Основы теории ядерных реакторов (стр. 93 )

. (22.2.2)

Если в некоторый момент времени t = 0, принимаемый за момент начала отсчёта переходного процесса, величина концентрации борной кислоты в контуре была Со, то решение уравнения (22.2.2) при таком начальном условии будет:

(22.2.3)

-  то есть изменение концентрации борной кислоты в I контуре в самом общем случае водообмена происходит во времени по экспоненциальному закону.

Для практика интересны два частных случая характера изменения концентрации борной кислоты, а именно:

а) Если начальное значение концентрации Со = 0 (что бывает при первом вводе борной кислоты в воду первого контура), то:

, (22.2.4)

то есть при первичном вводе борной кислоты в контур нарастание концентрации борной кислоты проиходит по экспоненциальному закону, причём для конкретной АЭУ, работающей в режиме с фиксированными параметрами, темп нарастания концентрации определяется только величиной концентрации кислоты в баке борного регулирования (Сп) и производительностью подпиточных насосов первого контура (Gп).

Чем больше подача подпиточных средств, тем выше темп нарастания концентрации борной кислоты в воде I контура. Чем выше концентрация борной кислоты в подпиточной воде, тем выше скорость роста концентрации кислоты в I контуре. Характер роста концентрации кислоты в контуре показан на рис.22.1.

Gп= 60 50 40 30

16

С(t), г/кг

20

12

8

10 т/час

4

0 50 100 150 200 250 t, мин

Рис.22.1. Рост концентрации борной кислоты при первичном вводе её в первый контур

(концентрация вводимого раствора – 40 г/кг)

б) Случай, когда Сп = 0 (то есть при разбавлении теплоносителя I контура чистым дистиллатом):

(22.2.5)

Как видим, и в этом случае (рис.22.2) падение величины концентрации борной кислоты в воде I контура происходит по экспоненциальному закону, задаваемому в конкретной АЭУ только производительностью подпиточных средств (равной расходу протечек первого контура).

16

С(t), г/кг

12

8

4

0 10 20 30 40 50 t, час

Рис.22.2. Снижение концентрации борной кислоты в реакторе ВВЭР-1000 при расходах подпитки

первого контура чистым дистиллатом (сверху вниз) – 10, 15, 20, 30, 50 т/час.

Пользуясь подобными графиками (а они обязательно входят в состав рабочей документации оператора РУ), можно решать два типа практических задач:

-  по заданным величинам начальной концентрации борной кислоты С1 и массового расхода системы подпитки Gп рассчитывать величину концентрации борной кислоты С(t), которая будет иметь место через время t работы системы подпитки в таком режиме;

-  по заданным величинам начальной и конечной концентраций борной кислоты в теплоносителе 1 контура определять время работы подпиточных средств с заданным расходом;

-  по заданной пусковой концентрации борной кислоты и положению рабочей группы ОР СУЗ в момент пуска в заданный момент кампании определять величину допустимого расхода подпиточных средств при подпитке первого контура чистым дистиллатом, обеспечивающего безопасную величину скорости высвобождения положительной реактивности при пуске реактора.

*) О том, как решаются задачи последнего типа, будет сказано немного позднее.

22.3.  Эффективность борной кислоты

Как и подвижные поглотители, эффективность борной кислоты принято оценивать двумя характеристиками, называемыми интегральной и дифференциальной эффективностью борной кислоты.

Интегральной эффективностью борной кислоты при заданной её концентрации в первом контуре С называется величина положительной реактивности, теряемой реактором, при повышении концентрации борной кислоты в его теплоносителе от нуля до этой концентрации С.

Можно выразиться и «наоборот»: интегральная эффективность борной кислоты при текущем значении её концентрации С – есть величина положительной реактивности, высвобождаемой при полном удалении борной кислоты из теплоносителя первого контура РУ.

Интегральная эффективность борной кислоты обозначается символом rс(С) и измеряется в единицах реактивности (а. е.р., проценты, доли bэ и др.).

В соответствии с определением очевидно, что интегральная эффективность борной кислоты при нулевой концентрации борной кислоты равна нулю; по смыслу этого определения можно понять, что интегральная эффективность борной кислоты – величина принципиально отрицательная (: при повышении концентрации борной кислоты запас реактивности реактора только теряется).

Мерой эффекта повышения поглощающей способности активной зоны за счёт введения в неё борной кислоты аналогична по смыслу мерам других подобных эффектов реактивности реактора (отравления, шлакования, воспроизводства и др.) и называется относительным поглощением тепловых нейтронов борной кислотой (или просто бором, поскольку поглощающая способность борной кислоты более чем на 99 % определяется одним компонентом – бором):

qc(C) = (22.3.1)

Здесь NB(C), см-3 – ядерная концентрация бора в теплоносителе;

, см-2с-1 – среднее значение плотности потока тепловых нейтронов, пронизывающего бор в теплоносителе активной зоны реактора;

, см-2с-1 - среднее значение плотности потока тепловых нейтронов, пронизывающего топливо в твэлах активной зоны реактора;

Vтн и Vт, см3 – соответственно объёмы теплоносителя и топливной композиции в активной зоне реактора.

Если предположить, что реактор всю кампанию работает на постоянном уровне мощности, то величина произведения в знаменателе N5(t)Фт(t) = idem = N5oФто, то есть в любой момент кампании определяется произведением этих величин в начале кампании. Ядерная концентрация бора (NB) всегда пропорциональна молекулярной концентрации борной кислоты , которая, в свою очередь, всегда пропорциональна массовой концентрации борной кислоты в теплоносителе первого контура (С). Следовательно, первая и последняя из трёх упомянутых величин всегда связаны между собой прямой пропорциональной зависимостью (NB(C) º C. где a - некоторый постоянный коэффициент пропорциональности).

Небольшой экскурс в химию. Массовая концентрация С, которая используется на АЭС для оценки степени насыщенности теплоносителя борной кислотой, - это доля массы борной кислоты в единичной массе её водного раствора:

где и - парциальные объёмы борной кислоты и воды в растворе, а и - плотности борной кислоты и воды соответственно.

Выражение для массы раствора борной кислоты в воде, стоящее в знаменателе, можно выразить через среднюю величину плотности раствора (обозначим её gТН), умноженную на общий объём раствора Vтн = , то есть:

(22.3.2)

Молекулярная концентрация борной кислоты в кристаллическом её виде может быть найдена по традиционной формуле через плотность её и число Авогадро:

и эта величина будет равна ядерной концентрации бора в кристаллической борной кислоте (: в каждой молекуле Н3ВО3 содержится один атом бора, а, следовательно, и одно ядро бора):

При разбавлении в воде эта концентрация, очевидно, будет уменьшаться пропорционально доле объёма, который занимает борная кислота в растворе:

.

Итак, ядерная концентрация бора NB во всех случаях жизни пропорциональна реальной плотности теплоносителя gтн и величине принятой в расчётах массовой концентрации С:

, (22.3.2)

где символом а для краткости обозначена комбинация двух констант (NA/AБК).

С учётом этих замечаний, выражение (22.3.1) приобретает вид:

. (22.3.3)

Потери реактивности от введения в теплоноситель в реакторе бора (то есть величина интегральной эффективности борной кислоты) связаны с величиной qc(C) пропорциональной связью, причём, как и в других эффектах реактивности коэффициентом пропорциональности служит коэффициент использования тепловых нейтронов в реакторе без борной кислоты:

(22.3.4)