ней замедлителем и другими компонентами активной зоны, располагающимися как внутри ТВС, так и вне ее.

Стало быть, в целом активная зона гетерогенного реактора приблизительно столь же однородна, как и гомогенная, а это значит, что общий закон распределения Ф(r,z) по радиусу и по высоте должен сохраниться тот же, что и в гомогенной активной зоне той же формы и размеров: по радиусу - бесселевский, по высоте - косинусоидальный. Но это совсем не значит, что локальные значения Ф(z,r) в различных точках активной зоны гетерогенного реактора допускается вычислять по формуле (9.3.4), справедливой только для гомогенного реактора с отражателем: от общего закона в локальных частностях распределение Ф(z,r) может отклоняться довольно существенно.

Попробуем сообразить: что может вызвать отклонения в распределении плотности потока тепловых нейтронов, например, по радиусу активной зоны от монотонноплавной бесселевской кривой? - На этот вопрос мы уже в состоянии дать ответ: раз гетерогенная ячейка отличается от равного объёма гомогенной среды из тех материалов только геометрической композицией материалов в ней, то отклонение от монотонности распределения Ф(r,z) должно диктоваться, во-первых, обоими гетерогенными эффектами - внутренним и внешним.

Например, отклонение радиального распределения Ф(r) от равномерного распределения плотности потока тепловых нейтронов, вызванные радиальной неоднородностью свойств топливной композиции и замедлителя в ячейке. Поэтому, если мы мысленно заменим реальные многозонные ячейки активной зоны эквивалентными им двухзонными ячейками, состоящими из гомогенизированного "топливного блока" и окружающего его замедлителя, радиальное распределение плотности потока тепловых нейтронов в такой активной зоне будет выглядеть приблизительно так, как показано на рис. 9.8.

Так обстоит дело с радиальным распределением плотности потока тепловых нейтронов в однородной гетерогенной активной зоне (то есть составленной из одинаковых ячеек): радиальная гетерогенность свойств каждой ячейки порождает отклонения локальных значений Ф от плавного бесселевского радиального распределения. Но этим дело не исчерпывается.

Тема 9. Критические размеры и нейтронное поле в реакторе с отражателем 163

ЦТВС ТВС ТВС ТВС ТВ С ТВС ТВС ТВС ТВС ТВС ТВС Экраны Корпус

Рис.9.8. Распределение плотности потока тепловых нейтронов по радиусу гипотетической активной зоны, составленной из двухзонных гетерогенных одинаковых ячеек. Штриховой линией показан общий (бесселевский) характер радиального распределения Ф(r),на который в пределах каждой ячейки накладываются "провалы", обусловленные внутренним блок-эффектом в гомогенизированных ТВС, и "подъёмы" Ф(r) в замедлителе, возникающие в результате внешнего блок-эффекта. Те же блок-эффекты усложняют картину распределения плотности потока тепловых нейтронов по радиусу отражателя: по толщине стальных экранов отражателя наблюдается "выедание" тепловых нейтронов (за счёт более сильных поглощающих свойств нержавеющей стали, чем воды).

Каждая из тепловыделяющих сборок реактора (пусть даже одинаковых) - структура многозонная: она состоит из одинаковых твэлов, охлаждаемых водой; в составе ТВС могут быть стержни выгорающего поглотителя; в ТВС могут использоваться не один, а несколько замедлителей. Каждый из материалов реальной ячейки активной зоны образует свою гомогенную область.

Поэтому внутренний и внешний блок-эффекты будут иметь место не только в пределах ТВС в целом, но и в пределах каждого твэла, каждого стержня с выгорающим поглотителем и каждого из используемых в ячейке замедлителей (рис.9.9). Теперь уже распределение плотности потока тепловых нейтронов, которое на рис.9.8 показывалось сплошной линией и имело для гомогенизированной тепловыделяющей сборки локальный характер, для реальной (не гомогенизированной) тепловыделяющей сборки будет иметь лишь общий, приблизительный характер, а на это общее распределение будут накладываться локальные частности, обусловленные многозонной структурой тепловыделяющей сборки и порождаемым этой многозонностью действием блок-эффектов в отдельных твэлах, стержнях с выгорающим поглотителем, замедлителях и других материалах ячейки.

В силу того, что в каждом твэле и в каждом стержне с выгорающим поглотителем действует внутренний блок-эффект, в пределах радиального сечения каждого твэла (иди стержня с ВП) будет наблюдаться некоторый «провал» в распределении плотности потока тепловых нейтронов, а вне твэла (или стержня с ВП) в воде – вследствие действия внешнего блок-эффекта – некоторое увеличение плотности потока тепловых нейтронов.

Тема 9. Критические размеры и нейтронное поле в реакторе с отражателем 164

Твэл твэл твэл твэл твэл Кожуховая труба

r

Рис.9.9. Общий и локальный характер распределения плотности потока тепловых нейтронов по радиусу реальной ячейки ВВР. В пределах каждого твэла имеет место свой внутренний блок-эффект (что выражается "провалом" Ф в их пределах); в воде между твэлами Ф, наоборот, "вспухает" (результат действия внешнего блок-эффекта); циркониевая оболочка твэла (циркониевый сплав Н1 - хороший замедлитель) практически не отклоняет плавное распределение Ф(r) по своей толщине .

Но и это ещё не всё. Сами ТВС в активной зоне могут быть (а чаще всего так оно и есть) неодинаковыми: в одних ТВС есть подвижные поглощающие элементы (пэлы), в других - их нет; в одних ТВС есть стержни с ВП, а соседние с ними ТВС могут их не иметь; в одних ячейках есть добавочные замедлители, в других - их нет.

В самом общем случае ячейки активной зоны одинаковых геометрических размеров (что свойственно подавляющему большинству энергетических реакторов) могут отличаться друг от друга:

-количеством топлива и его обогащением;

-количеством поглотителей и их свойствами (например, в пределах одной ТВС могут быть использованы одновременно два ВП - борный и гадолиниевый, причём бор может быть включен в ТВС и как наполнитель отдельных борно-бериллиевых стержней (ББС), и как добавочный поглощающий компонент в нержавеющую сталь кожуховой трубы ТВС);

-количеством и качеством применяемых замедлителей.

При этом влияние на распределение плотности потока тепловых нейтронов каждого из этих факторов (отдельно) нетрудно себе представить:

-чем больше в ТВС ячейки содержится топлива (или чем выше величина его обогащения), тем более глубокий внутренний блок-эффект имеет место в такой ТВС в сравнении с ТВС с меньшим количеством топлива, тем выше значение коэффициента экранировки в такой ТВС и тем ниже величина среднерадиальной плотности потока тепловых нейтронов в такой ТВС (так как ей свойственно более глубокое "выедание" тепловых нейтронов при их диффузии от периферии к оси симметрии ТВС);

-чем больше поглотителей содержит ТВС, тем меньше величина плотности потока тепловых нейтронов в местах их размещения (за счёт внутреннего блок-эффекта);

-чем больше объём, занимаемый замедлителями в ячейке, и чем выше величины их замедляющей способности, тем выше величины локальных плотностей потока тепловых нейтронов в местах их размещения.

Тема 9. Критические размеры и нейтронное поле в реакторе с отражателем 165

Из сказанного следует простой общий вывод:

Общая закономерность распределения плотности потока тепловых нейтронов в гетерогенной активной зоне та же, что в гомогенной активной зоне той же геометрии и состава. Локальные отклонения от общей закономерности обусловлены или локальными гетерогенными эффектами, или неравномерным размещением в объёме активной зоны топлива, замедлителей и поглотителей тепловых нейтронов.

Всё, о чём говорилось ниже, действительно не только для радиальной составляющей поля тепловых нейтронов в активной зоне, но и для распределения плотности потока тепловых нейтронов по её высоте, исключая тот факт, что распределению Ф(z) на любой вертикали активной зоны не свойственны блок-эффекты, и до тех пор, пока по этой вертикали сохраняется однородность свойств среды, через которую она проходит (в топливе твэла, в металле оболочке твэла, в кожуховой трубе ТВС, через воду теплоносителя или через замедлитель), и в её ближней окрестности (в радиусе приблизительно 2÷3 λtrаз), - распределение Ф(z) по этой вертикали не отличается от косинусоидального. Но, если на этой вертикали имеет место неоднородность свойств топливной композиции (топливные таблетки неодинакового обогащения в твэле) или по поглощающим свойствам (частично погруженный в активную зону подвижный поглотитель) или даже неодинаковость температур топлива, замедлителя или теплоносителя (что имеет место в любом работающим на мощности энергетическом реакторе), реальное распределение Ф(z) на этой вертикали может существенно отклоняться от косинусоидального.

9.5.Показатели неравномерности нейтронного поля в реакторах

иметоды снижения неравномерности

Убедившись, что поле тепловых нейтронов в энергетическом реакторе существенно неравномерно, мы должны прийти к заключению, что эта неравномерность - явление явно негативное.

В самом деле, если распределение плотности потока тепловых нейтронов, скажем, по радиусу активной зоны неравномерно, это означает, что в твэлах центральных ТВС удельное объёмное энерговыделение имеет большую величину, чем в твэлах периферийных ТВС, а это значит, что тепловая мощность центральных ТВС, будет выше, чем мощность периферийных ТВС. Таким образом, в активной зоне оказывается множество в различной степени недогруженных ТВС и твэлов, а недовыработка тепловой мощности оборачивается пропорциональной потерей в выработке электроэнергии энергоблоком АЭС.

Вертикальная неравномерность Ф(z) порождает постоянную недогрузку топлива в нижних и верхних участках длины каждого твэла в каждой ТВС.

Радиальная неравномерность, обусловленная действием блок-эффектов в ТВС, порождает недогрузку центральных твэлов каждой ТВС сравнительно с периферийными ее твэлами.

Словом, гетерогенной активной зоне свойственны "недоработки" разной степени на всех уровнях, и потому стремление ликвидировать их (или хотя бы свести их к минимуму) - предмет головной боли не только конструкторов-реакторостроителей, но и инженеров-эксплуатационников АЭС.

Но для того, чтобы знать, как бороться с неравномерностью нейтронного поля, надо вначале установить меры оценки этой неравномерности.