Основы теории ядерных реакторов (стр. 46 )

thx

0.5

0 1 2 х

Рис.9.4. График функции гиперболического тангенса thx.

Как видим, гиперболический тангенс - функция монотонная и возрастающая; с ростом х она асимптотически устремляется к своему предельному значению - единице. Но заметим, что практически (с менее чем 4%-ной погрешностью) она приближается к своему пределу уже при х = 2 (th2 » 0.964).

Теперь о зависимости dэ(По). Понятно, что если построить график dэ по оси абсцисс в единицах длины диффузии в отражателе (то есть в относительных единицах По/Lо), то этот график, по существу, повторит кривую гиперболического тангенса в ином масштабе по оси dэ. Асимптотическим пределом величины dэ при По/Lо ® ¥ будет значение:

(9.2.5)

 

dэ (По)

0 Lo 2Lо По

Рис.9.5.Зависимость эффективной добавки от толщины отражателя.

Вид этого графика свидетельствует о том, что величина эффективной добавки на 96.4% достигает своего предела уже при толщине отражателя:

По » 2Lо.

Возникает практический вопрос: стоит ли увеличивать толщину отражателя более этого значения, зная при этом, что уменьшение критических размеров активной зоны на 1 см достанется ценой увеличения массы самого отражателя приблизительно на 650 кг и массы корпуса ВВЭР - на 1300 кг? – Наверное, не стоит.

Эффективной толщиной отражателя из заданного материала называется его толщина, при которой отражатель по своим свойствам практичес - ки идентичен бесконечно толстому отражателю из этого материала.

Найденная величина:

Пэф » 2Lo (9.2.6)

и есть эффективная толщина отражателя в диффузионном приближении.

В диффузионно-возрастном приближении эффективная толщина отражателя считается равной полутора длинам миграции нейтронов в активной зоне:

(9.2.7)

Расчёты по обеим формулам дают приблизительно одинаковые результаты. Считая, что у разогретого ВВЭР длина диффузии в водном отражателе Lо » 5.5 см, можно получить представление об эффективной толщине отражателя в реальных ВВЭР, равной приблизительно 10 ¸ 11 см. Такие же расчёты для реактора с графитовым отражателем дают значение эффективной толщины отражателя приблизительно 0.94 м (в реакторе РБМК-1000 фактическая толщина отражателя – 1 м).

9.2.3. Физические основы конструкции отражателей в реальных ЭЯР. В соответствии с упомянутым правилом, основным материалом отражателя выбирается тот же материал, что служит в реакторе основным замедлителем.

Поэтому в уран-графитовом реакторе РБМК-1000 отражатель выполнен из графита, а в реакторе ВВЭР-1000 основной материал отражателя - вода.

Однако в обоих случаях дело обстоит немного сложнее. В ВВЭР, например, отражатель не чисто водяной, а слоистый, водно-стальной: кольцевые слои воды вокруг активной зоны чередуются с кольцевыми слоями нержавеющей стали. Нержавеющая сталь 08Х18Н10Т, применяемая как основной материал для внутриреакторных конструкций, имеет довольно неплохие замедляющие свойства:

- транспортное макросечение Str = 0.861 см-1 (у воды Str » 2 см-1);

- стандартная длина диффузии L = 1.62 см (у воды L = 2.72 cм);

- замедляющая способность xSs = 0.018 cм-1 (у воды xSs = 1.35 cм-1).

Недостаток этой стали как материала для отражателя - её большое макросечение поглощения (Sa » 0.24 cм-1), из-за чего эффективность водно-стального отражателя несколько снижается по сравнению с чисто водным.

Применение стальных слоев в экранной сборке ВВЭР - дань другой необходимости. Из активной зоны работающего ВВЭР идёт не только поток утечки нейтронов, но и мощное g-излучение, для которого дециметровый слой воды не является достаточной преградой; попадая на корпус реактора, поток g-квантов высоких энергий вызывает радиационный наклёп в его стали, отчего она теряет свои пластические свойства, охрупчивается. Поэтому постановка стальных экранов между активной зоной и корпусом реактора является вынужденной мерой, цель которой - снижение на два порядка величины потока гамма-излучения на корпус реактора, и повышение надежности и долговечности его работы.

Для водно-стальных отражателей эффективной толщины величина эффективной добавки с приличной точностью может вычисляться по эмпирической формуле:

dэ » 3.2 + 0.1(Lаз2 + tаз) (9.2.8)

Водно-стальную компоновку имеют и верхний и нижний торцевые отражатели в ВВЭР, с той лишь разницей, что в них нет явно выраженного чередования горизонтальных слоев воды и стали.

В реакторе РБМК-1000 и боковой, и торцевые отражатели в силу необходимости также имеют не чисто графитовую структуру: через нижний отражатель проходят подводящие теплоноситель к технологическим каналам трубы, в верхнем отражателе проходят отводящие трубы, а графит бокового отражателя пронизывают от низа до верха вертикальные трубы охлаждения самого отражателя.

9.3. Геометрический параметр и поле тепловых нейтронов

в гомогенной цилиндрической активной зоне с отражателем

Ранее (в п.6.4.2 и 6.4.3) были получены выражения для распределения Ф(z, r) и величины Bг2 в цилиндрической активной зоне гомогенного реактора без отражателя (в вакууме):

(9.3.1)

(9.3.2)

Здесь H' и R'- экстраполированные критические размеры цилиндрической активной зоны без отражателя, и, как уже неоднократно отмечалось, эти размеры мало отличаются от действительных критических размеров активной зоны из-за малости длины линейной экстраполяции d по сравнению с самими этими размерами. Поэтому с некоторой степенью точности H' и R' можно считать действительными критическими размерами активной зоны без отражателя.

С применением отражателя действительные критические размеры активной зоны уменьшаются, как ранее указывалось, на величину 2dэ:

Наз = Н' - 2dэ и Rаз = R' - dэ (9.3.3)

Но любопытна одна счастливая закономерность: в пределах активной зоны реактора с отражателем распределение плотности потока тепловых нейтронов почти совпадает с распределением плотности потока тепловых нейтронов критической активной зоны без отражателя, полуразмеры которой больше полуразмеров реальной активной зоны на величину dэ. Иначе говоря, если эпюры радиального или высотного распределений Ф(z, r) таких активных зон наложить друг на друга, то они с высокой степенью точности совместятся.

Отсюда следует, что формально распределение Ф(z, r) в пределах активной зоны критического реактора с отражателем будет описываться тем же выражением, что и распределение Ф(z,r) в активной зоне без отражателя; то есть для того, чтобы аналитически описать распределение Ф(z, r) в активной зоне реактора с отражателем, можно пользоваться выражением (9.3.1), в котором вместо реальных критических размеров активной зоны - подставлять экстраполированные критические размеры активной зоны без отражателя, то есть реальные критические размеры Наз и Rаз, увеличенные на величины удвоенной и одинарной эффективной добавки соответственно:

(9.3.4)

Так же обстоит дело и с выражением геометрического параметра критической активной зоны реактора с отражателем: в выражение для геометрического параметра реактора без отражавместо критических размеров Н' и R' формально подставляются размеры (Наз+2dэ) и (Rаз+dэ):

(9.3.5)

Иными словами, и распределение Ф(z, r), и величина геометрического параметра реактора с отражателем Вг2 описываются теми же выражениями, что и в реакторе без отражателя, но в них формальную роль длины линейной экстраполяции d играет величина эффективной добавки dэ.

Таким образом, и в гомогенном цилиндрическом реакторе с отражателем распределение плотности потока тепловых нейтронов по высоте подчинено закону косинуса, а по радиусу – закону функции Бесселя первого рода нулевого порядка (для действительного аргумента).

Насколько точно такое описание? - В целом - точно; локальные отклонения действительных величин плотностей потока тепловых нейтронов от значений, даваемых формулой (9.3.4), наблюдаются только в относительно тонких приграничных слоях активной зоны (толщиной » 2ltrаз).

В этих слоях график действительного распределения плотности потока тепловых нейтронов под действием "подпирающего" эффекта отражателя приподнимается над графиком косинуса или бесселевской функции (рис.9.6).

Отражатель

3

Бесселевское распределение

Активная зона

r

Рис.9.6. Отклонение распределения плотности потока тепловых нейтронов в приграничном слое активной зоны от бесселевской закономерности радиального распределения.

9.4. Особенности нейтронного поля в гетерогенном реакторе

с отражателем

Активная зона гетерогенного реактора состоит из множества геометрически одинаковых ячеек, каждая из которых представляет собой в общем случае тепловыделяющую сборку твэлов вместе с относящимися к ней замедлителем и другими компонентами активной зоны, располагающимися как внутри ТВС, так и вне ее.