Органы регулирования ядерных реакторов, их положение и эффективность

Из уравнения нейтронного баланса видно, что в стационарном режиме (К_эф=1) генерация нейтронов уравновешивается их утечкой и поглощением:

Для изменения баланса нейтронов, т.е. управления ЯР, можно воздействовать на любой из 3-х процессов:

1. Изменение скорости генерации нейтронов.

Очень редко используется в гомогенных ЯР, т.к. изменения реактивности связаны с изменениями кол-ва топлива. Компенсация реактивности медленная, для быстрого регулирования не подходит.

2. Изменение скорости утечки нейтронов.

Такая система применяется в ЯР на БН, деформируется замедлитель или уменьшается эффективность отражателя.

3. Изменение скорости поглощения нейтронов.

Наиболее часто применяемый способ для ЯР на ТН, в а.з. вводят (или извлекают из него) поглощающие стержни (ПС), выполненные из материалов с большим сечением захвата нейтронов (бор, кадмий). На этом же принципе основано жидкостное (борное) регулирование и использование (само)выгорающих поглотителей (СВП или ВП).

Компенсирующие стержни (КС) предназначены для подавления начальной избыточной реактивности, компенсации ТЭР, отравления и шлакования накапливающимися продуктами деления. КС служат для компенсации сравнительно медленных, но больших по абсолютному значению изменений реактивности. Так как КС обладают реактивностью в несколько раз превышающей β, то единственный способ, гарантирующий выполнение требований ядерной безопасности (ЯБ) – очень медленное перемещение КС.

Регулирующие стержни (РС) предназначены для тонкого регулирования реактивности во время работы на мощности и в процессе пуска ЯР. В отличие от КС они работают в небольшом диапазоне при сравнительно быстром изменении реактивности, а также при переходе с одного уровня мощности на другой. Суммарная мощность их должна быть меньше β, чтобы даже при полном их извлечении из ЯР он не вышел на мгновенную критичность.

1 - регулирующий стержень ядерного реактора ; 2 - герметичная оболочка; 3 - столб поглотителя нейтронов с длиной L; 4 - часть столба 3, которая включает материал, имеющий с нейтронами (n, a) реакцию, например порошок карбида бора; 5 – часть столба 3, вводимая в активную зону (на чертеже не показана) первой, длина которой l, содержит материал, включающий гафний; 6, 7 - нижняя и верхняя концевые детали соответственно; 8 - полость для сбора газов; 9 - радиальный зазор; 10 - пробка из никеля; 11 - пробка-фиксатор.

Рис. Общий вид регулирующего стержня ядерного реактора

Аварийные стержни предназначены для останова ЯР в аварийных случаях. Физический вес выбирается из условия быстрого подавления ЦР и составляет ~3β.

Все виды стержней, имея разный физический вес, по сути, однотипно действуют на а.з. по нейтронному потоку и рассчитываются одинаковыми методами

Эффективность ПС зависит от:

1) доп. захвата нейтронов,

2) увеличения утечки нейтронов из а.з., обусловленного деформацией нейтронного поля самим ПС (Кэф↓).

Рис. Зависимость Ф(r) для цилиндрической а.з. Эффективность эксцентрично расположенного ПС

Используя закон Δk ~ Ф_o²V₁, можно определить эффективность полностью погруженного ПС на расстоянии r от оси а.з. Его эффективность выражается через эффективность центрального ПС:

(9.2.2)

Отсюда

(9.2.3)

Если в а.з. имеется много ПС, находящихся на различном расстоянии от оси, то

(9.2.4)

Это выражение справедливо при малых возмущениях и вдали от границ а.з. Кроме того, здесь не учитывается интерференция ПС.

Оценку эффективности частично ПС проведем на основе теории возмущений, согласно которой

(9.2.5)

где Δk_o – эффективность полностью ПС; Н – высота ЯР. Вблизи конца ПС поток искажен, так что, строго говоря, длину ПС нужно увеличить на длину диффузии L, но при L<<H концевым эффектом можно пренебречь.

Δk меняется в зависимости от z по закону кубической параболы:

Зависимость эффективности ПС от глубины погружения в активную зону для реактора ВВЭР-1000

Рис. Интегральная эффективность управляющего ПС

Рис. Дифференциальная эффективность управляющего ПС

Видно, что эффективность на торцах а.з. минимальна и достигает максимального значения в центре. Ясно, что регулирующий ПС нужно располагать так, чтобы его конец находился посередине высоты а.з.

Эффективность ПС может быть увеличена, если наряду с ТН он поглощает и БН:

если ПС выполнить полым с оболочкой из сильного поглотителя, а внутри полости расположить хороший замедлитель, то БН, проходя сквозь оболочку, будут замедляться внутри ПС и поглощаться оболочкой;

при этом внутренний диаметр ПС должен удовлетворять условию R_вн > τ, где τ - возраст нейтронов.

Такие стержни применяются в водо-водяных ЯР, обладающих компактной зоной в силу сильного замедлителя – воды, потому и такой ПС будет компактным.