Ур. ФУ
Ур. ФУ Кафедра «Атомная энергетика» Физика ядерных реакторов. Запас реактивности и глубина выгорания. Преподаватели: Титов Г. П. Велькин В. И. Аспирант Носов Д. А. Екатеринбург 2011
1. Сечения в области энергий быстрых нейтронов Сечения взаимодействия быстрых и тепловых нейтронов с ядрами существенно различны. Этим обусловлены некоторые особенности РБН. Основная из них – высокая концентрация 1 делящихся ядер в активной зоне – объясняется следующим: 1) сечения поглощения для делящихся ядер в рассматриваемой 1. Сечения в области энергий лишь незначительно больше, чем для пороговых, в то время как для тепловых нейтронов они быстрых нейтронов 2 различаются на порядки; 2) сечения поглощения для делящихся ядер близки к сечениям рассеяния для всех ядер (в области энергий тепловых нейтронов первые намного больше вторых).
1. Сечения в области энергий быстрых нейтронов Требования критичности РБН и особенно к жесткости спектра нейтронов выполняются лишь при концентрациях делящихся нуклидов в активной зоне значительно больших, чем в реакторах на тепловых нейтронах. Примерно 0, 5 кг на 1 л активной зоны в реакторе БН-600 по сравнению с 0, 075 для ВВЭР-1000. Т. к. значения объемной доли топлива в активных зонах БН и ВВЭР соизмеримы, то в РБН приходится использовать топливо с содержанием 239 Pu более 10%.
Табл. 1. Сравнение характеристик реакторов БН и ВВЭР-1000 Параметр БН-350 БН-600 ВВЭР-1000 Мощность, МВт: тепловая 1000 1470 3000 электрическая 350 600 1000 Теплоноситель Натрий Вода Давление теплоносителя на входе в 1 1 16, 3 реактор, МПа Температура теплоносителя, 0 С: на входе в реактор 300 380 289 на выходе из реактора 500 550 323 Топливо Pu. O 2—UO 2 UO 2 Диаметр твэла, мм 6, 1 6, 9 9, 1 Оболочка твэла нерж. сталь сплав Zr и Nb Высота активной зоны, м 1, 06 0, 75 3, 6 Уплощение активной зоны 0, 67 0, 36 1, 15 Объем активной зоны, м 3 2, 08 2, 5 27, 3
Табл. 1. Сравнение характеристик реакторов БН и ВВЭР-1000 продолжение Параметр БН-350 БН-600 ВВЭР-1000 Объемная доля в активной зоне: топлива 0, 46 0, 45 0, 29 теплоносителя 0, 32 0, 33 0, 54 Объемная тепловая нагрузка 430 530 110 активной зоны, МВт/м 3 Масса загруженного топлива, т 7, 3 8, 5 75 Содержание делящегося нуклида, % 23 18 3 Глубина выгорания топлива, 50 100 40 МВт*сут/кг (U + Pu) Коэффициент воспроизводства в 0, 9 0, 5 активной зоне Коэффициент воспроизводства 1, 4 0, 5
1. Сечения в области энергий быстрых нейтронов В области энергий быстрых нейтронов отношение сечения радиационного захвата для любого ядра к сечению деления для делящегося ядра заметно меньше, чем в области энергий 1 тепловых нейтронов. Поэтому: 1) При выборе конструкционных материалов для РБН нейтронно -физические ограничения не столь важны, как для реакторов на 2 тепловых нейтронах. 2) В РБН менее существенны эффекты отравления и шлакования, 3 а накопление высших изотопов Pu относительно меньше, чем в реакторах на тепловых нейтронах. 3) 240 Pu делится лучше, чем 238 U, поэтому его накопление в РБН не только не приводит к падению реактивности, но и положительно влияет на накопление делящихся материалов.
1. Сечения в области энергий быстрых нейтронов Малость полных сечений в области энергии быстрых нейтронов обуславливает еще две важные особенности РБН: 1 1) Несущественное различие значений потока нейтронов в отдельных зонах элементарной ячейки (ʎ>>T). Даже поглощение нейтронов рабочими органами СУЗ относительно мало. В связи с этим можно с достаточной для многих задач степенью точности считать РБН гомогенными , что значительно упрощает сложные физические расчеты.
1. Сечения в области энергий быстрых нейтронов 2) Относительно большая утечка нейтронов из активной зоны (20 -40% ). Кроме малости сечений она обусловлена значительно меньшими, чем в реакторе на тепловых нейтронах такой же 2 мощности, размерами активной зоны РБН. Нейтроны, уходящие из активной зоны РБН, используются для воспроизводства делящихся материалов в зоне воспроизводства (экране), содержащей значительные количества (примерно 60% по объему) природного (обедненного) урана или тория. Воспроизводство делящегося материала в РБН происходит также (и даже с большей скоростью, чем в экране) и в активной зоне. Поэтому и принято вводить в рассмотрение понятия коэффициентов воспроизводства в активной зоне ( КВА ) и в экране (КВЭ), причем так, чтобы КВ = КВА + КВЭ. Значения этих величин приведены в табл. 1.
2. Глубина выгорания топлива Для обеспечения экономичности и достаточных темпов наращивания мощности системы РБН (получения соответствующего значения Т 2 ) требуется энергонапряженность делящегося материала примерно такая же, как и в реакторах на тепловых нейтронах (около 1 МВт/кг). 2. Глубина выгорания топлива Ее удается достичь только при потоке нейтронов, примерно на два порядка большем [ 10 16 нейтр/(см 2 *с) ] , чем в реакторах на тепловых нейтронах [Ф т ≈ 5*10 13 нейтр/(см 2 *с)], поскольку в РБН сечение деления именно во столько раз меньше (плотности нейтронов в таких реакторах соизмеримы). Значение Т 2 зависит от энергонапряженности делящегося материала, включенного в топливный цикл q 9 Tа. з. /(Tа. з. +Тп).
2. Глубина выгорания топлива Это означает, что в РБН особенно важно получить большую глубину выгорания топлива ρшл. Реальные значения ρшл = 50 : 100 МВт * сут/кг (U+Pu), что существенно превышает значения ρ шл в реакторах на тепловых нейтронах (см. табл. 1). Это различие – важное достоинство РБН. Параметр БН-350 БН-600 ВВЭР-1000 Глубина выгорания топлива, 50 100 40 МВт*сут/кг (U + Pu) Содержание делящегося нуклида, % 23 18 3 где m U – масса загруженного в реактор урана, т; Δ m U – масса выгоревшего топлива, т.
2. Глубина выгорания топлива Выбор материалов топлива и оболочки твэла для РБН – более сложная задача, чем аналогичная задача для реакторов на тепловых нейтронах, т. к. твэл должен быть работоспособен при существенно больших значениях ρ шл и интегральных потоков нейтронов и γ-квантов. В процессе конструирования реактора важно помнить о том, что указанное выше значение ρ шл достигается за значительно меньший срок, чем соответствующее значение в реакторах на тепловых нейтронах, потому что различие в концентрации делящегося материала больше, чем в глубине выгорания топлива (см. табл. 1). Поэтому появляется необходимость более частых перезагрузок топлива.
3. Объемная тепловая нагрузка Требование высокой энергонапряженности делящегося материала при большой его концентрации в активной зоне приводит к необходимости больших объемных тепловых нагрузок q V (до 1 МВт с 1 л активной зоны), значительно больших, чем в реакторах на тепловых нейтронах. 1 3. Объемная тепловая нагрузка Получение таких значений q V – одна из важнейших (и сложнейших) технических задач. Ее решают следующим образом: 2 1) Развивают поверхность твэлов, уменьшая их диаметр примерно до 6 мм. 2) Подбирают теплоноситель с хорошими теплофизическими свойствами, в то же время слабо замедляющий нейтроны.
3. Объемная тепловая нагрузка Большие значения объемной тепловой нагрузки – важное достоинство РБН, но одновременно и причина повышенной опасности аварий с потерей теплоносителя. Поэтому обеспечение безопасности РБН в подобного рода ситуациях – сложнейшая проблема, которую следует решать в процессе проектирования реактора. Т. к. большие значения q V приводят к большому остаточному тепловыделению, то возникает необходимость длительного съема тепла после остановки реактора. Эту особенность также следует учитывать при конструировании РБН.
4. Запас реактивности Загрузки топлива в РБН близки к критическим из-за малого изменения реактивности, вызванного выгоранием топлива в процессе работы реактора (1— 3%), и малого полного температурного эффекта реактивности (1— 3%). Такое положение возможно благодаря целому ряду факторов: 1) В РБН мал эффект шлакования. 4. Запас реактивности 2) Пренебрежимо мал эффект отравления. 3) Накопление 240 Pu не вызывает падения реактивности. 4) Вследствие высокого значения КВ в активной зоне выгорание делящихся ядер, загруженных в реактор, в значительной мере компенсируется накоплением новых. Поэтому выгорание топлива приводит лишь к малому изменению реактивности, и в РБН нет необходимости иметь большой запас реактивности в начале кампании реактора.
5. Температурные эффекты Температурный эффект реактивности РБН определяется в основном: 1) эффектом Доплера; 2) плотностными эффектами теплоносителя и топлива; 3) температурной деформацией топлива и элементов 5. Температурные эффекты конструкции. Температурный коэффициент реактивности α t на РБН отрицателен и составляет примерно 10 -5 0 С-1. В табл. 2 даны значения отдельных составляющих α t двух РБН с натриевым теплоносителем: экспериментального с металлическим топливом «Энрико Ферми» и проектируемого энергетического мощностью 1000 МВт (эл. ) с оксидным топливом.
Табл. 2. Составляющие αt РБН, 10 -6 0 С-1 Эффект «Энрико Ферми» БН-1000 Активная зона Эффект Доплера -2, 5 (800 К) -6, 0 (1500 К) Расширение натрия -4, 4 +1, 4 Расширение топлива: продольное -5, 8 -1, 5 радиальное (с учетом вытеснения натрия) -0, 4 +1, 6 Расширение элементов конструкции -12, 8 -8, 8 Экран Изменение плотности стали и натрия -6, 9 -2, 1 Расширение воспроизводящего материала -0, 4 -0, 1 Расширение элементов конструкции -1, 3 —
5. Температурные эффекты Знание отдельных составляющих α t крайне необходимо для решения проблем безопасности РБН , поэтому рассмотрим происхождение, значения и роль температурных эффектов более подробно. Самым важным следует считать эффект Доплера , потому что именно он вносит основной вклад в динамический мощностной эффект реактивности. Доплеровское уширение наиболее существенно для неперекрывающихся (разрешенных) резонансов, расположенных в области малых энергий. Однако нейтронов с такими энергиями в РБН почти нет. При больших значениях энергии сечения не зависят от температуры. Поэтому основную роль обычно играет область слабо перекрывающихся резонансов (0, 1 -10 кэ. В).
5. Температурные эффекты Значение доплеровского коэффициента реактивности практически полностью определяется спектром нейтронов в реакторе. Т. к. спектр нейтронов чувствителен к составу РБН, то этот коэффициент зависит: 1) от вида и объемных долей топлива, теплоносителя и конструкционного материала; 2) от соотношения концентраций делящегося и воспроизводящего материалов. Смягчение спектра нейтронов (переход от 1 -ого реактора ко 2 -му в табл. 2) приводит к увеличению абсолютного значения доплеровского коэффициента реактивности. Соответственно изменяется и эффект Доплера.
5. Температурные эффекты Плотностной эффект реактивности по теплоносителю практически во всех энергетических РБН положителен. Его значение существенно зависит от вида теплоносителя. Уменьшение плотности натрия сопровождается изменением реактивности по нескольким причинам: 1) Увеличивается утечка нейтронов из реактора (отрицательный вклад в коэффициент реактивности). 2) Уменьшается поглощение нейтронов натрием (незначительный положительный эффект). 3) Происходит ужестчение спектра нейтронов. При этом увеличиваются ν эфф и роль деления 238 U, уменьшаются σ с (положительные эффекты), но также уменьшается σ f (отрицательный эффект).
5. Температурные эффекты Соотношение между отдельными слагаемыми зависит в основном от размеров реактора, с увеличением которых уменьшается роль утечки нейтронов и увеличивается роль спектральных эффектов. При этом температурный коэффициент реактивности по натрию может менять знак. Температурное расширение топлива (и даже элементов конструкции) может оказать заметное влияние на динамический мощностной коэффициент реактивности, поскольку оно воздействует на реактивность практически мгновенно.
ENDE