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

эффективности группы ОР СУЗ от глубины погружения называется интегральной характеристикой группы ОР СУЗ. Величина Δρ/ Н характеризует изменение эффективности группы ОР СУЗ на единице высоты активной зоны. Зависимость Δρ/ Н от Н называется дифференциальной характеристикой группы ОР СУЗ. У верхнего торца реактора плотность потока тепловых нейтронов мала, поэтому начальное погружение примерно до четверти высоты активной зоны мало меняет реактивность. Основной вклад в эффективность группы даёт её погружение от четверти до трёх четвертей высоты активной зоны. На конечном участке так же, как и на первом, изменение реактивности сравнительно мало.

Таблица 8.7

Значения минимально допустимой эффективности аварийной защиты при условии застревания одного наиболее эффективного ОР СУЗ [10, 12]

На рис. 8.5 приведены интегральная и дифференциальная характеристики группы ОР СУЗ.

Рис. 8.5. Интегральная (а) и дифференциальная (б) характеристики группы ОР СУЗ

236

Эффективность групп ОР СУЗ в течение кампании может меняться в зависимости от выгорания топлива в ТВС, где расположены ОР СУЗ, а также в зависимости от изменения формы нейтронного поля в активной зоне реактора.

В поглощающих стержнях происходит тепловыделение, обусловленное поглощением γ-квантов, а также поглощением α- частиц и ядер 7Li, испущенных в реакциях 10В(п,α)7Li. Тепловыделение в стержнях может быть очень высоким, поэтому для них необходимо охлаждение. В реакторах ВВЭР-1000 в направляющих каналах для поглощающих стержней сделаны проливные отверстия для охлаждения стержней теплоносителем.

8.8. Коэффициенты и эффекты реактивности

Размножающие свойства активной зоны и, следовательно, запас реактивности ВВЭР сильно зависят от температуры активной зоны. Как правило, с увеличением температуры, в частности при подъёме мощности, запас реактивности ВВЭР падает (это явление используется для обеспечения безопасности управления реактором). Изменение запаса реактивности при повышении температуры активной зоны обусловлено рядом явлений, происходящих в замедлите- ле-теплоносителе и в топливе. Это, в первую очередь, – уменьшение плотности воды с ростом температуры, приводящее к снижению числа атомов замедлителя в единице объёма и, как следствие, к уменьшению замедляющей способности воды. Из-за этого, а также из-за увеличения кинетической энергии ядер замедлителя (водорода) при повышении температуры воды происходит ужесточение спектра нейтронов, приводящее к изменению нейтронных сечений ядер топлива, теплоносителя и конструкционных материалов и, следовательно, нейтронно-физических характеристик решётки активной зоны. Повышение температуры топлива увеличивает резонансный захват нейтронов изотопом 238U (эффект Доплера).

Наиболее важную роль при повышении температуры активной зоны играют следующие эффекты [2]:

1)уменьшение сечения поглощения нейтронов в воде, подчиняющегося закону 1/v;

2)уменьшение сечения рассеяния и плотности воды и связанное

сэтим снижение замедляющей способности воды;

237

3)уменьшение сечения поглощения и деления урана и трансурановых элементов;

4)увеличение резонансного захвата нейтронов в топливе (эффект Доплера);

5)уменьшение сечения поглощения нейтронов цирконием и ниобием.

Одни из этих эффектов вносит положительный вклад в суммарный температурный эффект, другие – отрицательный:

эффект 1 вносит положительный вклад за счёт уменьшения поглощения нейтронов в воде;

эффект 2, то есть снижение замедляющей способности воды, даёт отрицательную составляющую, которая, как правило, превышает все положительные составляющие температурного эффекта;

эффекты 3 и 4 также уменьшают реактивность активной зоны; эффект 5 вносит небольшую положительную компоненту в тем-

пературный эффект.

Дополнительное влияние на температурный эффект реактивно-

сти связано с накоплением при выгорании топлива изотопов плутония. Изотопы 239Pu и 241Pu имеют большие сечения деления и поглощения при энергии нейтронов около 0,3 эВ. Изотопы 240Pu и 242Pu имеют сильные резонансы поглощения при энергии, пример-

но равной 1 эВ. С повышением температуры активной зоны происходит уширение резонансов изотопов плутония, но при этом значительнее проявляется обратное влияние блокировки резонансов. В сумме накопление изотопов плутония вносит положительный вклад в температурный эффект реактивности.

При расчётах нейтронно-физических характеристик ВВЭР рассматривается несколько коэффициентов реактивности:

1)∂ρ/∂Тв – коэффициент реактивности по температуре воды;

2)∂ρ/∂ТU – коэффициент реактивности по температуре топлива;

3)∂ρ/∂P – коэффициент реактивности по давлению водного теплоносителя (барометрический);

4)∂ρ/∂γ – коэффициент реактивности по плотности воды;

5)∂ρ/∂N – коэффициент реактивности по мощности;

6)∂ρ/∂С – коэффициент реактивности по концентрации борной кислоты в воде.

238

Температурный коэффициент ∂ρ/∂Тв реактивности определяется как отношение изменения реактивности реактора к изменению средней температуры воды.

Температурный коэффициент ∂ρ/∂ТU реактивности определяется как отношение изменения реактивности реактора к изменению средней температуры топлива.

Сумма коэффициентов реактивности по температуре воды и топлива представляет собой температурный коэффициент реактивности реактора ∂ρ/∂Тв+U = ∂ρ/∂Тв + ∂ρ/∂ТU и определяется как изменение реактивности при изменении средней температуры воды и топлива в реакторе. Величина температурного коэффициента реактивности ~ (–10 -5 1/град).

Очевидно, что в экспериментах на реакторе практически невозможно определить температурные коэффициенты по воде и топливу в отдельности. Как правило, определяется суммарный температурный коэффициент реактивности при работе на ничтожно малой мощности и разогреве воды главными циркуляционными насосами. Коэффициенты по воде и топливу в отдельности можно оценить только расчётом или в косвенных экспериментах на критических сборках.

При подъёме мощности реактора происходит дополнительное увеличение температуры топлива, которая становится выше температуры теплоносителя. Кроме того, появляется температурный перепад между центром и поверхностью твэла. Увеличение температуры топлива дополнительно уменьшает реактивность за счёт эффекта Доплера. Это уменьшение реактивности называют мощностным коэффициентом реактивности.

Мощностной и температурный коэффициенты реактивности не остаются постоянными во всем интервале рабочих температур реактора. С ростом температуры воды абсолютное значение отрицательного коэффициента реактивности по температуре воды увеличивается, коэффициента реактивности по мощности уменьшается.

В течение работы загрузки реактора коэффициент реактивности по температуре воды и топлива увеличивается по абсолютному значению, что является следствием накопления плутония и осколков деления и уменьшения концентрации борной кислоты.

239

Коэффициент реактивности по давлению теплоносителя в ВВЭР мал, так как вода является слабосжимаемой жидкостью. Однако при резком увеличении давления в 1-ом контуре (например, при подготовке к пуску) возможно резкое высвобождение реактивности. В связи с этим, а также из прочностных соображений скорость увеличения давления в 1-ом контуре нормированна.

На рис. 8.6 приведена качественная зависимость барометрического (∂ρ/∂Р), температурного по воде ∂ρ/∂Тв) и температурного по воде и урану (∂ρ/∂Тв+U) коэффициентов реактивности от концентрации борной

кислоты. Значение концентрации борной кислоты, при которой барометрический и температурный коэффициент по воде равны нулю может находиться в районе 9–10 г/дм3. При такой концентрации борной кислоты реактор будет подкритичен.

Борная кислота вводится в теплоноситель для компенсации запаса реактивности и для равномерного распределения поглотителя по активной зоне, что позволяет также увеличить допустимую мощность реактора и увеличить глубину выгорания топлива. Уменьшение неравномерности энерговыделения обусловлено тем, что раствор борной кислоты изменяет нейтронно-физические характеристики всей активной зоны, в то время как поглощающие стержни действуют преимущественно на близлежащие районы зоны.

Однако при компенсации запаса реактивности борной кислотой необходимо считаться с уменьшением по абсолютному значению отрицательного температурного коэффициента реактивности ВВЭР.

Причиной этого является уменьшение плотности раствора борной кислоты с ростом температуры, которое влечёт за собой снижение концентрации поглощающих ядер 10В в единице объёма теплоносителя. При увеличении концентрации борной кислоты этот эффект усиливается. В некоторой мере присутствие борной кисло-

240