Основы теории ядерных реакторов (стр. 75 )

(W)

0 W

Рис.15.2. Характер убывания запаса реактивности в процессе кампании реактора за счёт

выгорания основного топлива (235U).

15.4. Основные характеристики выгорания

Если водитель автомобиля отправляется на нём в дальнюю поездку, то первой его заботой является полнота топливного бака. Аналогично и энергетический реактор должен быть загружен таким количеством ядерного топлива, которого хватило бы для обеспечения требуемой кампании. Однако в этих двух примерах есть одно принципиальное различие: если автомобиль останавливается тогда, когда бак выжигается “досуха” (хотя, строго говоря, и в автомобильном лексиконе существует такое понятие, как “мёртвый запас”), то реактор перестаёт работать, когда в нём израсходовано не всё топливо, а исчерпан весь запас реактивности, то есть момент остановки реактора - последний момент, когда он ещё остаётся критичным, а значит в нём ещё содержится одна критическая масса топлива. Таким образом, получается, что всё ядерное топливо за одну кампанию в реакторе “выжечь” оказывается невозможным.

Ядерное топливо - штука дорогостоящая. Добыча урановой руды, получение природного металлического урана, обогащение его изотопом 235U, изготовление топливной композиции, спечение её в таблетки и их чистовая обработка, изготовление твэлов и тепловыделяющих сборок - всё это очень сложные технологические процессы, требующие больших материальных и энергетических затрат. Понятно, что выбрасывать довольно большое количество невыгоревшего ядерного топлива на кладбище радиоактивных отходов было бы делом весьма неумным. Отработанное топливо направляется на регенерацию, где топливные компоненты по цепочке сложных технологических операций отделяются от накопившихся за время работы продуктов деления, заново обогащаются изотопом 235U и вновь включаются в топливный цикл. Заметим, что регенерация ядерного топлива не менее сложна и дорога, чем изготовление “свежего” топлива.

Вот почему очень важно, чтобы в процессе кампании выгорала как можно большая часть загруженного топлива, а для регенерации оставалась бы как можно меньшая его часть. Мерой оценки эффективности использования топлива в энергетических реакторах служат две основные характеристики.

а) Степень выгорания топлива - это доля (или процент) выгоревшего основного топлива (235U) от начального его количества.

Степень выгорания обозначается буквой z и в соответствии с определением равна:

. (15.4.1)

Путём элементарных подстановок несложно показать, что степень выгорания в любой момент кампании t - величина, прямо пропорциональная величине энерговыработки W(t), если не брать в расчёт ту часть выработанной энергии, которая получена в результате делений ядер плутония.

Из (15.3.1) следует, что

то есть (15.4.2)

Об эффективности использования основного топлива в реакторе за время кампании активной зоны можно судить по цифрам максимальной степени выгорания (то есть степени выгорания в конце кампании).

Для реакторов типа РБМК-1000 zmax = 0.35 ¸ 0.37, а для реакторов водо-водяного типа (ВВЭР-440, ВВЭР-1000) zmax = 0.30 ¸ 0.33.

б) Глубина выгорания - это энерговыработка на данный момент кампании, приходящаяся на единицу массы первоначально загруженного урана.

Здесь речь идёт обо всём уране (235U + 238U), загружаемом в активную зону перед началом кампании. Если обозначить величину глубины выгорания через b, то в соответствии с определением

. (15.4.3)

Глубину выгорания принято измерять в МВт сутки / т или ГВт сутки/ т.

Представление о величинах глубины выгорания топлива дают такие цифры:

*  для реакторов типа РБМК-1000 bmax = 18.5 ¸ 20 ГВт. сут / т;

*  для реакторов типа ВВЭР-1000 bmax = 38 ¸ 40 ГВт. сут /т.

Тема 16

УМЕНЬШЕНИЕ ЗАПАСА РЕАКТИВНОСТИ ЗА СЧЁТ

ШЛАКОВАНИЯ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА

Шлакование топлива - это процесс накопления в работающем реакторе стабильных и долгоживущих продуктов деления, участвующих в непроизводительном захвате тепловых нейтронов и, тем самым, понижающих запас реактивности реактора.

Из более чем 600 типов осколков деления свыше 60 обладают свойствами, упомянутыми в данном выше определении, а именно: они являются стабильными или долгоживущими и в различной степени интенсивно поглощают нейтроны реакторного спектра. Их и назвали шлаками, имея в виду аналогию со шлаками в топке паровоза, которые осаждаются на поверхности кусочков угля, блокируя доступ воздуха к ним и затрудняя процесс горения угля. Ядерные шлаки, являясь продуктами реакции деления, также накапливаются в твэлах реактора, блокируя доступ нейтронов к делящимся компонентам ядерного топлива, тем самым, затрудняя протекание реакции деления. Диапазон микросечений радиационного захвата шлаков достаточно широк - от нескольких барн до десятков тысяч барн.

16.1. Количественные меры шлакования.

Каждый из шлаков характеризуется величиной своего удельного выхода (gi), величиной микросечения поглощения (sаi) и макросечения поглощения нейтронов (Sаi), величина которого пропорциональна ядерной концентрации шлака (Ni): Sаi = sai Ni.

Кроме того, способность каждого шлака “отнимать” нейтроны из цикла характеризуется относительной долей поглощаемых им нейтронов, равной отношению скоростей поглощения нейтронов рассматриваемым шлаком и ядрами урана-235:

. (16.1.1)

Совершенно очевидно, что такой же мерой можно измерять и относительную интенсивность поглощения тепловых нейтронов всеми шлаками вместе:

(16.1.2)

Но практика интересует даже не эта величина, ему нужна итоговая мера воздействия накопления всех шлаков на реактор - потери реактивности за счёт шлакования. Присутствие шлаков уменьшает, главным образом, величину коэффициента использования тепловых нейтронов в реакторе (q), и несложно показать, что величина потерь реактивности от шлакования связана пропорциональной связью с упомянутой выше величиной относительной доли поглощаемых шлаками нейтронов, причём коэффициентом пропорциональности служит коэффициент использования тепловых нейтронов для незашлакованного реактора:

rш(t) = - qш(t) q (16.1.3)

Знак “минус” перед правой частью (16.1.3) говорит о том, что речь здесь однозначно ведётся о потерях запаса реактивности от шлакования реактора.

16.2. Кинетика роста потерь запаса реактивности за счёт шлакования

Общий вид дифференциального уравнения шлакования реактора одиночным (i-м) шлаком определяется логикой скорости изменения концентрации этого шлака: скорость изменения концентрации любого шлака - есть разница скоростей его образования (как непосредственного осколка деления ядер топлива) и исчезновения (в результате поглощения нейтронов):

(16.2.1)

Нам интересен наиболее близкий к практике эксплуатации случай работы реактора на постоянном уровне мощности Np(t) = idem, условие которого в соответствии с формулой (15.1.3):

N5(t) Ф(t) = idem = N5оФо (16.2.2)

Более того, нам уже известен характер изменения плотности потока нейтронов при постоянном уровне мощности реактора Ф(t) = Np / CN N5(t) и характер спада концентрации 235U в процессе кампании N5(t) = N5o - (sa5/CN) Npt = N5o - (sa5/CN)W (через энерговыработку W), или N5(z) = N5o(1 - z) (через величину степени выгорания z), поэтому выражение для изменяющейся в процессе кампании плотности потока нейтронов в наиболее удобном и общем виде при постоянстве мощности реактора будет:

(16.2.3)

С учётом (16.2.2) и (16.2.3) дифференциальное уравнение щлакования одиночным шлаком (16.2.1) для случая работы реактора на постоянном уровне мощности приобретает вид:

(16.2.4)

Если для краткости обозначить: (16.2.5)

то уравнение (16.2.4) обретает классический вид линейного неоднородного уравнения:

При нулевых начальных условиях (t = 0 Ni(t) = 0, т. к. в начале кампании при загрузке в реактор свежего топлива в его твэлах нет шлаков) его решение выглядит так:

или после обратной подстановки комплексов:

(16.2.6)

Переход к потерям запаса реактивности за счёт шлакования топлива i-м шлаком по формулам (16.1.2) и (16.1.3) даёт следующее: