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

марная скорость образования ксенона и в итоге наступает такой момент t*, когда скорости образования и убыли ксенона сравниваются, и величина производной dNXe/dt становится равной нулю. Это означает, что величина Nxe(t) достигает максимума, после чего dNXe/dt становится величиной отрицательной, а функция Nxe(t) - убывающей функцией.

Заметили ли Вы, что здесь были почти повторены те же рассуждения, что и в случае останова реактора?

Итак, закономерностью изменения концентрации ксенона после снижения уровня мощности реактора является первоначальное нарастание концентрации его до некоторого максимального значения и последующее снижение концентрации ксенона до стационарного значения на новом (пониженном) уровне мощности. То есть, если перейти от концентраций ксенона к потерям реактивности за счёт отравления реактора ксеноном, то график переотравления реактора будет иметь вид, показанный на рис.19.8.

ρХе(t)

ρXeст(Np2)

ρXeст(Np1)

Рис.19.8. Характер переотравления реактора ксеноном после снижения уровня мощности.

Таким образом, переходный процесс ρXe(t) после снижения мощности реактора имеет характер перехода от более высокого на старом уровне мощности стационарного отравления к менее высокому стационарному отравлению на новом уровне мощности, и этот переход осуществляется не монотонно, а через йодную яму, тем более глубокую, чем выше исходный уровень мощности Np1 и чем ниже уровень мощности Np2.

Самая глубокая из йодных ям, которую только возможно получить, (догадались?) является йодная яма после снижения мощности реактора от номинальной (Np1 = Npном) до нуля (Np2 = 0), то есть после останова реактора с номинальной мощности. Таким образом, йодная яма после останова реактора может рассматриваться как частный случай после снижения мощности реактора до полной его остановки.

19.4.2.Переотравление реактора после повышения уровня мощности. Под-

ставляя в уже упоминавшееся уравнение скорости изменения концентрации ксенона величины физических констант и значения Ф1 и Ф2 > Ф1, нетрудно на любых конкретных цифрах убедиться, что в первые моменты после перехода реактора на более высокий уровень мощности величина скорости убыли ксенона (последние два слагаемых)

при любых соотношениях плотностей потока нейтронов Ф2/Ф1 > 1 будет больше скорости прибыли ксенона (первые два положительных слагаемых).

А это значит, что сразу после увеличения мощности величина производной dNXe/dt - величина отрицательная, и концентрация ксенона в первый период после увеличения мощности реактора падает. Физически это объясняется тем, что сразу после увеличения мощности в первую очередь возрастает скорость расстрела ксенона нейтронами, в то время как скорость его образования в начальный период после увеличения мощности остаётся практически прежней: хотя скорость генерации ксенона как непосредственного продукта деления и возрастает, но она всё же почти на два порядка ниже скорости образования ксенона из распадающегося йода, а последняя - в первый небольшой период времени после увеличения мощности остаётся практически той же, что и была до увеличения мощности (то есть стационарной).

Но по мере увеличения концентрации йода за счёт непосредственного выхода из реакции деления (её величина устремляется к новому, более высокому стационарному значению, пропорциональному более высокому уровню мощности Np2) растёт скорость его β-распада, а это значит, что растёт скорость образования из него ксенона, и умень-

шение общей скорости образования ксенона с течением времени начинает «тормозиться». Это будет продолжаться до того момента t*, когда скорости образования и убыли ксено-

на сравняются, то есть величина производной dNXe/dt станет равной нулю, и падение концентрации ксенона прекратится (функция Nxe(t) достигает минимума), а после этого момента t* концентрация йода возрастёт уже настолько, что скорость его распада (равная скорости образования из него ксенона) в сумме со скоростью непосредственного образования ксенона как осколка деления начнёт превышать суммарную скорость убыли ксенона по обоим каналам убыли.

Это значит, что величина производной dNXe/dt становится величиной положительной, а сама функция Nxe(t) - возрастающей. Рост концентрации Nxe(t) после момента t* будет продолжаться до тех пор, пока она не достигнет стационарного значения на новом, более высоком уровне мощности Np2, то есть приблизительно через трое суток.

Качественный характер переходного процесса ρXe(t) в течение этих трёх суток после перевода реактора на более высокий уровень мощности показан на рис.19.9. Как и в случае после снижения мощности, переходный процесс ρХе(t) имеет две монотонные стадии: вначале небольшое разотравление, а затем монотонный переход к более высокому стационарному отравлению на более высоком уровне мощности.

ρХе(t)

ρXeст(Np1)

ρXeст(Np2)

Рис.19.9. Качественный характер переходного процесса переотравления реактора ксеноном в первые трое суток после перевода реактора на более высокий стационарный уровень мощности.

По аналогии с прижившимся жаргонным термином «йодная яма» переходный процесс нестационарного переотравления реактора ксеноном после его перевода на более высокий уровень мощности в среде операторов принято именовать «йодным холмом», хотя, как вы понимаете, это совершенно неправильно: некоторое уменьшение потерь реактивности за счёт отравления ксеноном в первый период переходного процесса имеет место не вследствие каких-то изменений концентрации йода, а исключительно благодаря тому, что в этот период скорость убыли ксенона вследствие превалирующей скорости его расстрела нейтронами держится выше, чем скорость его образования. Итак:

Переотравление реактора ксеноном после его перевода на более высокий уровень мощности имеет характер перехода от более низкого стационарного отравления (на исходном уровне мощности) к более высокому стационарному отравлению (на более высоком уровне мощности), и этот переход осуществляется не монотонным увеличением потерь реактивности, а через «холм», обусловленный временным снижением концентрации ксенона вследствие его интенсивного расстрела нейтронами в первый период переходного процесса.

Высота холма будет тем больше, чем больше соотношение Ф2/Ф1. Время наступления его максимума t* также определяется соотношением конечной и начальной мощностей реактора, но по сравнению со временем наступления максимума йодных ям после снижения уровня мощности это время имеет меньшие величины (от 1 до 5 часов).

19.5. Расчёт изменений потерь реактивности за счёт переотравлений реактора.

Если реактор в какой-то момент времени t1 пребывал в состоянии отравления, характеризуемом потерями реактивности ρXe1, а в какой-то последующий момент t2 его состояние отравления изменилось (вследствие каких-то изменений режимных параметров реактора, определяющих величину его отравления) и характеризуется теперь потерями реактивности, равными ρXe2, то абсолютное изменение потерь реактивности реактора вследствие его переотравления за период t = t2 - t1 подсчитывается всегда по стереотипной формуле:

Пользоваться этой формулой чрезвычайно просто, если в придачу к ней запомнить несколько простых частностей, с которыми чаще всего связана практическая необходимость расчётов ксеноновых переотравлений.

Во-первых, если правильно подставлять в неё конечное и начальное отравления, то знак получающейся величины ΔρXe сам по себе подсказывает, идёт ли речь о разотравлении реактора или о его большем отравлении за рассматриваемый период времени t: если величина ΔρXe > 0, значит реактор в целом за истекший период t разотравился (потери запаса реактивности за это время уменьшились, что равносильно высвобождению положительной реактивности в реакторе за этот период); если же ΔρXe < 0, то реактор за этот период, наоборот, отравился в большей степени, что равносильно потере запаса реактивности. Поэтому, подставляя в формулу (19.20) значения отравлений (а они всегда отрицательны), можно не заботиться о правильности знака получаемого результата.

Кроме того, следует помнить несколько простых правил.

а) Если до рассматриваемого момента t реактор проработал на постоянном уровне мощности более трёх суток, величина отравления его в этот момент равна стационар-

ному отравлению на этом уровне мощности, и её следует определять по кривой стационарных отравлений, как функцию величины мощности, на которой работал реактор.

б) Если реактор к рассматриваемому моменту t простоял после останова в бездействии более трёх суток, - он полностью разотравился (ρXe = 0).

в) Если реактор к рассматриваемому моменту t после останова простоял менее трёх суток, разотравиться полностью он, естественно, не успел, и величина отравления находится по кривой йодной ямы после останова как функция мощности, на которой работал последние трое суток перед остановом реактор, и времени стоянки реактора.

г) Если первоначально разотравленный реактор (после длительной, более трёх суток стоянки) выведен на стационарный уровень мощности и работает на этой мощности менее двух суток, он пока не достиг стационарного отравления на этом уровне мощности, и величина отравления в рассматриваемый момент либо находится по кривой выхода реактора на стационарное отравление как функция мощности и времени, либо подсчитывается по приближенной формуле:

ρXe(t) ≈ ρXeст(Np) [1 - exp(- λIt)],

Время t в этой формуле подставляется в [час], а величина стационарного отравления на данном уровне мощности Np снимается с кривой стационарных отравлений.

д) Наконец, если реактор работает на постоянном уровне мощности менее трёх суток после перехода с другого уровня мощности, то значение отравления реактора ксеноном в любой момент этого периода находится либо по графикам нестационарных переотравлений, либо по таблицам нестационарных переотравлений как функция начальной и конечной мощности реактора и времени его работы на мощности после перехода.

Тема 20

ОТРАВЛЕНИЯ РЕАКТОРА САМАРИЕМ-149

Самарий-149 - сильный шлак первой группы. Его стандартное микросечение радиационного захвата σаоSm = 40800 барн, а период полураспада Т1/2Sm = 13.84 года, то есть практически он стабилен. Почему же в таком случае он фигурирует в разговоре об

отравлении, а не о шлаковании реактора?

Да, самарий - шлак, но дело в том, что накопление его в твэлах реактора имеет некоторые особенности, которые делают процессы изменения концентрации самария-149 качественно похожими на процессы отравления реактора ксеноном. В отличие от прочих шлаков, самарий может не только накапливаться в работающем реакторе, но, обладая большим сечением поглощения, достаточно интенсивно расстреливаться нейтронами, а, следовательно, потери реактивности, связанные с накоплением самария, могут не только однозначно увеличиваться, но и уменьшаться за счёт интенсивного его расстрела на больших уровнях мощности реактора. Это, по-видимому, и послужило поводом для того, чтобы процесс накопления самария-149 называть не шлакованием, а отравлением.

20.1. Схема образования-убыли 149Sm и дифференциальные уравнения отравления реактора самарием

Непосредственно как продукт реакции деления 149Sm в реакторе практически не образуется (величина его удельного выхода γSm<10-5). Поэтому практически всё образование 149Sm связано с его получением в результате β-распада другого продукта реакции деления - прометия-149 (149Pm). Прометий как непосредственный осколок деления также образуется довольно слабо (хотя и заметно: его удельный выход γPm ≈ 10-4), основным каналом его образования является β-распад неодима-149 (149Nd) - осколка деления с большим удельным выходом (γNd = 0.011). Таким образом, процессы образования и убыли указанных продуктов деления схематически можно представить так, как это показано на рис.20.1.

149Nd* Т1/2=2.3 ч

20.1. Схема образования и убыли самария-149 и сопутствующих продуктов деления и их распада

Логика следования отдельных физических процессов друг за другом и сравнение характеристик физических процессов позволяют существенно упростить расчётную схему общего процесса отравления реактора самарием-149:

а) Поскольку удельный выход прометия-149 из реакции деления мал (γPm < 10-4), каналом прямого образования прометия можно пренебречь.

б) Ввиду того, что период полураспада неодима-149 существенно меньше периода полураспада прометия-149, можно, наоборот, считать, что прометий-149 является прямым продуктом реакции деления с удельным выходом, равным фактическому удельному выходу неодима-149.

Таким образом, с учётом сделанных допущений, расчётная схема образования и убыли самария и сопутствующих ему продуктов будет выглядеть так: