Нестационарное отравление ксеноном

Изменение мощности реактора приводит к нарушению динамического равновесия между прибылью и убылью ¹³⁵Хе. После остановки или снижения мощности происходит временное увеличение концентрации ¹³⁵Хе вследствии уменьшения скорости выгорания (из-за уменьшения нейтронного потока) и увеличения скорости накопления (вследствии распада избыточного ¹³⁵I) концентрация ¹³⁵Хе после остановки реактора растет (так как (Т_1/2)_Xe=9.2 ч > (T_1/2)_I=6.7 ч) до тех пор, пока не начинает сказываться распад ¹³⁵Хе, в результате которого концентрация ¹³⁵Хе снижается до нуля или до нового стационарного значения. Эффект уменьшения запаса реактивности после остановки или уменьшения мощности реактора называют йодной ямой (яма называется “йодной”, поскольку ¹³⁵Хе в данном случае образуется только как продукт распада йода). При эксплуатации реакторов йодная яма крайне нежелательна, поскольку надо либо ждать около 20-30 ч., пока концентрация ¹³⁵Хе вернется к той, которая была до остановки реактора, либо иметь большой запас рективности в нормально работающем реакторе, чтобы этот запас использовать для вывода, находящегося в йодной яме, реактора на мощность, что экономически невыгодно и конструктивно сложно.

После увеличения мощности наблюдается временное уменьшение концентрации (из-за превышения в первый момент скорости выгорания по причине увеличения потока над скоростью генерации) и соответсвующее этому уменьшению увеличение запаса реактивности.

Рассмотрим кинетику изменения концентрации ¹³⁵Хе при мгновенном выключении реактора. В этом случае (при j=0) исходная система дифференциальных уравнений (1), (2) преобразуется к виду:

Из этих уравнений следует, что после остановки реактора образование ¹³⁵I полностью прекращается, а выгорание ¹³⁵Хе прекращается и концентрация ¹³⁵Хе изменяется только вследствие радиоактивного распада накопившихся в ядерном топливе йода и ксенона.

Приняв момент остановки реактора за начало отсчета времени и полагая, что к этому моменту концентрации йода и ксенона достигли значений N_I(0) и N_Xe(0), посредством решения уравнения (8.2) получим выражение, определяющее изменение во времени концентрации йода:

Подставив выражение для N_I из (16) в (14) и решая уравнение (10.24) получим выражение, определяющее изменение во времени концентрации ксенона:

Из (10.26) и (10.27) следует, что зависимость N_I = f(t) при рассмотренных условиях экспоненциальная, а зависимость N_Xe = f(t) имеет более сложный характер. Так как распад I фактически представляет собой рождение ¹³⁵Хе причем этот процесс происходит быстрее, чем распад, то концентрация ¹³⁵Хе временно увеличивается пока l_XeN_Xe<l_IN_I. При l_XeN_Xe³l_IN_I, или N_Xe³l_IN_I/l_Xe=1.38N_I, концентрация ¹³⁵Хе начнет убывать, сначала медленно, так как распадающийся I хотя бы частично компенсирует распад ¹³⁵Хе, а потом быстрее и в конце концов с Т_Xe=9,2 часа. Пропорциально изменению концентрации ¹³⁵Хе, но с обратным знаком происходит именение запаса реактивности. На рис. ниже графически представленны процессы, при нестационарном отравлении ксеноном после остановки ядерного реактора.

Рис.8.5. Нестационарное отравление ¹³⁵Хе после остановки реактора

Время когда концентрация ¹³⁵Хе достигнет максимального значения и соответственно потеря реактивности на отравление будет максимальной называютвременим достижения максимума йодной ямы t_й.я.^макс, а потерю реактивности r_й.я. за время t_й.я.^макс называют глубиной йодной ямы.

Время достижения йодной ямы находят обычным способом вычисления экстрерумов. Продифференцировав выражение (8.17) и приравняв производную нулю, получим:

Подставив выражение для t_й.я.^макс из (10.28) в (10.27), можно показать, что с увеличением исходной плотности потока нейтронов одновременно с увеличением t_й.я.^макс увеличивается и глубина йодной ямы. Указанная закономерность понятна также из физических соображений, поскольку чем больше исходная плотность потока нейтронов, тем больше концентрация йода, являющегося предшественником ксенона. Характерно, что глубина йодной ямы r_й.я. в реакторах с высокой плотностью потока нейтронов может существенно превышать потерю реактивности при стационарном отравлении.

Понятием вынужденная стоянка реактора называют такое состояние реактора, в котором пуск его невозможен из-за недостаточности оперативного запаса реактивности для компенсации эффекта отравления. Важнейшей названного состояния реактора является время вынужденной стоянки t_в.ст., время в течении которого потеря реактивности вследствии отравления превышает по абсолютному значению располагаемый запас реактивности. Весьма характерным параметром является промежуток времени от момента остановки реактора до наступления вынужденной стоянки, т.е. время в течении которого Dr_зап>r_Xe. Это время называют временем допустимой стоянкиt_д.ст. (оперативным временем). Как видно из рис. 10.8, времена t_д.ст. и t_в.ст. зависят от:

- Dr_зап в момент остановки;

- глубины и продолжительности йодной ямы, т.е. от мощности реактора до остановки;

- времени работы реактора на данной мощности, если оно меньше 40 ч. (когда отравление еще не достигло стационарного значения для данной мощности).

Время допустимой стоянки можно оценить исходя из Dr_зап в момент остановки и скорости уменьшения его за счет йодной ямы (dr_й.я./dt при t=0):

где r_Xe^ст - стационарное отравление ксеноном в момент остановки;

Ф₀ - плотность потока нейтронов, соответствующая значению r_Xe^ст в момент остановки.

Формула (10.29) дает заниженное значение t_д.ст., особенно если оно больше 2-3 ч., так как берется наибольшая скорость отравления (при t=0).

При эксплуатации реакторной установки для определения изменения запаса реактивности при протекании нестационарного процесса на ¹³⁵Хе, в альбоме нейтронно-физических характеристик имеются графики зависимостей r_Xe(t) при различных величинах изменения мощности.

На рис. 10.9 показан примерный характер зависимости r_Xe(t) для второй кампании реактора энергоблока АЭС ВВЭР при остановке его на различных мощностях, когда на момент снижения мощности установились равновесные концентрации ¹³⁵I и ¹³⁵Хе.

Графики нестационарного отравления ксеноном нужны оператору для:

- оценки возможности маневрирования мощностью ядерного реактора при небольшомr_зап;

- расчета критического положения ОР СУЗ при пуске реактора вскоре после остановки;

- выбора режима работы и программы снижения мощности, чтобы избежать вынужденной стоянки при кратковременной остановке;

- определения допустимой и вынужденной стоянок реактора при попадании в йодную яму;

- оценки частичного или полного использования Dr_зап на йодную яму для получения дополнительного энергозапаса в конце кампании.

Рис.8.6. Зависимость r_Xe(t) при останове реактора со 100% мощности и при разгрузке от 100% до 50% мощности

8.4. Отравление ядерного реактора самарием-149