Особенности тепловыделения в объеме активной зоны.

Из расчета полного баланса энергии U²³⁵ видно, что около 90% от общей энергии деления ядер приходится на кинетическую энергию заряженных частиц- осколков деления и β- частиц. Длина пробега осколков деления в горючем составляет лишь несколько 10^-3см, а длина пробега β- частиц- несколько 10^-2см. Таким образом, почти вся энергия деления выделяющаяся в виден тепла в очень ограниченном объеме около места, где произошло деление. Это позволяет приближенно считать, что пространственное тепловыделение совпадает с распределением плотности деления в объеме активной зоны.

Плотность деления, то есть число делений в 1см³ за 1сек, составляет _ƒФ (вклад от деления на быстрых и промежуточных нейтронах относительно мал и при оценке характера тепловыделения им можно пренебречь). Если начальное распределение делящегося вещества однородно, то величина _ƒ постоянна во всем объеме активной зоны. Отсюда следует, что плотность деления, а значит и интенсивность выделения тепла, определяются характером распределения потока тепловых нейтронов.

Распределение потока тепловых в активных зонах без отражателя и с отражателем.

Условное распределение Ф.

Таким образом, в районе с отражателем величина Ф по высоте и радиусу изменяется по тому же закону, что и в реакторе без отражателя. Поток убывает до 0 не на границах активной зоны, как при отсутствии отражателя, а на

расстоянии от этих границ равном

эффективной добавке.

Этим учитывается влияние на выравнивание распределения нейтронного потока в пределах активной зоны.

Интенсивность выделения тепла следует за изменением нейтронного потока, поэтому удельное объемное тепловыделение в реакторе с отражателем определяется соотношением аналогичным соотношению изменение Ф (см. рис.)

ккал/м³ч

В отражателе тепловыделение не следует за нейтронным потоком, а изменяется по более сложному закону.

Неравномерность тепловыделения в объеме активной зоны является важной особенностью ядерных реакторов. Для количественной оценки этой неравномерности вводятся так называемые константы неравномерности тепловыделения, равные отношению среднего тепловыделения к max.

Различают радиальный коэффициент неравномерности к_r и высотный коэффициент неравномерности к_z . Например, к_z= q_cp / q_max, где q_cp равен высоте прямоугольника, построенного на основании Н и криволинейной трапеции, ограниченной кривой g(z).

Кроме коэффициентов к_r и к_z, вводится понятие о коэффициенте объемной неравномерности к_v, определяемом как отношение осредненного по всей активной зоне тепловыделения к “max” тепловыделению. Очевидно, что

к_v = к_r· к_z

Коэффициенты неравномерности тепловыделения позволяют по средним значениям q_cp и q_vcpопределить их “max” значения в середине (по высоте) центрального рабочего канала.

Неравномерность приводит к тому, что только средняя часть центральной группы рабочих каналов работает при полных тепловых потоках и температурах, а периферийные рабочие каналы, составляющие большую часть всех каналов, оказываются сильно недогруженными. Такое неравномерное тепловыделение снижает мощность реактора и может привести также к появлению дополнительных температурных напряжений. Одно из основных требований к судовым энергетическим реакторам состоит в достижении высоких значений удельного объемного энерговыделения. Чтобы удовлетворить это требование, помимо прочих мероприятий, необходимо по возможности уменьшить неравномерность тепловыделения, то есть повысить значения коэффициентов неравномерности.

Важную роль в этом отношении играет отражатель, которым снабжаются все энергетические реакторы. Использование хорошего отражателя в реакторах, рассчитанных на высокую среднюю плотность энерговыделения, часто оказывается более важным для достижения высокого значения коэффициентов неравномерности, чем для критической массы.

Кроме постановки отражателя, для обеспечения более равномерного тепловыделения могут использоваться следующие возможности:

1. Неравномерный шаг рабочих каналов. В этом случае с приближением к центру активной зоны рабочие каналы сужаются, что способствует повышенному захвату тепловых нейтронов в средней части и выравниванию эпюры тепловыделений.

2. Использование рабочих каналов с горючим различного обогащения. В центральной части активной зоны размещаются каналы с горючим более низкого обогащения.

3. Рациональное размещение поглощающих стержней. Чтобы срезать пик тепловыделения, большая часть стержней управления располагаются в центральной части активной зоны.

4. Применение постепенно выгорающей добавки поглотителя в ТВЭЛ. Поглотитель, например, бор, вводится только в центральные каналы, благодаря чему нейтронное поле по R выравнивается и тем самым уменьшается неравномерность тепловыделения. Вместе с этим за счет более равномерного выгорания длительность работы реактора на одной загрузке урана увеличивается.

5. Более выгодным является размещение в центральной части активной зоны добавочных рабочих каналов, содержащих природный U и Th. В этом случае кроме выравнивания q_v, в результате захвата нейтронов в U²³⁵ и Th²³² получаются искусственные делящиеся вещества Pu²³⁹ и U²³³.

6. Эксплуатационный метод- метод частичных нагрузок (первая атомная ЭС в СССР). При перегрузках заменяются свежими лишь периферийные каналы, а в центральную зону, где поток Ф “max”, загружаются элементы, отработавшие на периферии. Особо он эффективен, когда он используется в сочетании с неравномерным обогащением.

7. Если компенсирующие стержни не связаны в жесткую решетку, а имеют автономные приводы, появляется дополнительная возможность выравнивания q_v, изменяя глубину погружения стержней внутреннего и внешнего колец.

Кроме общей неравномерности в гетерогенных реакторах имеется также неравномерность тепловыделения по сечению рабочих каналов. В следствии “выедания“ тепловых поток их в периферийных элементах выше, чем в центре. Поэтому и тепловыделение в периферийных элементах выше, чем в центральных, что снижает среднюю мощность рабочего канала. Неравномерность распределения плотности а следовательно и тепловыделение усиливается с увеличением доли объема кассеты, занимаемой горючим. Для выравнивания q_v в пределах рабочего канала можно использовать либо различное обогащение, либо профилирование сборки (неравномерный шаг).

Чтобы улучшить охлаждение периферийных элементов, иногда по длине рабочего канала устанавливают устройства для перемешивания теплоносителя.

Устранить неравномерность тепловыделения полностью не удается и при проектировании системы теплоотвода с этим приходится считаться. Так как в центральных каналах q больше, то в них целесообразно иметь соответственно больший расход теплоносителя, чем в периферийных каналах. При одинаковом расходе в центре реактора была бы выше, а средняя ниже, что привело бы к снижению параметров вырабатываемого пара.

Регулирование расхода осуществляется путем установки в периферийных каналах дроссельных шайб, выполняемых как конструктивный элемент ТВЭЛ сборки. Все рабочие каналы при этом делятся на 2-3 группы с одинаковым расходом теплоносителя в пределах каждой группы.