Регулирование реактора. Способы управления цепной реакцией деления. Конструкция органов регулирования ядерных реакторов

11. РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕАКТОРА

11.1. Способы управления цепной реакцией деления

Регулирование  работы  реактора  можно осуществлять,  тремя способами, а именно,  управляя  рождением  нейтронов, их поглощением, а также утечкой нейтронов из АЗ.

DѲj + k_¥å_аj - å_аj =dφ/dt

Скорость образования нейтронов  (k_¥å_аj) можно регулировать, варьируя количество ядер топлива в активной зоне.

Это позволяет обеспечить большие изменения реактивности путем создания регулирующего органа, состоящего из топлива (например, в нижней части) и поглотителя нейтронов (в верхней части). Таким образом, выведение поглотителя из активной зоны сопровождается одновременным вводом топлива и наоборот. Наряду с высокой эффективностью этот способ управления реакцией деления имеет существенный недостаток, связанный с необходимостью перемещения такого ответственного элемента активной зоны, как ТВС. Поскольку должен быть обеспечен надежный теплосъем, то усложняется конструкция регулирующего органа. Кроме того, возникает необходимость перемещения в больших реакторах значительных по массе конструкционных элементов, в которых появляются дополнительные динамические нагрузки. Поэтому указанный способ управления цепной реакцией деления применяется редко.

Чаще всего топливо с различной степенью обогащения размещают в реакторе для выравнивания (профилирования) потока нейтронов.

Способ регулирования реактора путем изменения скорости утечки нейтронов (DѲj) может применяться только в реакторах с небольшими активными зонами. Утечка нейтронов в таких реакторах велика, и изменение ее, например, путем перемещения отражателя нейтронов или части его приводит к достаточно большому изменению реактивности. Такой способ применяется, например, в исследовательских реакторах на быстрых нейтронах и в реакторах для ядерных ракетных двигателей (ЯРД).

Способ управления цепной реакцией деления путем изменения количества поглощающих нейтроны веществ (å_аj) нашел наиболее широкое применение. Используются твердые, жидкие или газообразные материалы, содержащие ядра с большими (более 100 б) сечениями поглощения нейтронов (см. табл.11.1). Для сравнения - эффективное сечение захвата нейтронов для стали ОХ18Н9Т (одного из основных конструкционных материалов, широко применяемых в реакторостроении) составляет 2,8 б.

Вне зависимости от материала-поглотителя можно различать следующие основные методы управления цепной реакцией за счет изменения количества поглотителя в активной зоне:

– ввод в активную зону стержней-поглотителей;

– изменение уровня  жидкого  поглотителя  в  активной  зоне,  концентрации поглощающих ядер в растворе или какого-либо параметра, приводящего к изменению количества ядер-поглотителей в активной зоне.  В частности, поглотитель можно вводить в жидкий замедлитель или теплоноситель («мягкое регулирование»);

– изменение в активной зоне давления газообразного поглотителя;

– размещение в активной зоне выгорающего поглотителя. Выгорание поглотителя должно быть согласовано с выгоранием ядерного топлива. Выгорающий поглотитель может быть использован как некоторая составляющая композиции твэла или в виде самостоятельных элементов. При использовании выгорающих поглотителей значительно уменьшается диапазон изменения реактивности за счет выгорания ядер делящегося вещества.

Применение выгорающего поглотителя дает следующие преимущества:

а)  при одном и том же объеме активной зоны может быть увеличение загрузки  топлива, что позволяет  увеличить  продолжительность  работы  данной активной зоны без перегрузки;

б)  количество стержней компенсации начальной избыточной реактивности сокращается;

в)  выгорающие поглотители можно использовать для выравнивания энергораспределения.

В табл. 11.1 приведены сведения о свойствах материалов, которые можно использовать для регулирования реактивности. Сечения поглощения даны для нейтронов с энергией 0,0253 эВ. В области тепловых нейтронов сечения поглощения большинства элементов изменяются обратно пропорционально скорости нейтронов (закон 1/v). В области энергии нейтронов в несколько электрон-вольт и выше многие, приведенные в табл. 11.1, элементы имеют резонансы в сечениях поглощения. Такие нуклиды поглощают как тепловые, так и надтепловые нейтроны, попадающие в процессе замедления в область резонансов.

Таблица 11.1. Характеристики некоторых поглощающих материалов