Основы теории ядерных реакторов (стр. 21 )

Рис.4.3. Поперечное сечение ТВС реактора РБМК-1000.

Большая высота активной зоны РБМК-1000 - 7 м - (у ВВЭР-1000 она 3.55 м) и обусловленные этим большие величины температурных расширений твэлов вынудили конструкторов каждую ТВС делить на две тепловыделяющих кассеты, располагающихся одна над другой с 20-миллиметровым зазором и скрепленных между собой шарнирно (по каркасной трубе). Каркасная труба служит, во-первых, как силовой элемент: на ней крепятся и дистанционируются твэлы. Во-вторых, внутри каркасных труб довольно большого числа ТВС располагаются датчики каналов нейтронных измерений, от которых поступают сигналы в систему контроля нейтронного поля и мощности реактора. В тех же технологических каналах, где нет измерительных элементов, каркасная труба заполнена силуминовыми вытеснителями, которые, замещая вытесняемые ими объёмы воды в центральной части ТВС, позволяют исключить возникновение «всплесков» плотности потока тепловых нейтронов, а, значит, - и перегревов твэлов внутреннего кольца ТВС.

Ячейки активной зоны РБМК, под которыми понимаются одиночные технологические каналы с прилегающими к ним объёмами графитовых столбов, образуют в реакторе регулярную структуру квадратной решётки с постоян­ным для всей активной зоны и отражателя шагом Атк = 250 мм. Это значит, что и сами ячейки в поперечном сечении имеют форму квадрата со сторо­ной 250 мм (см. рис 4.4).

 

Рис. 4.4. Участок поперечного сечения активной зоны реактора РБМК-1000.

Тонкими сплошными линиями обведены контуры ячеек активной зоны (графитовый блок со вставленным в него технологическим каналом). Белые кружки в ячейках – тепловыделяющие сборки с ядерным топливом. Тёмные кружки в ячейках – каналы с подвижными поглотителями. Кружки с крестиками – каналы с дополнительными (неподвижными) поглотителями. Шестнадцать ячеек (4´4) образуют так называемую полиячейку (выделена более толстыми линиями в левом верхнем углу). В каждой полиячейке по две ячейки с подвижными поглотителями и по две ячейки – с дополнительными поглотителями. Обратите внимание: и ячейки, и полиячейки собраны в структуру квадратной решётки. Более того, ячейки с подвижными поглотителями и ячейки с дополнительными поглотителями образуют свои квадратные решётки, повёрнутые относительно основной решётки активной зоны на 45о.

Всё это вместе взятое образует так называемую полирешётку активной зоны.

По возможностям размещения в заданном объёме активной зоны наи­большего количества топлива (определяемого числом размещаемых в актив­ной зоне ТВС) квадратная решётка уступает треугольной, но является бо­лее подходящей для уран-графитового реактора, т. к. графит, уступая во­де по замедляющей способности (xSs), для обеспечения теплового спектра в реакторе должен использоваться в активной зоне в большем количестве на единицу массы загружаемого топлива, чем вода.

*) Подсчитано, например, что для получения теплового спектра ней­тронов в гомогенной уран-графитовой смеси на каждое ядро урана требуется 80 - 120 ядер углерода, тогда как в уран-водных гомо­генных смесях для этого надо всего 12 - 15 молекул воды. Прибли­зительно такие же соотношения распространяются и на гетероген­ные критические композиции.

В реакторе РБМК-1000 стройная структура квадратной решётки ТВС в активной зоне нарушается из-за необходимости размещения органов управ­ления реактора (подвижных и неподвижных стержней-поглотителей): часть ячеек активной зоны освобождается от ТВС, а их места в пустых техноло­гических каналах замещаются органами СУЗ. Ячейки, занятые органами СУЗ, в активной зоне реактора образуют свою квадратную решётку, повернутую относительно квадратной решётки ТВС на угол в 45о (рис.4.4). Таким образом, получается, что действительно повторяющимся компонентом структу­ры активной зоны РБМК является не одна ячейка, а шестнадцать их, кото­рые образуют полиячейку активной зоны.

Таблица 4.1. Некоторые характеристики гетерогенных структур реакторов типа ВВЭР и РБМК.

Характеристики	Значения характеристик для реакторов
ВВЭР-440	ВВЭР-1000	РБМК-1000
1.  Тип твэлов 2 Наружный диаметр твэла, мм 3  Толщина оболочки твэла, мм 4 Материал оболочки твэлов 5 Топливная композиция 6 Диаметр топливной таблетки, мм 7 Обогащение топлива, % 8 Тип решётки твэлов в ТВС 9 Шаг решётки твэлов в ТВС, мм 10. Число твэлов в одной ТВС, шт.	Цилиндрический 9.1 0.65 сплав Zr + 1% Nb диоксид UO2 7.6 3.3 Треугольная 12.2 126	Цилиндрический 9.1 0.65 сплав Zr + 1% Nb диоксид UO2 7.6 4.4 Треугольная 12.75 312	Цилиндрический 13.6 0.85 сплав Zr + 1% Nb диоксид UO2 11.5 1.8 – 2.3 - - 18
11.  Тип решётки ТВС в активной зоне 12.  Шаг решётки ТВС, мм 13.  Тип ТВС 14.  Форма кожуха 15.  Число ТВС в активной зоне	Треугольная 147 Кожуховая Шестигранная 349	Треугольная 236 Бескожуховая - 163	Квадратная 250 Бескожуховая - 1693

Итак, мы познакомились с основными характеристиками, определяющи­ми гетерогенную структуру активных зон тепловых реакторов отечествен­ных АЭС. Разумеется, сказанное не может претендовать на полноту описа­ния конструкции активных зон; с детальным изучением конструкции реак­торов ещё предстоит иметь дело по окончании изучения теории реакторов; сейчас же, наоборот, важно получить самые общие представления об уст­ройстве активных зон реакторов ради понимания теоретических построений, касающихся гетерогенности структур реакторов.

Тема 5

ЗАМЕДЛЕНИЕ НЕЙТРОНОВ В РЕАКТОРЕ И ЕГО РАЗМНОЖАЮЩИЕ СВОЙСТВА

5.1. Общие начальные рассуждения

При рассмотрении нейтронного цикла теплового реактора в п.3 была получена зависимость эффективного коэффициента размножения от характе­ристик отдельных сторон нейтронного цикла:

kэ = h e j q pзpт.

Из шести сомножителей правой части этой формулы величиной, не­посредственно связанной с процессом замедления нейтронов в реакторе, является величина pз - вероятности избежания утечки замедляющихся нейтронов.

Вероятность избежания утечки замедляющихся нейтронов - это доля нейтронов, избежавших утечки из активной зоны при замедлении, от всех нейтронов поколения, начавших процесс замедления в активной зоне.

Первый вопрос, естественно возникающий в начале изучения новой для нас величины: какие факторы определяют эту величину?

Обращаясь к житейскому опыту, можно предположить что величина pз явно должна зависеть от:

- геометрии активной зоны (то есть от её формы и размеров);

- каких-то физических свойств композиции материалов активной зоны реактора.

Первое предположение не только интуитивно, оно имеет и некоторое логическое обоснование, которое выглядит приблизительно так.

Быстрые нейтроны деления рождаются во всём объёме активной зоны, а утечку за пределы активной зоны могут испытывать лишь нейтроны, за­медляющиеся в пределах ограниченного слоя вблизи границ активной зоны. Следовательно, чем больше размеры активной зоны, тем меньшую часть общего объёма активной зоны будет составлять та его периферийная часть, из которой происходит утечка замедляющихся нейтронов, и тем выше должна быть величина вероятности избежания утечки замедляющихся нейтронов.

Понятно, что с возрастанием размеров активной зоны до очень боль­ших величин доля утекающих из неё замедляющихся нейтронов устремляется к малым величинам (в пределе - к нулю при бесконечном возрастании раз­меров). Значит, величина вероятности избежания утечки замедляющихся нейтронов из активной зоны бесконечных размеров равна единице.

Подобное рассуждение вполне уместно для активной зоны любой гео­метрической формы: как для самой простой сферической, так и для наибо­лее распространённой в энергетических реакторах активной зоны цилинд­рической формы. Логический результат будет принципиально тот же, за исключением разве что одного: распределение вероятности избежания утечки замедляю­щихся нейтронов по поверхности цилиндрической активной зоны (в отличие от сферической) существенно неравномерно. Например, в углах продольно­го сечения цилиндрической активной зоны нейтронам представлены большие возможности для утечки из активной зоны, чем посреди боковой цилиндри­ческой поверхности, а на цилиндрической части поверхности - большие возможности, чем в центральной части плоских ее торцов.

А раз распределение вероятности по поверхности активных зон зависит от их формы, значит, и сама величина вероятности pз за­висит от формы активной зоны.

Приведенные простые рассуждения ценны ещё одним: они вплотную под­водят к мысли о том, что pз определяется не только геометрией активной зоны, но и какими-то физическими свойствами среды активной зоны. Поскольку толщина слоя любой заданной формы, из которого происходит утечка замедляющихся нейтронов, может определяться только природными свойствами среды этого слоя.

Для нормального человека это очевидно, хотя и порождает неизбежный уточняющий вопрос: какие именно физические свойства материальной среды активной зоны имеются в виду?

Ведь у каждого конкретного вещества физических свойств много: те­плоёмкость, плотность, теплопроводность, вязкость, магнитная проницае­мость, поглощающая способность, рассеивающая способность... Всё это разные физические свойства, характеризующие каждое конкретное вещество с различных физических точек зрения, и каждое из этих свойств имеет свою количественную меру.

Очевидно, речь должна идти о каких-то замедляющих свойствах среды активной зоны, характеризующих её свойство в той или иной степени быс­тро замедлять нейтроны. Чем быстрее замедляющийся нейтрон превращается в тепловой, тем меньшее смещение в пространстве среды он испытывает, и тем меньше у него возможностей оказаться за пределами активной зоны во время замедления. Иными словами, как показывают приведенные рассужде­ния, из всех замедляющих свойств среды важнейшую роль должна играть её способность давать определенное среднее смещение нейтрона в ней в те­чение процесса замедления.