Нестационарное переотравление

При изменении мощности реактора концентрации изотопов Хе¹³⁵ и Sm¹⁴⁹ также меняются (в частности, при уменьшении мощности возрастают). При этом реактивность соответственно уменьшается и достигает через некоторое время минимума. Уменьшение реактивности, вызванное увеличением концентрации Хе¹³⁵ (над ее равновесным значением), называют йодной ямой, так как причиной возрастания концентрации Хе¹³⁵ является распад изотопа предшественника Хе¹³⁵. Максимальный спад реактивности наблюдается в случае полной остановки реактора. Для этого наиболее важного случая эффект йодной ямы можно определить, пользуясь кривыми на рис. 7 (см. также работы [5], стр. 557; [12], стр. 373). Изменение после остановки описывается формулой

(152)

где t - время от момента остановки, ч; - поток тепловых нейтронов в реакторе до остановки, нейтрон/(см²×сек); - постоянная распада Рm¹⁴⁹, равная 0,0128 ч^-1.

Рис. 7. Эффект «йодной ямы» после остановки реактора:

t - время от момента остановки; - поток тепловых нейтронов до остановки; - усредненное сечение поглощения Хе¹³⁵.

Как видно, концентрация Sm¹⁴⁹ в отличие от концентрации Хе¹³⁵ в остановленном реакторе асимптотически возрастает, стремясь к некоторому постоянному значению. Усредненные по спектру Максвелла сечения и можно найти в справочниках [6] (стр.29), [7] (стр.483-484). В формулах они должны выражаться в квадратных сантиметрах.

Можно убедиться в том, что эффекты переотравления существенны только при Ф>10¹³ нейтрон/(см²×сек). С увеличением потока влияние переотравления резко возрастает. Например, если принять =2×10^-18 см² и 6×10^-20 см², то при нейтрон/(см²×сек)

при нейтрон/(см²×сек)

Поток нейтронов связан с удельной мощностью реактора:

(153)

Коэффициент воспроизводства

В работе теплового энергетического реактора с малообогащенным горючим большую роль играет воспроизводство горючего, т.е. накопление вторичного делящегося изотопа Ри⁹. Степень воспроизводства характеризуется коэффициентом воспроизводства КВ, который можно определить по-разному.

1. Отношение скорости накопления Ри⁹ к скорости выгорания U⁵

(154)

При таком определении коэффициент воспроизводства будет функцией времени. Упрощенная формула для вычисления KB' в начале кампании имеет вид

КВ' (155)

2. Отношение количества Ри⁹, накопившегося в реакторе в течение кампании (Т суток), к количеству сгоревшего U⁵

. (156)

Коэффициент воспроизводства, определенный по формуле (154) или (155), интересен в первую очередь с физической точки зрения. Очевидно, KB' тем больше, чем меньше обогащение горючего и коэффициент . Однако, поскольку часть нейтронов должна расходоваться на поддержание цепной реакции, т.е. поглощаться в делящемся материале, KB' в принципе не может превысить величину . Кроме того, в реакторе всегда есть бесполезные потери нейтронов вследствие утечки и поглощения в других материалах, так что KB' .

При расчете реакторов, специально предназначающихся для переработки U⁸ в Ри⁹, представляет интерес величина KB". В настоящее время признано, что в качестве таких реакторов-переработчиков перспективны реакторы на быстрых нейтронах, в которых KB" может превышать единицу, и химическое выделение плутония из отработанного горючего при определенных условиях может быть экономически целесообразным. Разумеется, приводимые здесь формулы для расчета реакторов на быстрых нейтронах непригодны.

В тепловых энергетических реакторах обычно выгодно использовать эффект воспроизводства для продления кампании при той же затрате исходного делящегося материала, т.е. сжигать плутоний одновременно с его образованием в том же реакторе. В этом случае нужно стремиться увеличить не KB", а количество выработанной энергии, приходящееся на единицу веса сожженного U⁵. Для этого требуется по возможности увеличить КВ' и глубину выжигания ядерного топлива.