Показатели неравномерности нейтронного поля в реакторах
И методы снижения неравномерности
Убедившись, что поле тепловых нейтронов в энергетическом реакторе существенно неравномерно, мы должны прийти к заключению, что эта неравномерность - явление явно негативное.
В самом деле, если распределение плотности потока тепловых нейтронов, скажем, по радиусу активной зоны неравномерно, это означает, что в твэлах центральных ТВС удельное объёмное энерговыделение имеет большую величину, чем в твэлах периферийных ТВС, а это значит, что тепловая мощность центральных ТВС, будет выше, чем мощность периферийных ТВС. Таким образом, в активной зоне оказывается множество в различной степени недогруженных ТВС и твэлов, а недовыработка тепловой мощности оборачивается пропорциональной потерей в выработке электроэнергии энергоблоком АЭС.
Вертикальная неравномерность Ф(z) порождает постоянную недогрузку топлива в нижних и верхних участках длины каждого твэла в каждой ТВС.
Радиальная неравномерность, обусловленная действием блок-эффектов в ТВС, порождает недогрузку центральных твэлов каждой ТВС сравнительно с периферийными ее твэлами.
Словом, гетерогенной активной зоне свойственны "недоработки" разной степени на всех уровнях, и потому стремление ликвидировать их (или хотя бы свести их к минимуму) - предмет головной боли не только конструкторов-реакторостроителей, но и инженеров-эксплуатационников АЭС.
Но для того, чтобы знать, как бороться с неравномерностью нейтронного поля, надо вначале установить меры оценки этой неравномерности.
9.5.1. Показатели неравномерности. Такими показателями служат коэффициенты неравномерности распределения плотности потока тепловых нейтронов по различным координатам активной зоны: радиусу (R), высоте (Н), радиусу отдельной ТВС (r), азимуту активной зоны (j), объему активной зоны (V).
Все коэффициенты неравномерности нейтронного поля имеют общий принципиальный смысл, и поэтому охватываются общим определением:
Коэффициент неравномерности распределения плотности потока тепловых нейтронов по любой рассматриваемой координате - это отношение максимального к среднему значений плотности потока тепловых нейтронов по этой координате.
В соответствии с перечисленными выше аргументами различают пять основных (в разной степени важных для эксплуатационной практики) коэффициентов неравномерности.
Коэффициент неравномерности по радиусу активной зоны (kR) - число, показывающее, во сколько раз максимальная по радиусу активной зоны величина плотности потока тепловых нейтронов больше среднерадиального её значения:
(9.5.1)
Если известна функция распределения по радиусу активной зоны Ф(R), то среднерадиальное её значение найдется как:
(9.5.2)
В этом случае общее выражение для kR:
(9.5.3)
Любопытно оценить величину kR в гомогенной цилиндрической активной зоне, где радиальное распределение плотности потока тепловых нейтронов подчинено, как известно, бесселевскому закону:
Ф(R) = Фmax Io[2.405R/(Rаз+dэ)] (9.5.4)
Подстановка этого выражения в (9.5.3), взятие интеграла и простое математическое преобразование полученного выражения с учётом того, что величина эффективной добавки dэ пренебрежимо мала по сравнению с величиной радиуса активной зоны Rаз, приводят к приближённой формуле:
(9.5.5)
Следовательно, если бы такой реактор, как ВВЭР-1000 был гомогенным реактором (Rаз = 156 см, dэ » 10 см), ему был бы обеспечен коэффициент радиальной неравномерности:
kR » 2.31 / [1 + 2 .10/(156 + 10)] » 2.062.
Впечатляющая цифра! Двукратный проигрыш в мощности реактора только за счёт одной радиальной составляющей поля тепловых нейтронов. Но это ещё не всё.
Коэффициент неравномерности по высоте активной зоны (kH) - число, показывающее, во сколько раз максимум плотности потока тепловых нейтронов в распределении по высоте активной зоны больше среднего её значения:
(9.5.6)
При известной функции распределения плотности потока тепловых нейтронов по высоте Ф(Н) среднее её значение найдется как:
(9.5.7)
В гомогенной активной зоне, где распределение плотности потока тепловых нейтронов подчинено закону косинуса:
(9.5.8)
последовательные подстановки (9.5.8) в (9.5.7), а затем результата - в (9.5.6), приводят к оценочной формуле:
(9.5.9)
Расчёт по этой формуле для гомогенного реактора, подобного по размерам реактору ВВЭР-1000 (Наз = 355 см, dэ » 10 см) даёт величину коэффициента неравномерности по высоте:
kH » 1.57 / [1 + 2 .10 / (355 + 2 .10)] » 1.49.
Эта цифра означает, что из-за недогрузки верхних и нижних участков твэлов по плотности потока тепловых нейтронов по их длине мы лишаемся ещё примерно 50% тепловой (и электрической!) мощности реакторной установки, которую можно было бы получить при равномерной линейной тепловой нагрузке твэлов. Но и это ещё не всё.
Коэффициент неравномерности по радиусу тепловыделяющей сборки (kr)- это число, показывающее, во сколько раз средняя плотность потока тепловых нейтронов в наиболее нагруженных твэлах ТВС больше средней величины плотности потока тепловых нейтронов для всех твэлов этой ТВС:
(9.5.10)
Здесь - среднее значение плотности потока тепловых нейтронов в произвольном (i-ом) твэле ТВС, состоящей из k твэлов, а - среднее значение плотности потока тепловых нейтронов в самом нагруженном периферийном твэле этой ТВС.
Радиальная неравномерность распределения плотности потока тепловых нейтронов внутри ТВС порождается внутренним блок-эффектом ТВС; она свойственна большинству кожуховых ТВС (в реакторе ВВЭР-440 величина kr в отдельных ТВС достигает 1.12), а в бескожуховых ТВС в активных зонах реакторов, где имеет место беззазорный переход одних ТВС в другие (например, в реакторе ВВЭР-1000) радиальная неравномерность в ТВС практически незаметна (kr » 1).
Коэффициент азимутальной неравномерности распределения плотности потока тепловых нейтронов – это число, показывающее, во сколько раз среднее значение плотности потока тепловых нейтронов в наиболее нагруженной из ТВС, равноотстоящих от вертикальной оси симметрии активной зоны, больше среднего значения плотности потока тепловых нейтронов во всех этих ТВС.
Цилиндрическая активная зона - осесимметричное геометрическое тело, и если все ТВС в ней идентичны и равномерно заполняют её объём, то распределение плотности потока тепловых нейтронов по ТВС, расположенным на одной окружности (с центром на оси симметрии активной зоны) будет также равномерным (т.е. среднее значение плотности потока тепловых нейтронов во всех этих равноотстоящих от вертикальной оси активной зоны ТВС будет одинаковым). Но если внутри (или вблизи) одной из равноотстоящих от оси ТВС в силу необходимости размещаются поглотители тепловых нейтронов (например, стержни органов СУЗ), - то среднее значение плотности потока тепловых нейтронов в такой ТВС будет ниже, чем в прочих равноотстоящих от оси симметрии активной зоны ТВС, и равномерность распределения средних значений Ф в ТВС, расположенных на равном удалении от оси симметрии активной зоны, нарушится: появится и такая ТВС, в которой средняя величина плотности потока тепловых нейтронов будет выше, чем в прочих ТВС (рис.9.10).
Гильза с
поглотителем
Рис.9.10. К пояснению коэффициента азимутальной неравномерности.
Если Фi – средние плотности потока тепловых нейтронов в каждой из m равноотстоящих от оси симметрии активной зоны тепловыделяющих сборок и_среди них выделена ТВС, в которой средняя величина Ф максимальна (то есть = Фmax), то величина азимутального коэффициента неравномерности для этого круга ТВС будет:
(9.5.11)
а других кругах равноотстоящих от оси симметрии активной зоны ТВС азимутальной неравномерности может практически и не быть (круги одинаковых во всех отношениях ТВС, достаточно далеко расположенных от сильных поглотителей в активной зоне), она может быть и совсем другой по величине (при асимметричном размещении поглотителей относительно ТВС рассматриваемого круга). Оператор РУ должен ясно представлять, что наложение азимутальных неравномерностей в распределении плотности потока тепловых нейтронов по всем коаксиальным кругам может привести к значительным отклонениям величины плотности потока тепловых нейтронов в локальных областях активной зоны от среднерадиального значения: одни области окажутся недогруженными, а другие – перегруженными.
В таких случаях кратко говорят, что имеется азимутальный перекос нейтронного поля. Азимутальные перекосы в активных зонах энергетических реакторов недопустимы, но в отдельных случаях величины азимутальных коэффициентов неравномерности в них достигают 1.04
Объёмный коэффициент неравномерности поля тепловых нейтронов в активной зоне реактора – это отношение максимальной плотности потока тепловых нейтронов к среднему по объёму активной зоны значению плотности потока тепловых нейтронов:
(9.5.12)
Можно показать, что величина коэффициента объёмной неравномерности kv - есть не что иное, как произведение:
kv = kR kH (9.5.13)
*) Поэтому (даже при отсутствии азимутальной неравномерности) гомогенная активная зона, по размерам и составу подобная активной зоне серийного ВВЭР-1000, обладала бы объёмной неравномерностью поля тепловых нейтронов, характеризуемой
kv = kR kH = 2.06 .1.49 » 3.07.
9.5.2. Меры по уменьшению неравномерности поля тепловых нейтронов. Все мероприятия по уменьшению неравномерности распределения плотности потока тепловых нейтронов в энергетическом реакторе направлены в первую очередь на выравнивание величин Ф в объёме топлива этого реактора, поскольку именно от равномерности распределения этой величины в объёме топлива зависит равномерность тепловыделения в объёме всей активной зоны или равномерность распределения тепловой мощности в объёме активной зоны.
Все меры по выравниванию нейтронного поля в активной зоне эксплуатационнику удобнее делить на две группы: проектно-конструкторские и технологические. Первые он обязан просто понимать, поскольку изменить их он либо не может вообще, либо Технологическим Регламентом ему это делать (по соображениям безопасности) запрещено. Технологические меры (просчитанные, впрочем, конструкторами) – это обязательная часть работы оператора РУ, требующая ежедневного и точного их соблюдения; оператор обязан не просто отчётливо представлять их физический смысл, но со временем выработать в себе определённое чутьё, позволяющее предвидеть увеличение неравномерности энерговыделения в реакторе и принять заранее меры по его недопущению.
Итак, вначале о проектно-конструкторских мерах. За полувековой период в экспериментальных и серийных энергетических реакторах апробировано довольно большое число специальных конструкторских приёмов по выравниванию нейтронных полей. Все они сводятся к следующему.
а) Вариации величиной обогащения ядерного топлива. Например, зная, что плотность потока тепловых нейтронов в твэлах центральной части ТВС ниже, чем в периферийных её твэлах, теоретически возможно так разместить набор топливных таблеток в каждом из твэлов каждой ТВС, что в нижней и верхней частях твэла будут расположены таблетки с более высоким обогащением топлива, чем в средней его части. При этом в средней части твэла более низкой будет величина макросечения деления топлива тепловыми нейтронами (так как Sf5 = sf5N5), а значит, при одинаковой величине Ф, более низкой будет скорость деления (Rf5 = Sf5Ф), а, значит, меньшими будут скорости генерации быстрых нейтронов в центральной части твэла и тепловых нейтронов в замедлителе в ближайшей окрестности центральной части твэла, что должно привести к снижению скорости поступающих из замедлителя в центральную часть длины твэла тепловых нейтронов, а, следовательно, - к снижению величины плотности потока тепловых нейтронов в топливе средней части твэла; в периферийных зонах по высоте твэла увеличение начального обогащения топлива приведет, наоборот, к увеличению плотности потока тепловых нейтронов в этих зонах; в результате коэффициент неравномерности распределения Ф по высоте твэла уменьшится.
Этот метод вариацией величиной обогащения топлива в таблетках твэла может быть применён зонально (твэл разбивается на зоны, в пределах каждой из которых используются таблетки с топливом одинакового обогащения, а величины обогащений в зонах отличаются), или даже непрерывно (когда обогащение топлива во всех таблетках медленно повышается на некоторую небольшую величину по мере удаления места расположения таблеток от середины твэла).
Принципиально можно рассчитать (и осуществить) такое наполнение твэлов топливными таблетками различного обогащения и добиться при этом значительного снижения коэффициента неравномерности по высоте активной зоны (до kH » 1.06 ¸ 1.07).
Однако в ТВС реакторов АЭС этого не делается, и не только потому, что такое выравнивание нейтронного поля по высоте активной зоны сложно рассчитать, а технология изготовления твэлов с переменным обогащением топлива оказывается усложнённой, а потому и более дорогостоящей. Такой приём оказывается эффективным только на непродолжительный период начала кампании активной зоны, а далее достигнутый уровень высотной равномерности неизбежно снижается, порождая попутно ещё одну трудноразрешимую проблему - неодинаковости глубины выгорания топлива в объёме активной зоны.
Метод вариации обогащением топлива используется в реакторах АЭС для выравнивания нейтронного поля по радиусу активных зон. Реализуется он не в полную силу своих возможностей, а лишь частично: активная зона разбивается на две или три зоны - центральную (примерно круговую), ТВС которой имеют одинаковое обогащение топлива пониженной величины, и периферийную (или промежуточную и периферийную) кольцевую зону с одинаковым обогащением топлива повышенной величины в её ТВС (см.рис.9.11).
Физический механизм радиального выравнивания нейтронного поля в активной зоне тот же, что и по высоте её. Этот метод начальной загрузки активной зоны тепловыделяющими сборками различного обогащения компромиссно позволяет и достигнуть на довольно протяженный отрезок кампании активной зоны хороших значений коэффициента радиальной неравномерности (kR » 1.25 ¸ 1.3), и получить приемлемую глубину выгорания топлива.
П С Ц С П
Рис.9.11. Схематическое разбиение объема активной зоны реактора на центральную (Ц), среднюю (С) и периферийную (П) зоны одинаковых обогащений ядерного топлива в ТВС каждой из них.
Отголосок рассмотренного метода выравнивания нейтронного поля по радиусу активной зоны находит реализацию на АЭС в методе частичных перегрузок, который заключается в том, что при частичных перегрузках активной зоны реактора сильно выгоревшие ТВС из центральной части активной зоны при перегрузке удаляются; на их место перемещаются менее выгоревшие ТВС из зоны, более удалённой от центра; на их место перемещаются наименее выгоревшие ТВС с периферии активной зоны.
Метод позволяет достичь значительных глубин выгорания топлива, а величина коэффициента радиальной неравномерности нейтронного поля в активной зоне в процессе кампании изменяется в приемлемых пределах.
Особенно эффективен этот метод в режиме непрерывных перегрузок в реакторе РБМК, который изначально рассчитывался на работу именно в таком режиме. В РБМК-1000 конструктивно обеспечено дистанционное извлечение тепловыделяющих сборок даже при работе реактора на полной мощности. Вот почему непрерывное (3-4 кассеты в сутки) перемещение кассет от периферии к центральной части активной зоны позволяет создать практически равномерное на большей части радиуса активной зоны распределение плотности потока тепловых нейтронов (так называемая "зона плато") и снизить величину коэффициента радиальной неравномерности до величины 1.05 – 1.06 при глубине выгорания 21 ГВт . сут / т.
б) Вторая группа конструктивных мер по выравниванию нейтронного поля в активной зоне объединяется общей идеей, которую коротко можно назвать как рациональное размещение поглотителей в объёме активной зоны.
Самая большая в активной зоне – радиальная неравномерность нейтронного поля может быть существенно снижена путём размещения больших количеств поглотителей в центральной части активной зоны, а меньших количеств их (лучше - полное их отсутствие) – на периферии активной зоны. Принцип прост: чем больше поглотителей находится в какой-то области объёма активной зоны, тем меньше плотность потока тепловых нейтронов в этой области. В идеале можно рассчитать такое распределение количеств поглотителя по ТВС, расположенных на разных радиусах активной зоны, которое обеспечит практически полное выравнивание радиального поля тепловых нейтронов. Но не все то, что кажется идеальным теоретически, годится для практического использования. В реакторах АЭС этот приём используется частично: в активных зонах выделяются ступенчатые радиальные области с различным количеством поглотителя в ТВС этих областей, в пределах же каждой из этих областей количества поглотителя в ТВС выдерживается одинаковым.
Это связано с двумя основными причинами. Во-первых, вариации количеством поглотителя (как и метод вариаций величиной обогащения топлива) дают выигрыш лишь на относительно небольшой период кампании активной зоны, а, во-вторых, применение больших количеств поглотителя ухудшает размножающие свойства активной зоны (за счет уменьшения q).
Стоит особо отметить частный случай выравнивания распределения плотности потока тепловых нейтронов с помощью поглотителей по радиусу отдельной тепловыделяющей сборки. Применение выгорающих поглотителей (ВП) в энергетических ВВР не является чем-то новым, они давно используются в реакторах морских атомоходов. В реакторах АЭС их стали применять позже: отчасти потому, что радиальная неравномерность в ТВС была сравнительно небольшой, а более - из-за укоренившегося мнения, что использование в активной зоне поглотителей вообще (кроме самых необходимых для регулирования реактора) является мерой неэкономичной. По мере накопления конструкторского и эксплуатационного опыта появлялись новые критерии оценки безопасности активных зон, заставившие по-новому отнестись к использованию ВП и в реакторах АЭС. Однако и вначале было ясно: коль скоро присутствие в активной зоне ВП ухудшает размножающие свойства активной зоны, надо из этого присутствия извлекать максимальную пользу, поставив дело так, чтобы помимо основного функционального назначения стержни с ВП служили цели максимального выравнивания нейтронного поля активной зоны в целом и в каждой её ТВС. В отдельной ТВС с помощью стержней с ВП можно выравнивать поле тепловых нейтронов как по радиусу, так и по высоте.
Выравнивание радиальной составляющей нейтронного поля в ТВС кожухового типа реализуется размещением стержней с ВП на периферии ТВС, то есть в той её области, где локальные плотности потока тепловых нейтронов (из-за внутреннего блок-эффекта ТВС) имеют наибольшие величины; этим достигается некоторое снижение максимального значения Ф(r) по радиусу ТВС, а, значит, и снижение величины коэффициента kr.
Выравнивание вертикальной составляющей нейтронного поля в ТВС может быть достигнуто путём неодинакового заполнения каждого из стержней с ВП поглощающим материалом по высоте: для уменьшения плотности потока тепловых нейтронов в центральной части его длины в стержень помещается большее количество выгорающего поглотителя; выше и ниже этой зоны располагаются зоны с пониженной концентрацией выгорающего поглотителя, которой добиваются путём его разбавления ядрами замедлителя (например, оксидом бериллия - ВеО), периферийные части длины стержня с ВП оставляются вообще без выгорающего поглотителя (либо заполняются замедлителем, либо вообще стержень с ВП делается укороченным). Эффект выравнивания распределения Ф(z) по длине стержня с ВП влечёт за собой выравнивание Ф(z) и по длине твэлов, расположенных вблизи этого стержня.
Частной разновидностью метода выравнивания нейтронного поля путём рационального размещения поглотителей является группирование (или секционирование) подвижных поглотителей, то есть разделение их на группы (секции), каждая из которых перемещается по высоте синхронно (своим отдельным сервоприводом или согласной работой всех приводов группы). Понятно, что поглотители каждой автономной группы должны располагаться в активной зоне равноудалённо от оси симметрии её и равномерно по азимуту: в этом случае в активной зоне будут наименьшими и радиальная и азимутальная неравномерности). Секционирование поглотителей СУЗ даёт возможность в процессе использования по прямому функциональному назначению добиваться некоторого выравнивания нейтронного поля по радиусу активной зоны путём извлечения из активной зоны вначале периферийных групп поглотителей, затем поглотителей средних групп, и лишь в последнюю очередь - поглотителей центральных групп.
Одной из главных задач, решаемых оператором реакторной установки, является постоянное поддержание высокой степени равномерности поля тепловых нейтронов в активной зоне реактора: от этого зависит мощность установки и её экономичность. Но не следует думать, что возможности по выравниванию нейтронного поля в реакторе в процессе его работы безграничны и так просты, как это может показаться. Произвольные перемещения поглотителей в активной зоне с целью выравнивания поля иногда могут не только стать причиной больших перекосов, но и стать источником ядерной опасности. К этому вопросу нам ещё предстоит вернуться.
Вообще говоря, способов выравнивания нейтронного поля в активных зонах энергетических реакторов (теоретических и апробированных) более полутора десятков; все они имеют свои особенности, определяемые обилием конструкций активных зон, их тепловыделяющих сборок и твэлов. Здесь были рассмотрены лишь те из них, которые либо уже используются в реакторах отечественных АЭС, либо являются перспективными для них.
Краткие выводы
1. Для повышения эффективности использования тепловых нейтронов в энергетическом реакторе служит отражатель, который в силу хороших замедляющих свойств интенсивно трансформирует утекающие из активной зоны эпитепловые нейтроны в тепловые, накапливает их в себе, за счёт чего создает дополнительную преграду утекающим из активной зоны тепловым нейтронам и повышает величину вероятности избежания утечки тепловых нейтронов pт.
2. Использование отражателя уменьшает критические полуразмеры активной зоны реактора на величину эффективной добавки dэ, значение которой определяется диффузионными свойствами самой активной зоны и отражателя, а также толщиной отражателя. Эффективная толщина отражателя из заданного материала приблизительно равна двум длинам диффузии в этом материале.
3. Зависимости геометрического параметра и распределения плотности потока тепловых нейтронов в гомогенной активной зоне реактора с отражателем - формально те же, что и в критической активной зоне без отражателя, но в их выражениях роль длины линейной экстраполяции d играет величина эффективной добавки dэ. Иначе говоря, и в гетерогенной активной зоне цилиндрического реактора с отражателем распределения плотности потока тепловых нейтронов по высоте и радиусу активной зоны подчиняются соответственно законам косинуса и функции Бесселя первого рода нулевого порядка (для вещественного аргумента).
4. Общие закономерности в распределении плотности потока тепловых нейтронов в объёме гетерогенной цилиндрической активной зоны с отражателем сохраняются те же, что и в гомогенной активной зоне. Частные отклонения от косинусоидально-бесселевского распределения плотности потока тепловых нейтронов в гетерогенном реакторе обусловлены либо блок-эффектами (внутренним и внешним), либо различиями в ячейках активной зоны из-за неравномерности распределения топлива, поглощающих и замедляющих материалов в объеме активной зоны.
5. Неравномерность нейтронного поля в активной зоне реактора оценивается величинами коэффициентов неравномерности - по радиусу, высоте, азимуту активной зоны, радиусу отдельных ТВС и по объёму активной зоны - каждый из которых представляет собой число, показывающее, во сколько раз наибольшая плотность потока тепловых нейтронов больше среднего её значения по соответствующему аргументу.
6. Самая большая неравномерность в цилиндрической активной зоне с одинаковыми ТВС - радиальная, вторая по величине - вертикальная неравномерность. Таким образом, если не принимать мер по выравниванию нейтронного поля, в активной зоне с размерами реальных реакторов АЭС была бы более чем трёхкратная неравномерность. Практически это значит, что такой реактор вырабатывал бы не более трети своей потенциально-возможной мощности.
7. Выравнивание нейтронного поля в реакторах АЭС (иначе называемое физическим профилированием активной зоны) достигается путём:
- вариаций величиной обогащения ядерного топлива;
- рационального размещения поглотителей в объёме активной зоны;
- частичных и непрерывных перегрузок топлива.