Выгорающие поглотители и их размещение

Выгорающие поглотители

Для компенсации избыточной реактивности часто используют выгорающий поглотитель (ВП), который в начале кампании компенсирует частично избыточную реактивность. По мере выгорания топлива выгорает и ВП. Используется бор в виде химических соединений B₄C , ZrB₂ и пр. с содержанием бора до 3%. ВП может вводиться в а.з. в жидком виде. Использование ВП позволяет свести к минимуму число подвижных ПС, оставив только ПС оперативного регулирования. ВП расходуется вместе с топливом, и его не нужно извлекать из а.з. При помощи ВП можно выровнять профиль энерговыделения. Его можно вводить отдельными блоками в виде самостоятельной решетки. Основные технологические и конструктивные проблемы связаны с необходимостью обеспечения высокой точности дозировки ВП. Кроме того, эффективное использование ВП возможно только в ЯР на ТН, поскольку только в этой области сечения различных нуклидов весьма сильно отличаются друг от друга. В области высоких энергий σ ~ R² для всех нуклидов, необходимое же условие для поглотителя и топлива σ_погл >> σ_топл.

Гомогенное размещение выгорающего поглотителя

Полагая, что избыток топлива над критической массой выгорает, получим следующие уравнения для топлива и ВП:

(9.4.1)

Так как ВП равномерно размешан, то Ф в топливе и ВП одинаковы. После интегрирования этих уравнений получим

(9.4.2)

найдем непосредственную связь между ВП и топливом

Здесь

(9.4.3)

Проанализируем полученное решение.

а) Если σ_U> σ_B , то с течением времени концентрация

ВП будет нарастать (топливо выгорает быстрее). Для поддержания ЯР в критическом состоянии потребуется в начале кампании ввести в зону подвижные ПС, которые по мере выгорания топлива должны подниматься. Чем медленнее выгорает ВП, тем больше потребуется ПС. Такой подход не приемлем.

б) Если σ_U < σ_B , то в этом случае показатель экспоненты отрицателен и с течением времени относительная доля ВП падает, а реактивность ЯР в начале кампании возрастает (см. рис. на след. слайде). В этом случае требуются дополнительные подвижные ПС для компенсации реактивности. В начале кампании они должны быть выведены из зоны, а весь избыток реактивности должен быть скомпенсирован ВП. По мере выгорания избытка топлива над критической массой кривая реактивности проходит через максимум, а затем уменьшается. К концу кампании выгорает избыток топлива и дополнительные ПС должны быть выведены из зоны.

Рис. Зависимость реактивности от времени

Дополнительное количество ПС определяется выбегом реактивности. Если окажется, что эффективность дополнительных ПС будет меньше выбега реактивности, то ЯР в соответствующий момент может уйти в неуправляемый разгон и его нельзя будет остановить.

с) σ_BП=σ_U. Это идеальный случай, т.к. топливо и ВП выгорают синхронно и дополнительные ПС не требуются. Обычно за кампанию выгорают 30¸40% первоначально загруженного топлива, поэтому в конце кампании остается невыгоревший ВП. Поэтому всегда выбирают σ_BП>σ_U , смиряясь с неизбежным положительным выбегом реактивности. В качестве ВП используют те же элементы, что и для ПС: бор, европий, гадолиний и др. Метод гомогенного размещения не гибкий, и в ходе работы ЯР изменить что-либо трудно, поэтому он не получил большого распространения.

Блочное расположение выгорающего поглотителя

ВП вводится в отдельные блоки вне топлива и образует самостоятельную решетку. В этом случае в блоке ВП имеет место провал нейтронного потока. Вследствие сильной самоэкранировки выгорает поверхностный слой ВП и эффективность ВП во времени практически остается постоянной. По мере выгорания поверхностного слоя средний поток в ВП растет, а значит, растет скорость выгорания. Начиная с некоторого момента выгорание ВП происходит настолько быстро, что k_эф возрастает. Далее все происходит так же, как и для гомогенного ВП.

Найдем связь между количеством ВП и избытком топлива. Изменение концентраций избытка топлива и ВП будет определяться выражениями

При этом распределение нейтронного потока вблизи ВП имеет следующий вид

Рис. Зависимость kэф от времени: 1 – гомогенный ВП;

2 – гетерогенный ВП.

Рис. Распределение Ф(r): 1 – начало кампании с ВП; 2 – распределение Ф(r) без ВП

Здесь кривая 2 показывает распределение нейтронного потока без ВП, кривая 1 показывает распределение Ф(r) в начале кампании. По мере выгорания ВП распределение 1 будет приближаться к распределению 2. Величину