Материал: Лескин С.Т., Шелегов А.С., Слободчук В.И. Физические особенности и конструкция реактора ВВЭР-1000

расположены настолько близко друг от друга, что нейтрон, вылетевший из топлива, с довольно большой вероятностью может испытать первое соударение в соседних топливных блоках. Очевидно, что в тесных решетках должно выполняться условие

l≤1 ,

λs (E)

где l – средний путь нейтрона в замедлителе; λs (E ) − длина свободного пробега в замедлителе.

Применение в ВВЭР тесной решетки − неизбежное следствие использования в качестве замедлителя воды.

Сечение поглощения тепловых нейтронов водородом велико по сравнению с сечением поглощения углеродом и бериллием (~102 раз). Чтобы отношение, определяющее долю поглощения нейтронов замедлителе, равнялось

В то же время замедляющая способность воды ξΣs (где ξ − сред-

няя потеря летаргии при одном столкновении, она в 20 раз больше, чем у углерода, и равна

ξ =U ′−U = ln EE′ ,

где E − энергия нейтрона до столкновения; E′ − энергия нейтрона после столкновения) достаточна для того, чтобы при таких малых

значениях отношения V1 обеспечить относительно низкую веро-

V0

ятность поглощения нейтронов в процессе замедления.

2. Теснота, в свою очередь, приводит к тому, что максимум спектра нейтронов смещается в область более высоких энергий.

Относительно большая жесткость спектра нейтронов и заметная доля деления надтепловыми нейтронами – особенность, которую необходимо учитывать при проведении физического расчета.

6

Весьма заметную роль процессы радиационного захвата и деления в области надтепловых нейтронов играют при больших выгораниях топлива, когда накапливается значительное количество

ядер 239 Pu , имеющую резонансы в этой области энергий.

3. Жесткость спектра нейтронов в ВВЭР приводит к достаточно

большой доле делений 238 U.

4. Относительно велика вероятность для нейтрона резонансных энергий, вылетающего из блока, испытать первое столкновение в одном из соседних блоков.

Поскольку минимальное расстояние между твэлами в ВВЭР примерно в два раза меньше длины свободного пробега до рассеяния резонансных нейтронов в воде, это приводит к тому, что спектр падающих на блок нейтронов будет обеднен нейтронами резонансных энергий.

То есть имеет место взаимное «затенение» блоков для нейтронов резонансных энергий.

Взаимное «затенение» блоков для резонансных нейтронов, связанное с деформацией по сравнению с φ(E) / E спектра нейтронов

(спектр Ферми для тепловых реакторов с разреженной решеткой), падающих на твэл, способствует некоторому увеличению вероятности избежать резонансного поглощения.

В то же время диаметры топливных блоков в тесных решетках (7−9 мм) существенно меньше, чем в разреженных (25−30 мм). Переход к тонким блокам приводит к заметному уменьшению φ. Это

уменьшение не компенсируется эффектом «затенения», поэтому φ

втесных решетках ниже, чем в разреженных, и в существующих ВВЭР находится в пределах 0,74−0,78.

5.Сечение поглощения в ячейке всегда значительно больше сечения поглощения чистой воды, потому для ВВЭР характерны малые значения длин замедления и диффузии тепловых нейтронов

врешетке. Вследствие этого при нарушениях однородности решетки (водяные зазоры между кассетами; трубки, заполненные водой и т.д.) наблюдается всплеск потока тепловых нейтронов, что приводит к деформации распределения энерговыделения. Это особенно важно учитывать при компоновке активной зоны и перестановках ТВС при перегрузках.

7

6. Поведение активной зоны реактора при стационарных и переходных режимах работы определяется коэффициентами реактивности, которые изменяются в процессе работы реактора и в зависимости от состояния реактора.

Для реактора ВВЭР характерен большой диапазон изменения температурного, плотностного и мощностного эффектов реактивности в процессах разогрева реактора и вывода его на мощность. Это объясняется сильной зависимостью плотности воды от температуры.

Результаты расчетов показывают, что на протяжении всей кампании во всех возможных режимах работы на мощности обеспечивается отрицательный коэффициент реактивности по мощности и температуре замедлителя.

Коэффициенты реактивности рассчитываются для различных состояний реактора:

•холодное (температура теплоносителя и топлива равна 20 °С);

•горячее (температура теплоносителя и топлива равна 306 °С, отравления нет);

•рабочее (средняя температура теплоносителя равна 306 °С, температура топлива соответствует номинальной мощности, отравление стационарное).

В табл. 1.1 для примера приведены значения коэффициентов ре-

активности Запорожской (в скобках − Волгодонской) АЭС при критической концентрации бора в теплоносителе.

Из таблицы видно, что большинство эффектов имеют отрицательное значение. Отрицательное значение результирующих обратных связей по реактивности приводит к динамической устойчивости реактора.

Следует отметить, что величина температурного эффекта реактивности, включающего изменение температуры топлива и теплоносителя, во всем диапазоне изменения температур от 20 до

личивается по абсолютной величине с ростом температуры теплоносителя.

8

Таблица 1.1

Первая загрузка при 3-годичной загрузке

Зависимость мощностного эффекта реактивности от мощности также нелинейная. Но, в отличие от температурного коэффициента

с ростом мощности. Большую часть мощностного эффекта реактивности составляет доплер-эффект, что приводит к уменьшению вероятности избежать резонансного поглощения нейтронов. Вследствие этого, нейтронный поток в участках твэлов с максимальной температурой уменьшается и соответственно уменьшается в них

9

энрговыделение. Этот эффект приводит к саморегулированию активной зоны.

Для одного и того же топливного цикла эффекты реактивности мало меняются, но с изменением состава топлива, например, с изменением обогащения топлива, изменения могут достигать

15−20 %.

Зависимость температурного эффекта от концентрации борной кислоты

Величина и знак температурного эффекта реактивности при даннной конструкции реактора (при определенном водоурановом

центрации борной кислоты в воде. Эффект уменьшения по абсолютной величине отрицательного температурного коэффициента реактивности до нуля и дальнейшего его перехода в область положительных значений с увеличением концентрации борной кислоты определяется следующими физическими процессами.

При увеличении температуры теплоносителя, содержащего борную кислоту, изменение Кэф происходит в результате двух факторов: с одной стороны, Кэф уменьшается в соответствии с рассмотренным выше «чистым» температурным эффектом, с другой – увеличивается из-за того, что при разогревании падает объемная концентрация борной кислоты в результате падения плотности теплоносителя и, соответственно, уменьшается Σа – макроскопическое сечение поглощения теплоносителя. Положительный вклад в Кэф зависит от величины концентрации борной кислоты в теплоносителе: чем больше концентрация, тем больше ее выводится при уменьшении плотности теплоносителя, тем значительней соответствующее увеличение Кэф При определенной концентрации положительная и отрицательная составляющие изменения Кэф вы-

равниваются и ∂∂Tρ становится равным нулю. При значениях концентрации больше этой − ∂∂ρT > 0, при меньших − ∂∂Tρ < 0.

10