Основы теории ядерных реакторов (стр. 84 )

Качественный характер переходного процесса rXe(t) в течение этих трёх суток после перевода реактора на более высокий уровень мощности показан на рис.19.9. Как и в случае после снижения мощности, переходный процесс rХе(t) имеет две монотонные стадии: вначале небольшое разотравление, а затем монотонный переход к более высокому стационарному отравлению на более высоком уровне мощности.

rХе(t)

0 t* t

rXeст(Np1)

rXeст(Np2)

Рис.19.9. Качественный характер переходного процесса переотравления реактора ксеноном

в первые трое суток после перевода реактора на более высокий стационарный уровень мощности.

По аналогии с прижившимся жаргонным термином «йодная яма» переходный процесс нестационарного переотравления реактора ксеноном после его перевода на более высокий уровень мощности в среде операторов принято именовать «йодным холмом», хотя, как вы понимаете, это совершенно неправильно: некоторое уменьшение потерь реактивности за счёт отравления ксеноном в первый период переходного процесса имеет место не вследствие каких-то изменений концентрации йода, а исключительно благодаря тому, что в этот период скорость убыли ксенона вследствие превалирующей скорости его расстрела нейтронами держится выше, чем скорость его образования. Итак:

Переотравление реактора ксеноном после его перевода на более высокий уровень мощности имеет характер перехода от более низкого стационарного отравления (на исходном уровне мощности) к более высокому стационарному отравлению (на более высоком уровне мощности), и этот переход осуществляется не монотонным увеличением потерь реактивности, а через «холм», обусловленный временным снижением концентрации ксенона вследствие его интенсивного расстрела нейтронами в первый период переходного процесса.

Высота холма будет тем больше, чем больше соотношение Ф2/Ф1. Время наступления его максимума t* также определяется соотношением конечной и начальной мощностей реактора, но по сравнению со временем наступления максимума йодных ям после снижения уровня мощности это время имеет меньшие величины (от 1 до 5 часов).

19.5. Расчёт изменений потерь реактивности за счёт переотравлений реактора.

Если реактор в какой-то момент времени t1 пребывал в состоянии отравления, характеризуемом потерями реактивности rXe1, а в какой-то последующий момент t2 его состояние отравления изменилось (вследствие каких-то изменений режимных параметров реактора, определяющих величину его отравления) и характеризуется теперь потерями реактивности, равными rXe2, то абсолютное изменение потерь реактивности реактора вследствие его переотравления за период Dt = t2 - t1 подсчитывается всегда по стереотипной формуле:

DrXe = rXe2 - rXe1 (19.5.1)

Пользоваться этой формулой чрезвычайно просто, если в придачу к ней запомнить несколько простых частностей, с которыми чаще всего связана практическая необходимость расчётов ксеноновых переотравлений.

Во-первых, если правильно подставлять в неё конечное и начальное отравления, то знак получающейся величины DrXe сам по себе подсказывает, идёт ли речь о разотравлении реактора или о его большем отравлении за рассматриваемый период времени Dt: если величина DrXe > 0, значит реактор в целом за истекший период Dt разотравился (потери запаса реактивности за это время уменьшились, что равносильно высвобождению положительной реактивности в реакторе за этот период); если же DrXe < 0, то реактор за этот период, наоборот, отравился в большей степени, что равносильно потере запаса реактивности. Поэтому, подставляя в формулу (19.20) значения отравлений (а они всегда отрицательны), можно не заботиться о правильности знака получаемого результата.

Кроме того, следует помнить несколько простых правил.

а) Если до рассматриваемого момента t реактор проработал на постоянном уровне мощности более трёх суток, величина отравления его в этот момент равна стационарному отравлению на этом уровне мощности, и её следует определять по кривой стационарных отравлений, как функцию величины мощности, на которой работал реактор.

б) Если реактор к рассматриваемому моменту t простоял после останова в бездействии более трёх суток, - он полностью разотравился (rXe = 0).

в) Если реактор к рассматриваемому моменту t после останова простоял менее трёх суток, разотравиться полностью он, естественно, не успел, и величина отравления находится по кривой йодной ямы после останова как функция мощности, на которой работал последние трое суток перед остановом реактор, и времени стоянки реактора.

г) Если первоначально разотравленный реактор (после длительной, более трёх суток стоянки) выведен на стационарный уровень мощности и работает на этой мощности менее двух суток, он пока не достиг стационарного отравления на этом уровне мощности, и величина отравления в рассматриваемый момент либо находится по кривой выхода реактора на стационарное отравление как функция мощности и времени, либо подсчитывается по приближенной формуле:

rXe(t) » rXeст(Np) [1 - exp(- lIt)],

которая в удобных для расчёта размерностях имеет вид:

rXe(t) » rXeст(Np) [ 1 - exp (- t / 9.67)] , или (19.5.2)

(19.5.2а)

Время t в этой формуле подставляется в [час], а величина стационарного отравления на данном уровне мощности Np снимается с кривой стационарных отравлений.

д) Наконец, если реактор работает на постоянном уровне мощности менее трёх суток после перехода с другого уровня мощности, то значение отравления реактора ксеноном в любой момент этого периода находится либо по графикам нестационарных переотравлений, либо по таблицам нестационарных переотравлений как функция начальной и конечной мощности реактора и времени его работы на мощности после перехода.

Тема 20

ОТРАВЛЕНИЯ РЕАКТОРА САМАРИЕМ-149

Самарий-149 - сильный шлак первой группы. Его стандартное микросечение радиационного захвата sаоSm = 40800 барн, а период полураспада Т1/2Sm = 13.84 года, то есть практически он стабилен. Почему же в таком случае он фигурирует в разговоре об отравлении, а не о шлаковании реактора?

Да, самарий - шлак, но дело в том, что накопление его в твэлах реактора имеет некоторые особенности, которые делают процессы изменения концентрации самария-149 качественно похожими на процессы отравления реактора ксеноном. В отличие от прочих шлаков, самарий может не только накапливаться в работающем реакторе, но, обладая большим сечением поглощения, достаточно интенсивно расстреливаться нейтронами, а, следовательно, потери реактивности, связанные с накоплением самария, могут не только однозначно увеличиваться, но и уменьшаться за счёт интенсивного его расстрела на больших уровнях мощности реактора. Это, по-видимому, и послужило поводом для того, чтобы процесс накопления самария-149 называть не шлакованием, а отравлением.

20.1. Схема образования-убыли 149Sm и дифференциальные уравнения отравления реактора самарием

Непосредственно как продукт реакции деления 149Sm в реакторе практически не образуется (величина его удельного выхода gSm<10-5). Поэтому практически всё образование 149Sm связано с его получением в результате b-распада другого продукта реакции деления - прометия-149 (149Pm). Прометий как непосредственный осколок деления также образуется довольно слабо (хотя и заметно: его удельный выход gPm » 10-4), основным каналом его образования является b-распад неодима-149 (149Nd) - осколка деления с большим удельным выходом (gNd = 0.011). Таким образом, процессы образования и убыли указанных продуктов деления схематически можно представить так, как это показано на рис.20.1.

(n, f) g < 10-4 (b) s = 40800 барн

235U + 1n 149Pm* 149Sm + 1n 150Nd (sa » 3 барн)

gNd= 0.011 b T1/2= 54 ч

149Nd* Т1/2=2.3 ч

20.1. Схема образования и убыли самария-149 и сопутствующих продуктов деления и их распада

Логика следования отдельных физических процессов друг за другом и сравнение характеристик физических процессов позволяют существенно упростить расчётную схему общего процесса отравления реактора самарием-149:

а) Поскольку удельный выход прометия-149 из реакции деления мал (gPm < 10-4), каналом прямого образования прометия можно пренебречь.

б) Ввиду того, что период полураспада неодима-149 существенно меньше периода полураспада прометия-149, можно, наоборот, считать, что прометий-149 является прямым продуктом реакции деления с удельным выходом, равным фактическому удельному выходу неодима-149.

Таким образом, с учётом сделанных допущений, расчётная схема образования и убыли самария и сопутствующих ему продуктов будет выглядеть так:

(n, f) (b) (n, g)

235U + on1 ______________> 149Pm* _____________ > 149Sm _________________> 150Nd

g = 0.011 T1/2 = 54 час sa = 40800 барн

В соответствии с этой схемой дифференциальное уравнение скорости изменения концентрации самария-149 запишется так:

(20.1.1)

И, поскольку решение (20.1) неопределённо из-за наличия в нём двух неизвестных функций (NPm(t) и NSm(t)), для того, чтобы замкнуть его, добавляется дифференциальное уравнение для скорости изменения концентрации прометия-149: