ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ

Начертательная геометрия
Комплексный чертеж
Аксонометрические проекции
Метрические задачи
Построить проекции
Машиностроительное черчение
Математика
Матрицы и определители
Начала анализа
Теория вероятности
Теория поля
Кратные и криволинейные интегралы
Ядерная энергетика
Основы получения ядерной энергии
Реакция деления
Плотность потока нейтронов
Скорости нейтронных реакций
Нейтронный цикл в тепловом ядерном реакторе
Реакторный теплоноситель
Уравнение возраста Ферми
Закон диффузии тепловых нейтронов
Коэффициент использования тепловых нейтронов
Ячейка активной зоны реактора РБМК-1000
Меры по уменьшению неравномерности поля тепловых нейтронов.
Кинетика ядерного реактора
Запаздывающие нейтроны
Переходные процессы при сообщении реактору отрицательной реактивности
Процедура ступенчатого пуска и ядерная безопасность реактора
Коэффициент воспроизводства ядерного топлива
Стационарное отравление реактора ксеноном
Нестационарное переотравление реактора самарием
Эффективный радиус стержня-поглотителя
БОРНОЕ  РЕГУЛИРОВАНИЕ ВВЭР
РАСЧЁТНОЕ  ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЯДЕРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВВЭР ПРИ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ
Алгоритм расчёта пусковой концентрации борной кислоты

Коэффициент использования тепловых нейтронов

Коэффициент использования тепловых нейтронов - это доля тепловых нейтронов, поглощённых делящимися под действием тепловых нейтронов нуклидами топлива (235U и 239Pu), от общего числа тепловых нейтронов поколения (поглощаемых всеми материалами активной зоны).

Диффузия любого избежавшего утечки из активной зоны теплового нейтрона заканчивается его поглощением, причём часть тепловых нейтронов поглощается ядрами замедлителя, другая часть - ядрами теплоносителя, третья часть - в конструкционных материалах активной зоны, четвёртая - ядрами разжижителя топлива, пятая - ядрами урана-238, и, наконец, шестая - ядрами, делящимися под действием тепловых нейтронов - 235U и 239Pu. Именно эта последняя доля поглощений тепловых нейтронов является потенциально-созидательной, так как эти поглощения имеют хорошие шансы завершиться делениями указанных ядер, в то время как поглощения тепловых нейтронов любыми другими материалами активной зоны заканчиваются бесполезным для дела радиационным захватом.

Приведенное выше определение q дано применительно к общему числу тепловых нейтронов поколения, поглощаемых в активной зоне, но величину коэффициента использования тепловых нейтронов можно выразить и безотносительно к понятию поколения нейтронов как отношение средних скоростей поглощения тепловых нейтронов делящимися нуклидами и всеми материалами единичного объёма активной зоны. Поэтому в самом общем случае:

  (7.2.1)

где индексами Rai обозначены скорости поглощения тепловых нейтронов: Ra5 - ядрами 235U, Ra9 - ядрами 239Pu, Ra8 - ядрами 238U, Rap - ядрами разжижителя топлива (например, кислорода в UO2), Raкм – ядрами конструкционных материалов активной зоны, Raтн - ядрами теплоносителя, Raз - ядрами замедлителя.

Выражение для скорости реакции поглощения (Rai = Sai Ф) нам давно известно, но дело в том, что в гетерогенном реакторе:

- во-первых, каждый материал в активной зоне занимает различный по величине (и по форме) объём;

- во-вторых, распределение величины плотности потока тепловых нейтронов в активной зоне и в объёме каждого материала, как уже известно, существенно неравномерно, а, значит, средние значения плотности потока тепловых нейтронов в объёмах различных материалов активной зоны также будут явно различны.

Все это делает задачу нахождения q в гетерогенном реакторе достаточно непростой. Попробуем, пойдя от простого к сложному, понять, как решается эта задача.

Величина q в гомогенной среде из 235U и замедлителя. Предположим вначале самое простое - гомогенную смесь из ядер чистого 235U и замедлителя (рис.7.2).

Так как в различных, но одинаковых по величине, микрообъёмах такой среды содержатся одинаковые количества ядер 235U и одинаковые количества ядер замедлителя, это означает, что и ядра топлива , и ядра замедлителя в пределах любого микрообъёма этой среды будут пронизываться потоком нейтронов одинаковой плотности Ф незави- симо от характера распределения Ф(r) по всему объёму среды.

 


Рис.7.2. Плоская картина гомогенной размножающей среды из ядер чистого

 урана-235 (чёрные кружки) и замедлителя (чёрные точки).

 

Поэтому, исходя из выражения (7.2.1), величина q для такой среды будет равна:

  (7.2.2)

 То есть величина коэффициента использования тепловых нейтронов в гомогенной смеси ядер урана-235 и замедлителя определяется только соотношением макросечений поглощения замедлителя и урана-235.

Нетрудно распространить этот вывод для гомогенной среды, состоящей из двух топливных компонентов (235U + 239Pu) и любого (k) числа сортов неделящихся ядер, независимо от их назначения:

   (7.2.3)

Например, конкретная интересующая нас топливная композиция UO2, состоящая в начальный момент кампании реактора из ядер 235U, 238U, разжижителя (О), а в произвольный момент кампании - из этих же компонентов плюс воспроизводимое вторичное топливо (239Pu) и накопленное в твэлах большое множество осколков деления, будет обладать своим внутренним коэффициентом использования тепловых нейтронов (если можно так выразиться, - коэффициентом использования тепловых нейтронов в топливной композиции), величина которого легко находится по правилу отыскания q в гомогенной среде:

   (7.2.4)

Здесь уран-238 относят к неделящимся компонентам, так как он действительно не делится тепловыми нейтронами, а только поглощает их. Равно как и все накопленные в твэлах осколки деления, сумма макросечений поглощения которых стоит в числителе формулы (7.2.4).

Величина q в гетерогенной двухзонной цилиндрической ячейке, состоящей из цилиндрического топливного блока, окруженного равномерным слоем чистого замедлителя. Основой регулярной структуры гетерогенной активной зоны, как уже отмечалось в п.4.4, является повторяющийся объёмный элемент - ячейка активной зоны.

Это может быть одиночный твэл вместе с относящимся к нему объёмом водного замедлителя (как в ВВЭР-1000) или один технологический канал вместе с относящимся к нему объёмом графитового замедлителя (как в активной зоне РБМК-1000). Геометрическая форма ячейки может быть разной: прямой шестиугольной призмы (ВВЭР-1000) или прямой квадратной призмы (РБМК-1000). Общность этих конструктивно различных ячеек состоит в том, что в той и в другой есть цилиндрический элемент, предназначенный для размещения в нём ядерного топлива, а также окружающий этот цилиндрический элемент неравномерный слой замедлителя.

Для уяснения общих закономерностей распределения плотности потока тепловых нейтронов в реальных ячейках активных зон и для нахождения на этой основе величины коэффициента использования тепловых нейтронов теория реакторов вводит понятие элементарной ячейки - физической модели реальной ячейки, состоящей из цилиндрического топливного блока, окружённого слоем замедлителя равной толщины (рис.7.3).

Вначале положим для простоты, что топливный блок состоит из чистого металлического урана-235.

 z 

 

  Ф( r ) 

 

  Топливный блок 

 Замедлитель 

 Направление диффузии ТН

 r

 dт

 dя

Рис.7.3. Элементарная двухзонная ячейка и радиальное распределение

плотности потока тепловых нейтронов в ней.

Качественную картину радиального распределения плотности потока тепловых нейтронов в такой ячейке можно представить, исходя из простых рассуждений.

Быстрые нейтроны рождаются в делениях ядер 235U в топливном блоке, но получающиеся из них в результате замедления тепловые нейтроны рождаются в замедлителе - среде с высокой замедляющей способностью (xSs), но малой поглощающей способностью (Sa). Вследствие малой поглощающей способности замедлителя рождающиеся в нём тепловые нейтроны вынуждены накапливаться в слое замедлителя до тех пор, пока плотность их не вырастет до такой величины, при которой скорость их генерации не сравняется с суммой скоростей их поглощения и утечки, в итоге чего в замедлителе устанавливается стационарное распределение плотности потока тепловых нейтронов по радиальному направлению - Фз(r) и соответствующее этому распределению среднее по радиусу значение плотности потока тепловых нейтронов .

В топливном блоке, вследствие его малой замедляющей способности и высокой поглощающей способности тепловых нейтронов образуется мало по сравнению с замедлителем, благодаря чему в рассматриваемой двухзонной ячейке однозначно определяется направление диффузии тепловых нейтронов - радиальное направление из замедлителя (области высокой плотности тепловых нейтронов) в топливный блок (область более низкой плотности их). Поэтому получается, что почти все тепловые нейтроны попадают в топливный блок извне, в результате их диффузии из замедлителя.

В процессе диффузии в замедлителе по направлению к топливному блоку нейтроны, несмотря на естественное сжатие их потока (за счёт уменьшения объёма каждого последующего элементарного слоя с уменьшением его радиуса), частично поглощаются в замедлителе (в любом реальном замедлителе Sa ¹ 0), из-за чего плотность их потока Ф(r) уменьшается с приближением к топливному блоку. Не поглощенные в замедлителе тепловые нейтроны диффундируют в топливный блок, где эффект радиального уменьшения плотности потока с приближением к оси симметрии блока проявляется ещё резче из-за более сильных поглощающих свойств материала топливного блока.

Природа топлива и замедлителя в ячейке всё расставляет по своим местам: в соответствии с неодинаковыми поглощающими свойствами топлива и замедлителя распределение плотности потока тепловых нейтронов по радиусу ячейки обретает стационарный характер Ф(r), а вместе с этим распределением - устанавливаются средние по радиусу топлива  и замедлителя  значения плотности потока тепловых нейтронов, а также локальное значение плотности потока тепловых нейтронов на границе топливного блока с замедлителем - Фп (то есть на поверхности топливного блока). Таким образом, в радиальном распределении плотности потока тепловых нейтронов имеет место значительная неравномерность - относительно небольшая в замедлителе, но довольно существенная - в топливном блоке.

Эти неравномерности можно количественно оценивать по-разному: можно мерой неравномерности избрать отношение наибольшей по радиусу величины Фmax к наименьшей Фmin, а можно - отношение наибольшей величины Фmax к средней по радиусу её величине . Последняя мера намного удобнее при анализе и в расчётах, так как величину q легче находить исходя из средних величин плотностей потока тепловых нейтронов в топливе и замедлителе.

Итак, качественно радиальная неравномерность распределения Ф(r) в двухзонной гетерогенной ячейке обусловлена двумя специфическими гетерогенными эффектами:

а) Эффект уменьшения плотности потока тепловых нейтронов при их диффузии в замедлителе по направлению к топливному блоку, обусловленный поглощающими свойствами реального замедлителя, называемый внешним блок-эффектом.

б) Эффект более значительного уменьшения плотности потока тепловых

нейтронов при их диффузии от периферии к оси топливного блока, определяемый сильными поглощающими свойствами материала топливного блока, называемый внутренним блок-эффектом.

Эффекты неравномерности распределения плотности потока тепловых нейтронов по радиусу топлива и замедлителя потому называют блок-эффектами, что в обоих случаях имеет место частичная естественная блокировка внутренних кольцевых слоёв топлива и замедлителя от проникновения в них извне тепловых нейтронов за счёт поглощения их наружными слоями топлива или замедлителя. Блок-эффект в замедлителе потому внешний, а в топливе потому внутренний, что они имеют место соответственно во внешней и внутренней однородных зонах ячейки.

Теперь, когда качественный характер радиального распределения плотности потока тепловых нейтронов более или менее ясен, можно заняться нахождением q  в такой двухзонной ячейке. Исходная посылка - общее определение q как отношение скоростей поглощения тепловых нейтронов в объёмах топливного блока (так как он целиком состоит из чистого 235U) и всей ячейки:

 

  (7.2.5)

Здесь Vз и Vт, см3 - объёмы замедлителя и топливного блока в ячейке соответственно, а   и , нейтр/см2с - средние по объёму (или по радиусу) значения плотности потока тепловых нейтронов в замедлителе и топливном блоке.

Сравнивая (7.2.5) с выражением для коэффициента использования тепловых нейтронов в гомогенной размножающей среде из таких же материалов (7.2.2), мы должны заключить, что даже при Vз/Vт = 1 (т.е. если сравнивать величины q  в гомогенной и гетерогенной системах с одинаковыми количествами одинаковых топлива и замедлителя) величина q в гетерогенной ячейке оказывается ниже, чем величина q  гомогенной смеси из тех же количеств тех же самых топлива и замедлителя. Иначе говоря, в гетерогенном случае имеет место проигрыш в полезном использовании тепловых нейтронов, и этот проигрыш обусловлен тем, что в двухзонной ячейке:

  > , или /  > 1,

то есть потому, что среднее значение плотности потока тепловых нейтронов в замедлителе двухзонной ячейки выше, чем в топливном блоке. Поэтому величину

  (7.2.6)

 называют коэффициентом проигрыша.

Коэффициент проигрыша П является мерой уменьшения величины q в гетерогенной ячейке по сравнению с гомогенной средой того же состава за счёт обоих блок-эффектов вместе. Однако, влияние на величину q внешнего и внутреннего блок-эффектов явно неравноценно (хотя бы потому, что неравномерность в радиальном распределении Ф(r) в топливном блоке явно выше, чем в замедлителе), поэтому для того, чтобы проектировать оптимальные по эффективности использования тепловых нейтронов ячейки, надо знать степень раздельного влияния внутреннего и внешнего блок-эффектов на величину коэффициента использования тепловых нейтронов, а для этого необходимо ввести количественные меры самих этих блок-эффектов, причём такие, которые были бы просто и удобно связаны с величиной q.

Из рис.7.3 следует, что величина средней плотности потока тепловых нейтронов в замедлителе ячейки  выше локального значения плотности потока тепловых нейтронов на поверхности топливного блока на некоторую величину , то есть:

  (7.2.7)

 Подстановка (7.2.7) в (7.2.5) дает следующее:

  (7.2.8)

Дробь во второй скобке этого выражения разбивается на сумму двух дробей:

  (7.2.9)

первая из которых (обозначим её величину буквой F)

  (7.2.10)

является отношением наибольшего по радиусу топливного блока значения плотности потока тепловых нейтронов на его поверхности (Фп) к среднему её значению по радиусу топливного блока (), то есть является по существу коэффициентом неравномерности распределения плотности потока тепловых нейтронов по радиусу топливного блока, и потому является мерой внутреннего блок-эффекта.

Величина отношения плотности потока тепловых нейтронов на поверх- ности топливного блока к среднерадиальному значению плотности потока тепловых нейтронов в топливном блоке является мерой внутреннего блок-эффекта и называется коэффициентом экранировки F.

Понятие экранировка в данном случае означает приблизительно то же, что и понятие блокировка: экранирование каждого последующего из внутренних цилиндрических слоев топливного блока от поступления в него тепловых нейтронов из прилегающих к ним наружных слоев топлива из-за поглощения в них части тепловых нейтронов при диффузии, что и приводит к образованию радиальной неравномерности плотности потока тепловых нейтронов в топливном блоке, название которой - внутренний блок-эффект.

Это и означает, что коэффициент экранировки - мера внутреннего блок-эффекта.

Учитывая введенное понятие коэффициента экранировки F, выражение для коэффициента использования тепловых нейтронов q в двухзонной ячейке приобретает следующий вид:

 . (7.2.11)

Величина третьего слагаемого в скобках (7.2.11), обычно обозначаемая (Е - 1), 

  (7.2.12)

называется относительным избыточным поглощением тепловых нейтронов в замедлителе ячейки и служит мерой внешнего блок-эффекта.

Подставляя (7.2.12) в выражение (7.2.11), получаем формулу для q:

 . (7.2.13)

Объёмы топливного блока и замедлителя в ячейке (как объёмы цилиндрических тел, имеющих равную высоту - Наз), если их почленно в числителе и знаменателе (7.2.13) разделить на Наз, заменятся на площади поперечных сечений топливного блока и замедлителя:

  (7.2.14)

Как видим, выражение для q  в простейшей гетерогенной двухзонной ячейке, состоящей из цилиндрического уранового блока и окружающего его кольцевого слоя замедлителя, выглядит достаточно простым, и единственным препятствием для быстрого вычисления q является неясность с нахождением количественных мер внутреннего и внешнего блок эффектов - коэффициента экранировки F и относительного избыточного поглощения тепловых нейтронов в замедлителе ячейки E.

Обе эти характеристики находятся путём решения волнового уравнения Гельмгольца для ячейки в цилиндрической системе координат с нулём на оси симметрии ячейки. Решение выполняется при общих граничных условиях на границе топливного блока и замедлителя с учётом минимальности величины Фо на оси симметрии топливного блока. После получения функции распределения плотности потока тепловых нейтронов Ф(r) в топливном блоке находят наибольшее (Фп) и среднерадиальное (Фт) значения плотности потока тепловых нейтронов, по которым получается аналитическое выражение для коэффициента экранировки в топливном блоке: 

  (7.2.15)

 В этом выражении:

dт, см - диаметр топливного блока;

Lт, см - длина диффузии в материале топливного блока (в рассмотренном случае - в металлическом уране-235);

Io и I1 - функции Бесселя первого рода соответственно нулевого и первого порядка для вещественного аргумента (dТ/2LТ), значения которых можно извлечь из справочников по специальным функциям или найти с помощью некоторых калькуляторов.

Аналогичным образом из решения волнового уравнения находится характеристика внешнего блок-эффекта E:

  (7.2.16)

 В этом выражении:

dя, см - диаметр ячейки (наружный ее диаметр по замедлителю);

dт, см - диаметр топливного блока;

Lз, см - длина диффузии тепловых нейтронов в замедлителе;

Ko и K1 - ещё две разновидности бесселевых функций - функции Ганкеля первого рода нулевого и первого порядка соответственно, также табулированные в справочниках по специальным функциям.

Выражения (7.2.15) и (7.2.16) неудобны не только своей громоздкостью, но и тем, что в таблицах самых лучших справочников по специальным функциям значения этих функций приводятся с достаточно крупным по аргументу шагом, что требует при их вычислении с необходимой степенью точности прибегать к линейным интерполяциям, а это довольно нудная вычислительная процедура. Поэтому, если под руками нет ЭВМ или специального калькулятора с бесселевыми функциями, для вычисления Е и F пользуются их аппроксимированными зависимостями, например:

  (7.2.17)

  (7.2.18)

Обе формулы дают максимальную относительную погрешность d < 1.5%, что для оценочных расчётов считается хорошей точностью.

Ядерная энергетика Кинетика ядерного реактора