ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ

КИНЕТИКА РЕАКТОРА

Кинетика реактора - раздел теории реакторов, объясняющий и описывающий закономерности поведения реактора при ненулевых реактивностях.

Имеются в виду закономерности переходных процессов изменений величины плотности потока тепловых нейтронов в активной зоне реактора во времени, поскольку эта величина пропорциональна мощности реактора, то есть той самой величине, контролем и управлением которой призван заниматься оператор реакторной установки.

Создатель первого в мире ядерного реактора Э.Ферми первым обнаружил, что если в активной зоне изначально критического реактора переместить вверх любой стержень-поглотитель и оставить его на некоторое время в новом положении, то плотность потока тепловых нейтронов в реакторе при таком воздействии нарастает нелинейно: вначале измеритель нейтронной плотности показывает относительно быстрое нарастание плотности нейтронов, затем темп нарастания её замедляется (мощность как бы “замирает”), а затем вновь начинает увеличиваться всё более и более нарастающим темпом (рис.11.1) по закону, очень близкому к экспоненциальному. И если этот стержень-поглотитель не вернуть в первоначальное положение, величина плотности нейтронов (и пропорциональная ей величина мощности реактора) может со временем возрасти до очень большой величины, грозящей перегревом и разрушением твэлов активной зоны.

При опускании стержня-поглотителя в исходное (критическое) положение величина плотности нейтронов в реакторе стабилизируется на том уровне, которого достиг реактор к моменту полного возвращения стержня в исходное критическое положение.

 Регулирующий стержень

 +DН  -DН

 n(t)

 no

 n(t)

  Начальный

 скачок мощности Экспоненциальный спад мощности

 реактора с установившимся периодом

 Экспоненциальный разгон мощности

 no  реактора с установившимся периодом Начальный

 скачок мощности 

  t t 

 а) б)

Рис.11.1. Качественный характер переходных процессов изменения плотности нейтронов в реальном реакторе при сообщении критическому реактору: а) положительной реактивности; б) отрицательной реактивности – постоянной величины.

Если из этого же критического положения опустить стержень-поглотитель ещё ниже и оставить в новом положении, картина убывания величины плотности нейтронов в реакторе оказывается качественно похожей: вначале следует относительно резкий скачок плотности нейтронов вниз, а затем темп спада этой величины замедляется , переходя в плавное её уменьшение по закону, близкому к экспоненциальному. И для того, чтобы остановить спад величины плотности нейтронов ниже нужного уровня, требуется поднять стержень-поглотитель в исходное (критическое) положение, при котором плотность нейтронов (и мощность реактора) стабилизируется на новом, более низком уровне.

Что означает перемещение стержня-поглотителя из критического его положения вверх или вниз, нам уже понятно: это выведение реактора из критического состояния путём сообщения ему положительной или отрицательной реактивности. Следовательно, так реагирует ядерный реактор на сообщение ему положительной или отрицательной реактивности. И все описанные закономерности изменения плотности нейтронов во времени (начальные скачки, переходящие в экспоненциальные изменения), как было выяснено впоследствии, присущи не только реактору Э.Ферми, но и всем реакторам вообще (независимо от типа и класса).

Эти закономерности особенно легко ощутимы для реакторов небольших размеров и на очень малых уровнях мощности; для того, чтобы их обнаружить, оказывается достаточным с помощью прибора-самописца сделать запись нескольких переходных процессов изменения плотности нейтронов при сообщении реактору положительной или отрицательной реактивности небольшой величины.  В реакторах больших размеров и на больших уровнях мощности эти закономерности действуют точно так же, как и в малых, но непосредственно обнаружить их практически нельзя из-за множества параллельно (одновременно) воздействующих на реактор других эффектов реактивности.

Например, с изменением мощности реактора при неизменном расходе теплоносителя через его активную зону явно должна изменяться средняя температура топлива в его твэлах (что вызывает к действию доплеровское изменение реактивности реактора). По мере прогрева (или охлаждения) теплоносителя вступает в действие составляющая температурного эффекта реактивности теплоносителя. Причём, оба эффекта действуют одновременно с действием эффекта перемещения стержня-поглотителя так, что суммарная величина реактивности, воздействующей на реактор, естественно, не остаётся постоянной во времени.

Поэтому, если следить за величиной тепловой мощности реактора при сообщении ему реактивности на значительном уровне мощности, то оказывается, что изменение величины тепловой мощности реактора вызывается не только той величиной реактивности, которая сообщается реактору путём перемещения стержня-поглотителя, но и величинами реактивности, рождаемыми в переходном процессе за счёт самого изменения тепловой мощности.

Вот почему, для того, чтобы выделить закономерность изменения плотности нейтронов в реакторе от величины первоначально сообщаемой ему реактивности (независимо от её происхождения), надо ставить эксперимент на минимально контролируемом уровне мощности (МКУМ) реактора, так как только в таких условиях температурные, мощностные и прочие изменения реактивности пренебрежимо малы, а, следовательно, не исказят величину первоначально сообщённой реактору реактивности.

Именно ради выяснения закономерностей переходных процессов изменения плотности нейтронов при сообщении критическому реактору реактивности тех или иных величины и знака в теории реакторов вводится условное идеальное понятие “холодного” реактора, то есть такого воображаемого реактора, в котором возмущение по реактивности приводит только к изменениям плотности нейтронов, но не влечёт за собой изменений тепловой мощности реактора. Тем самым, следовательно, исключается влияние на поведение реактора других сопутствующих изменениям мощности реактора эффектов реактивности. Иными словами, в первом приближении «холодным» можно считать реальный реактор, работающий на минимально контролируемом уровне мощности, поскольку любые переходные процессы на МКУМ не приводят к заметным изменениям тепловой мощности, а, следовательно, - и к существенным изменениям температур топлива, замедлителя и теплоносителя, влекущих возникновение искажающих кинетическую картину частных эффектов реактивности.

Впоследствии, накладывая на картину выясненных кинетических закономерностей «холодного» реактора картины закономерностей проявления частных (температурного, мощностного, плотностного) эффектов реактивности, мы попытаемся воссоздать более сложные закономерности поведения величины тепловой мощности реактора, поскольку именно мощность реактора является предметом интереса для практика-оператора реакторной установки.

В этом и будет состоять смысл наших усилий при изучении кинетики реактора.

Ядерная энергетика Кинетика ядерного реактора