В) Влияние отравления на реактивность

Отравление реактора приводит к уменьшению коэффициента размножения. В формуле четырех сомножителей претерпе­вает заметное изменение только коэффициент использования те­пловых нейтронов θ. Можно считать, что отравление не приводит к изменению рассеивающих свойств активной зоны реактора, так как концентрация продуктов отравления сравнительно невелика. Поэтому возраст нейтронов τ, а значит, и утечка быстрых нейтро­нов в процессе замедления практически не зависят от отравления. Длина диффузии тепловых нейтронов L уменьшается ввиду появ­ления добавочного поглотителя, и вероятность избежать утечки тепловых нейтронов 1/(1+B²L²) увеличивается. Однако в больших реакторах значение l+B²L² близко к единице, и поэтому измене­нием утечки тепловых нейтронов также можно пренебречь. Доста­точно с хорошим приближением можно считать, что зависимость эффективного коэффициента размножения ρ_эф от отравления опре­деляется изменением величины θ. Если обозначить через θ коэф­фициент использования тепловых нейтронов в неотравленном ре­акторе, а через θ' то же, но в отравленном реакторе, то для гомо­генной смеси в начале компании, когда концентрация шлаков еще мала, можно записать

θ = S_U/(S_U + S_з); θ' = S_U/(S_U + S_з + S_отр)

или

θ =1/(1+q_з); θ =1/(1+q_з+q_отр)

где S_U, S_з и S_отр – сечения поглощения в ядерном топливе, замед­лителе и в отравляющих веществах соответственно.

Если обозначить: k_эф – эффективный коэффициент размноже­ния неотравленного реактора, а k'_эф – эффективный коэффициент размножения отравленного реактора, то, имея в виду пропорцио­нальность k_эф и q, можно записать

(6.17)

Предположим, что коэффициент размножения неотравленного реактора k_эф = 1, тогда левая часть последнего выражения по оп­ределению представляет собой потерю реактивности ρ за счет от­равления, т. е.

(6.18)

Если относительное поглощение в замедлителе мало, то прибли­женно можно записать

(3.65)

т.е. в гомогенных реакторах с замедлителем, слабо поглощающим нейтроны, реактивность уменьшается приблизительно на значение отравления.

В гетерогенных реакторах суммарная относительная потеря нейтронов увеличивается за счет наличия в активной зоне конст­рукционных материалов и ее можно записать в виде q = q₃ + q_к + q_отр. Однако первые два слагаемых представляют собой кон­станты и изменение реактивности в переменных режимах, обуслов­ленное отравлением, определяется выражением.

В качестве примера, иллюстрирующего влияние отравления на реактивность, рассмотрим пуск реактора со свежим урановым топ­ливом 3%-ного обогащения с последующей работой его в перемен­ных режимах на различных уровнях мощности и выключением ре­актора. Будем предполагать, что номинальный уровень мощности соответствует плотности потока нейтронов ф=10¹⁴ нейтр/(см²×с).

На рис. 6.1 (а и б) показано изменение реактивности вследствие нестационар­ного отравления ксеноном для двух вариантов последовательности изменения мощности. В первом случае (рис. 3.11 а) реактор выводится на 50%-ный уровень номинальной мощности, после чего идет сброс нагрузки на уровень 30%, а за­тем реактор выводится на номинальную мощность. Продолжительность работы на каждом уровне мощности составляет не менее 2 сут, вследствие чего на каждом из них после всплеска или провала отравления достигается равновесное значение. В соответствии с этим как зеркальное отображение изменяется и ре­активность. Выключение реактора осуществляется с номинального уровня мощ­ности, соответствующего плотности потока нейтронов Ф=10¹⁴ нейтр/(см²×с). При этом всплеск отравления и соответствующий провал реактивности дости­гают 14,6%. Максимум отравления, а соответственно и максимальный провал реактивности находятся в интервале 8–10 ч после выключения реактора.

Поэтому если реактор работает по суточному графику (с выключением его в ночное время), то к моменту очередного пуска он попадает в максимальный провал реактивности (йодную яму) и пуск его возможен только при наличии соответствующего запаса реактивности и компенсирующих средств. Указанный избыток реактивности далеко не всегда может быть обеспечен.

На рис. 3.11,6 показано изменение реактивности в связи с отравлением ре­актора ксеноном в нестационарных условиях с тем же набором уровней мощ­ности, но иной последовательностью перехода с одного уровня на другой. Как видно из рис. 3.11.б, решающим является уровень мощности, с которого про­изводится выключение реактора. Чем ниже мощность до выключения, тем меньше йодная яма. В данном случае провал реактивности на интервале всего цикла работы уменьшился в 2 раза

.

Рис. 6.1. Изменение реактивности ρ_Хе и отравления ксеноном q_Хе после пуска реактора со свежим урановым топливом 3%-ного обогащения с последующейработой его в переменных режимах на различных уровнях мощности (плотно­сти потока нейтронов Ф) вплоть до полного выключения в конце работы: а – выключение с номинальной мощности (Ф=10¹⁴ нейтр/(см²×с)), б – выключение с 30%-ного уровня мощности (Ф=3×10¹³ нейтр/(см²×с)).

Заметим, что указанная на рис. 3.11а и 3.11б продолжительность работы реактора может укладываться в недельный цикл с выклю­чением реактора в субботний день. В этом случае необходимость запуска реактора в понедельник снимает проблему йодной ямы, так как провал реактивности приходится на нерабочий воскресный день. Что же касается суточного графика работы, то проблема йод­ной ямы очевидна. Особенно остро возникает она перед выключе­нием, если номинальный уровень мощности реактора соответству­ет сравнительно высокой плотности потока нейтронов, примерно 10¹⁴ нейтр/(см²×с).

Как уже отмечалось, проблема в этом случае либо снимается полностью, либо существенно уменьшается, если перед полным вы­ключением ведется последовательное снижение мощности. Однако при работе по суточному графику это практически неосуществимо, так как на каждый этап снижения мощности, а вместе с этим и выход на новый уровень равновесного отравления, реактора тре­буются не часы, а десятки часов. В этом случае для уменьшения йодной ямы можно использовать иную последовательность опера­ций по выводу реактора из работы.

Имея в виду тот факт, что кон­центрация ксенона весьма чувстви­тельна к изменению плотности по­тока нейтронов, можно существенно уменьшить максимальное отравле­ние после полного выключения ре­актора, осуществляя целенаправ­ленное изменение величины Ф по­очередно в меньшую и большую стороны.

В данном случае плотность потока нейтронов составляет четвер­тую часть ее номинального значения, при которой реактор работал до выключения, т.е. Ф = 0,25Ф₀. На этом уровне мощности реак­тор выдерживается на протяжении нескольких часов (~ 5 ч), после чего мощность подни­мается до номинального уровня и выдерживается на нем до времени которое можно назвать управляемым временем при выводе реак­тора из работы. За это время ксе­нон интенсивно выгорает и отравление резко падает. На этом ин­тервале копится и йод, однако накопление его на этом сравнитель­но коротком интервале времени не компенсирует; убыль йода на предшествующих интервалах.

В заключение напомним, что потеря реактивности вследствие отравления со всеми рассмотренными выше закономерностями присуща только реакторам на тепловых нейтронах. В области вы­соких энергий нейтронов, характерных для реакторов на быстрых нейтронах, сечения поглощения всех нуклидов одного порядка, по­этому выделять из общего числа накапливающихся продуктов де­ления какие-либо отдельные нуклиды не имеет смысла.