ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ

Особенности характеристик укороченных поглотителей

Стержни-поглотители с длиной, меньшей величины высоты активной зоны называются короткими или укороченными.

Применение коротких поглотителей в энергетических реакторах связано, главным образом, с тем, что (как хорошо видно из кривых дифференциальной эффективности) в верхней и нижней зонах перемещения длинные поглотители неэффективны, в том смысле, что их дифференциальная эффективность мала, а, следовательно, и изменения интегральной эффективности в этих зонах даже при солидных перемещениях стержней – тоже малы. Кроме того, использование коротких поглотителей позволяет достичь некоторого небольшого эффекта выравнивания вертикальной составляющей нейтронного поля в активной зоне.

Для того, чтобы понять особенности характеристик укороченных стержней, представим себе, как воздействует такой стержень на реактор при вводе в активную зону.

До полного погружения укороченного стержня в активную зону на всю длину, характеристики его (кривые интегральной и дифференциальной эффективности) ничем не отличаются от характеристик такого же стержня полной длины: в обоих случаях в активной зоне оказываются одинаковые объёмы одинакового поглотителя. На рис.21.8 кривые эффективности укороченного поглотителя показаны сплошными линиями, а кривые эффективности соответствующего поглотителя полной длины – штриховыми На участке I (равном длине укороченного стержня) характеристики совпадают.

Дальнейший ввод укороченного поглотителя в активную зону до положения Н*, при котором середина длины стержня совпадёт с точкой максимума Ф(Н), даёт некоторое различие в характеристиках сравнительно с таковыми для стержня полной длины: кривая интегральной эффективности на этом участке идёт выше кривой интегральной эффективности длинного поглотителя. Это объясняется тем, что на этом участке (II) введение новых порций поглотителя в активную зону у короткого стержня прекращается, а у длинного – продолжается, поэтому перемещение длинного стержня на этом участке, конечно же, даёт большее изменение интегральной эффективности, в то время как изменение интегральной эффективности короткого стержня происходит только за счёт того, что весь его поглотитель с погружением попадает в зону большей плотности потока тепловых нейтронов. Заметим: в конечной точке этого интервала Н* середина длины короткого поглотителя совпадает с точкой максимума распределения плотности потока тепловых нейтронов по высоте, и поэтому именно в этом положении величина дифференциальной эффективности короткого стержня – максимальна. Значит, при дальнейшем опускании короткого стержня величина дифференциальной эффективности его должна начать снижаться в отрицательную область.

 


 Рис.21.8. Сравнение характеристик укороченного поглотителя с поглотителем полной длины

Дальнейшее погружение короткого стержня равносильно извлечению его из активной зоны (только через низ, а не через верх активной зоны!). Что это значит? – Это означает, что дальнейшее перемещение стержня вниз не сковывает, а высвобождает реактивность реактора. На кривой интегральной эффективности это отражается тем, что величина интегральной эффективности на этом участке (участок III) не уменьшается, а, наоборот, растёт, а величина дифференциальной эффективности, начиная с положения Н*, переходит через нуль в отрицательную область.

Положение Н*, при котором интегральная эффективность укороченного поглотителя достигает минимума, а его дифференциальная эффективность становится нулевой, называется точкой опрокидывания.

Наличие точки опрокидывания – характерная особенность характеристик укороченных стержней-поглотителей. И эта особенность вносит дополнительную проблему в процесс управления ядерным реактором.

Проблема состоит в том, что оператор реакторной установки привыкает к определённому стереотипу действий при управлении реактором: если реактор, работавший на стационарном уровне мощности, начинает увеличивать мощность, то для оператора это увеличение всегда означает одно: реактору сообщена положительная реактивность, которую для сохранения стационарного уровня мощности требуется подавить, то есть опустить рабочий подвижный поглотитель ниже по высоте активной зоны, что и делается без раздумий поворотом ключа управления рабочей группой по часовой стрелке. И эта привычка к стандартным действиям в случае укороченного поглотителя может сыграть злую шутку: погружение поглотителя ниже точки опрокидывания вместо подавления положительной реактивности, наоборот, добавит реактору величину положительной реактивности, что приведёт к ещё более быстрому росту мощности.

Для того, чтобы предупредить возникновение подобных опасных ситуаций, нижний концевой выключатель сервопривода укороченного поглотителя должен обязательно устанавливаться не ниже точки опрокидывания.

Интерференция подвижных стержней-поглотителей

 Интерференция поглотителей – это явление взаимного влияния различных поглотителей на характеристики друг друга.

Интерференция физически объясняется тем, что каждый их вводимых в активную зону поглотителей по-своему изменяет нейтронное поле в ней.

Рассмотрим наиболее простой случай интерференции двух стержней – стержня I, имеющего при введении в активную зону в одиночку физический вес r1, и стержня II, имеющего физический вес r2. Подчеркнём: эти значения физического веса имеют место только тогда, когда каждый из стержней вводится в активную зону одиночным порядком, когда в ней нет другого стержня. Если же ввести в активную зону оба стержня (порознь или одновременно), то в общем случае оказывается, что общее изменение реактивности реактора не составит величину r1 + r2, а будет большим или меньшим этого значения в зависимости от того, где в активной зоне расположены эти стержни.

Допустим для примера, что стержень I – центральный, а стержень II – отстоит от оси симметрии активной зоны на некотором расстоянии r, а без введённых стержней радиальное распределение плотности потока тепловых нейтронов Ф(r) имеет идеальный (бесселевский) характер. 

После введения стержня I это распределение изменится и будет иметь качественный вид, показанный на рис.21.9 жирной линией, и это распределение для второго стержня перед его введением будет невозмущённым.

 


 I II

 Ф(r) без стержней в а.з.  Ф(r) с введённым в а.з. I стержнем

Рис.21.9. К пояснению понятия интерференции на примере двух стержней-поглотителей

Следовательно, при введении в активную зону стержень II теперь будет попадать в область, где среднее значение плотности потока тепловых нейтронов будет равно не Фr0 (которое было до введения стержня I), а Фr1 (которое установилось после введения стержня I), и в соответствии с уже известным правилом теории возмущений величина физического веса стержня II в данном примере увеличится в Фr12/ Фr02 раз.

Если поступить наоборот, то есть ввести в активную зону вначале стержень II, то его введение приведёт к изменению средней величины плотности потока тепловых нейтронов в области введения стержня I, и это новое значение Ф будет перед введением стержня I невозмущённым для него, так как теория возмущении всегда подразумевает под невозмущённым значением Ф ту его величину, которая была перед введением конкретного стержня в активную зону. Таким образом получается, что одновременное или последовательной введение в активную зону двух стержней хотя и даёт общий эффект воздействия на реактор rI+II, независимый от одновременности или последовательности введения стержней, но этот эффект практически всегда отличается от суммы физических весов этих стержней, получаемых при самостоятельном введении их в активную зону.

В больших реакторах энергоблоков АЭС стержни-поглотители поодиночке не используются, а применяются группами, состоящими из нескольких стержней, смонтированных на общей подвеске и поэтому перемещаемых синхронно с помощью автономных для каждой группы сервоприводов. Стержни, составляющие группу стараются располагать более или менее симметрично относительно оси активной зоны для того, чтобы перемещение группы по высоте активной зоны не давало заметных перекосов нейтронного поля.

Распространяя приведенные выше рассуждения на группу из m стержней-поглотителей, можно сказать, что физический вес этой группы как правило отличается в ту или иную сторону от суммы индивидуальных физических весов этих стержней:

 .

Величина отношения физического веса группы стержней-поглотителей к сумме их индивидуальных физических весов называется коэффициентом интерференции: 

 . (21.10.1)

Если С > 1 (то есть физический вес группы больше суммы физических весов составляющих группу стержней), интерференция считается положительной, а если же С < 1 – отрицательной.

 Конечно, подбором положения составляющих группу стержней принципиально возможно добиться нужного эффекта интерференции, хотя это и представляет достаточно сложную задачу. Но это – проблема конструкторская, а не задача для практика-эксплуатационника. Практику же следует знать природу интерференции поглотителей и понимать, почему физический вес одной и той же группы стержней управления реактором может быть существенно различным, если он измеряется в различных условиях, когда в активной зоне реактора могут присутствовать различные количества других поглотителей: это – результат интерференции стержней. Поэтому когда говорится о физическом весе стержней той или иной группы, всегда нелишне указать, в каких условиях он определялся.

  Интерференция подвижных поглотителей, если их много в реакторе, может изменять не только величины физических весов отдельных их групп, но, как следствие этого, изменяет и форму их характеристик (кривых дифференциальной и интегральной эффективности), которыми оператор пользуется для ведения некоторых физических расчётов. Изменчивость этих характеристик (как в процессе кампании, так и в различных режимах работы реактора) побуждает оперативный персонал реакторной установки заниматься регулярными физическими измерениями их в условиях, близких к рабочим.

Ядерная энергетика Кинетика ядерного реактора