Влияние отражателя на распределения потоков нейтронов тепловой и надтепловой энергий

Цель работы: экспериментальное изучение пространственных распределений потоков нейтронов различных энергий, обусловленных влиянием отражателя

Теоретические основы

Анализ пространственных распределений нейтронного потока в ядерных реакторах без отражателя показывает, что распределения плотности потоков нейтронов различных энергий характеризуются достаточно большой неравномерностью как по объему в целом, так и по отдельным направлениям (например, по радиусу и по высоте в цилиндрическом ядерном реакторе). Количественной характеристикой неравномерности потоков нейтронов является коэффициент неравномерности, который по определению равен:

, (1)

где Ф_m – максимальное значение плотности потока нейтронов; – среднее значение плотности нейтронного потока.

Величина коэффициента неравномерности зависит от формы реактора. В идеальном случае, когда поток равномерен, k=1. Однако в реальности коэффициент неравномерности ядерных реакторов сильно отличается от 1. Так, величина коэффициента неравномерности по объему гомогенного реактора без отражателя в форме параллелепипеда составляет примерно 3,88; в форме цилиндра – примерно 3,64; в форме сферы – примерно 3,29.

Такое положение вещей нежелательно, так как это приводит к неэффективному использованию топлива в ядерном реакторе. В центре, где потоки близки по своему значению к максимальному Ф_m, топливо выгорает сильнее, чем на периферии, где потоки меньше. Таким образом, в периферийных областях топливо работает с технологической недогрузкой. Поэтому становится важным добиться того, чтобы уменьшить значение k. Анализируя соотношение (1), видно, что решение данной задачи возможно двумя путями: уменьшение максимального значения потока нейтронов в ядерном реакторе и увеличение среднего по реактору значения нейтронного потока. Уменьшение максимального значения потока ограничено экономическими и теплофизическими соображениями. Поэтому реальным путем снижения неравномерности является увеличение среднего значения нейтронного потока. Для этой цели в реакторной технике используют отражатель нейтронов.

Отражатель вводится путем добавления к внешней поверхности активной зоны слоя отражающего материала. В качестве последнего используют материалы, обладающие хорошими замедляющими свойствами. Таким образом, испытавшие из активной зоны утечку нейтроны попадают в отражатель, где они с большей вероятностью, чем в активной зоне, будут замедляться и диффундировать в материале отражателя. При этом, проникая в вещество, нейтрон начинает испытывать столкновения с ядрами среды. Если он не будет поглощен в веществе, то в результате такого движения нейтроны имеют ненулевую вероятность вернуться обратно в активную зону, тем самым увеличивая значения потоков нейтронов вблизи отражателя и уменьшая неравномерность распределения нейтронных потоков. Наиболее значим этот эффект для тепловых нейтронов, так как часть попавших в отражатель быстрых нейтронов будет эффективно замедляться там до тепловых энергий. Однако и для нейтронов надтепловых энергий эффект отражения в материале отражателя также имеет место.

Добавление отражателя приводит к уменьшению утечки нейтронов через внешнюю поверхность активной зоны. Тогда, если до введения отражателя ядерный реактор находился в критическом состоянии, то после его введения он перейдет в надкритическое. Для того, чтобы вернуть реактор обратно в критику необходимо уменьшить размеры активной зоны. Таким образом, критические размеры активной зоны реактора с отражателем всегда меньше, чем соответствующие размеры активной зоны реактора без отражателя.

Детальное экспериментальное изучение влияния отражателя на величину коэффициента неравномерности нейтронных потоков может быть проведено на действующих ядерных реакторах. Однако качественное изучение этого вопроса может быть проведено на основании следующей экспериментальной модели.

Пусть имеется слаборассеивающая и слобопоглощающая среда (например, воздух), в которой помещен источник нейтронов. При этом среда с одной стороны граничит со слоем отражающим материалом. Тогда, измеряя плотность потока нейтронов источника в зависимости от расстояния в области, примыкающей к отражателю, и в области, где отражатель отсутствует, можно оценить влияние отражателя на распределение плотностей потоков нейтронов различных энергий.

Материалы и оборудование

На рис. 1 приведена схема экспериментальной установки. Она представляет собой полую стальную трубу длиной 60 см, установленную одним концом на отражающий материал – полиэтилен. Другой конец трубы граничит с воздухом. Равноудаленно от концов трубы размещается источник нейтронов – лабораторный плутоний-бериллиевый источник мощностью 10⁶–10⁷ нейтр./с. Таким образом, внутри установки можно выделить две области: область I – "нейтронный источник–отражатель"; область II – "нейтронный источник–воздух". В каждой области расположены дистанцирующие полки с шагом 4 см.

Измерения проводятся путем регистрации количества нейтронов с помощью детектора нейтронов в зависимости от расстояния до источника. Причем проводятся два типа измерений: «детектор без кадмиевого чехла» для регистрации суммарного нейтронного потока; «детектор в кадмиевом чехле» для измерения потоков нейтронов надтепловой энергии. Сигналы с детектора поступают на счетно-пусковой установку СПУ-1-1М. Данная установка определяет полное (с учетом эффективности детектора) количество нейтронов за выбранный промежуток времени измерений. Таким образом, имеется возможность расчета скорости регистрации нейтронов в точке измерения, которая прямо пропорциональна плотности потока нейтронов. Размещение детектора на различных расстояниях от источника производится с помощью дистанцирующих полок.