Материал: Белозеров В.И., Жук М.М., Кузина Ю.А., Терновых М.Ю. Физика и эксплуатационные режимы реактора ВВЭР-1000

Окончание табл. 8.4

8.2. Отравление реактора ксеноном

Реактивность может меняться в результате действия эффектов отравления и шлакования активной зоны. В результате деления ядер урана и плутония образуются разнообразные ядра-осколки деления и ядра-продукты радиоактивного распада осколков. В ча-

221

стности, 135Xe обладает сечением захвата нейтронов σа ≈ 3,5 106 барн при энергии нейтронов 0,025 эВ. Около 5 % ядер 135Xe образуются непосредственно после деления, а 95 % после распада 135I. Небольшая доля 135I образуется не непосредственно при делении, а в результате радиоактивного распада другого осколка 135Te. Период полураспада 135Te очень мал, поэтому в расчетах предполагается, что весь 135I образуется непосредственно при делении.

Цепочка β-распадов:

Период полураспада 135Te близок к 2 мин, поэтому после деления ядра 135Te практически сразу же превращаются в ядра 135I. Периоды полураспада 135I и 135Xe равны соответственно 6,7 ч и 9,2 ч, то есть ксенон живёт в 1.4 раза дольше, чем йод.

Баланс ядер 135I и 135Xe в реакторе описывается системой диф-

где NI, NXe – концентрация ядер соответственно йода и ксенона; γI, γХе – выход йода и ксенона на одно деление тяжелого изотопа (235U, 239Pu, 241Pu); Σf – макроскопическое сечение деления топлива, см-1; Фτ – плотность потока тепловых нейтронов, нейтр./(см2с); λI, λХе – постоянные распада йода и ксенона, с-1; σXe – микроскопическое сечение поглощения нейтронов изотопом 135Xe, см2.

При строгом рассмотрении значения Σf и σXe должны быть усреднены по спектру тепловых нейтронов в реакторе, который определяется температурой топлива и замедлителя, концентрацией борной кислоты в теплоносителе, компоновкой ТВС с топливом в активной зоне, концентрацией ядер 135Xe и т.д.

При условии E = const; Фτ = const (т.е. при условии постоянства мощности и нейтронного потока) уравнения (8.2.2) и (8.2.3) можно

где N0I = γI Σf Фτ /λI – равновесная концентрация ядер 135I. Равновесная концентрация ядер 135Xe определяется из выражения:

222

Как следует из приведенных формул, стационарная (равновесная) концентрация ядер 135I и 135Xe зависит от плотности нейтронного потока, причем концентрация 135Xe зависит от него нелинейно.

При работе реактора на стационарной мощности 100 % примерно через 40 ч устанавливается стационарное отравление 135Xe, равное 2,9 % (рис. 8.1). В этот момент наступает равновесие образования ядер 135Xe из 135I и исчезновения их в результате радиоактивного распада и выжигания нейтронным потоком. С ростом мощности стационарное отравление 135Xe увеличивается нелинейно.

Рис. 8.1. Стационарное отравление ВВЭР-1000 ксеноном

При изменении мощности реактора с N1 до N2 баланс ядер 135I и 135Xe нарушается, что вызывает переходные процессы с изменением реактивности реактора. При уменьшении мощности происходит уменьшение реактивности реактора, так как в результате снижения плотности нейтронного потока уменьшается выжигание ксенона нейтронами, а его поступление из 135I, количество которого в начальный момент определяется прежним уровнем мощности, не меняется, что приводит к росту концентрации ядер 135Xe и увеличению отравления. Это явление называют йодной ямой. Наибольшая глубина йодной ямы имеет место при сбросе нагрузки реактора со 100 % до нуля (рис. 8.2) и достигается через 9 ч после сброса нагрузки.

223

Рис. 8.2. Нестационарное отравление ВВЭР-1000 ксеноном при сбросе мощности со 100 % Nном

В дальнейшем по мере уменьшения количества ядер 135I и, следовательно, количества образующихся ядер 135Xe – реактивность возрастает. При подъеме мощности отравление реактора ксеноном первоначально уменьшается (происходит разотравление) вследствие интенсивного выжигания возросшим нейтронным потоком13^ поступление которого из 135I некоторое время остается соответствующим более низкому уровню мощности. Затем возросшее поступление ядер ксенона из йода компенсирует высвобожденную реактивность и вносит дополнительное отравление за счет увеличения концентрации ядер ксенона 135Xe .

При построении графиков на рис. 8.2 предполагалось, что перед изменением мощности реактор длительное время (2–3 суток) работал в стационарном режиме. В качестве начальной точки для всех кривых выбрано начало координат, и для определения полного отравления реактора ксеноном нужно сместить все точки кривых в сторону отрицательных реактивностей на соответствующее стационарное отравление.

Время достижения максимальной глубины йодной ямы зависит от процента снижения мощности реактора. Например, если при полном сбросе нагрузки со 100 % максимум отравления достигается через 9 ч, то при сбросе нагрузки со 100 до 50 % он достигается через 5 ч. Полное время переходных процессов, обусловленных 135Xe, равно примерно 40–50 ч.

224

8.3. Отравление реактора самарием

Отравление реактора ядрами с сечением поглощения σа~ 104 барн называется шлакованием. К ядрам такого типа относится самарий. Цепочка β-распада:

Период полураспада 149Pr 2,5 мин.

Изменение концентрации 149Pm и 149Sm описывается следующи-

где NРm, NSm – концентрация ядер прометия и самария, см-3; γРm – выход прометия на одно деление тяжёлого изотопа; Σf – макроскопическое сечение деления топлива, см-1; Фτ – средняя плотность потока тепловых нейтронов, нейтр./(см2 с); λPm – постоянная распада прометия, с-1; σSm – микроскопическое сечение поглощения нейтронов изотопом самария 149Sm, см2.

Для ВВЭР физические постоянные имеют следующие значения:

γPm = 0,011; λPm = 0,357 10−5 c−1, σSm = 6,6 10−20 cì 2

При условии Фτ = const (условие постоянства мощности реактора) можно получить аналитическое решение уравнений (8.3.2) и (8.3.3) для NSm:

×[exp(λPmT ) −exp(−σSmΦτT )] + N0Sm[1−exp(−σSmΦτT )],

где равновесная концентрация ядер 149Sm

N0Sm = γPmΣf ; σSm

равновесная концентрация ядер 149Pm

N0Pm = γPmΣf Φτ . λPm

225