Реактивность реактора

    Состояние работающего реактора характеризуется коэффициентом размножения k в активной зоне. Вместо k для описания поведения реактора часто используется другая величина – реактивность ρ:

ρ = (k – 1)k. (1)

    Очевидно, что при ρ < 0 реакция гаснет, при ρ = 0 идет стационарный процесс, а при ρ > 0 интенсивность реакции нарастает. При стационарной работе реактора реактивность постепенно падает за счет отравления активной зоны осколками деления. Из этих осколков особенно вредны сильно поглощающие нейтроны изотопы ксенона 135Хе и самария 149Sm. Например, для 135Хе сечение поглощения тепловых нейтронов равно 3.106 барн. Поэтому для обеспечения длительной непрерывной работы реактора без смены горючего необходимо, чтобы он имел начальный запас реактивности. Запасом реактивности называется реактивность (конечно, расчетная) реактора при полностью выведенных регулирующих стержнях. Начальный запас реактивности компенсируется вставленными стержнями, которые по мере “отравления” активной зоны осколками постепенно выводятся из активной зоны. Для ориентировки укажем, что в реакторе первой АЭС запас реактивности составлял 0.13, что соответствует значению k = 1.15.
    Для нормальной работы реактора значение реактивности в нем необходимо поддерживать с точностью от 10-5 до 10-7 в зависимости от типа реактора. Следует учитывать, что реактивность зависит от мощности, т. е. от интенсивности протекания цепной реакции. Эта зависимость носит характер обратной связи, так как изменение интенсивности само зависит от реактивности. Эта обратная связь определяется многими причинами и может быть как отрицательной, так и положительной. Для эксплуатации реактора удобна отрицательная обратная связь, при которой случайно возникшее возрастание мощности реактора уменьшает реактивность, что способствует возвращению мощности к исходному уровню. Имеются, однако, и реакторы с положительной обратной связью, в которых случайно возникшее увеличение мощности стремится само себя усилить. Таков, например, уже упоминавшийся нами реактор первой АЭС. При положительной обратной связи приходится непрерывно следить не только за первой, но и за второй производной мощности по времени.

Реактивность
Рис. 1. Зависимость реактивности реактора от времени для различных потоков нейтронов J. Отчет времени начинается с момента остановки реактора

    В реакторах с высоким значением потока тепловых нейтронов (свыше 1013 на см2 в секунду) реактивность заметно спадает после остановки реактора и восстанавливается лишь через несколько десятков часов. На рис. 1 приведена зависимость реактивности от времени после остановки реактора для нескольких значений потока тепловых нейтронов. Это явление называется “йодной ямой”. Механизм йодной ямы таков. При делении 235U или 239Pu медленными нейтронами с вероятностью 6% получается осколок 135Те (теллур), который через 0.5 мин путем β-распада превращается в изотоп иода 135I. Этот изотоп тоже β-активен, но период его полураспада уже равен 6.7 ч. Продуктом распада 135I является изотоп ксенона 135Xe, уже упоминавшийся в начале как сильнейший поглотитель тепловых нейтронов. Изотоп 135Xe в свою очередь претерпевает β-распад c периодом 9.2 ч и превращается в практически стабильный изотоп цезия 135Сs. Период полураспада изотопа 135Сs равен двум миллионам лет (продукт – стабильный изотоп бария 135Ва). Из всей этой цепи распадов нам важен лишь отрезок

.

В работающем с постоянной мощностью реакторе устанавливается определенная равновесная концентрация ядер 135Хе. При больших потоках тепловых нейтронов эта равновесная концентрация мала из-за убыли 135Хе в результате поглощения нейтронов. Интенсивность поглощения пропорциональна потоку нейтронов. При остановке реактора поглощение превращается, а накопившийся в реакторе изотоп 135I продолжает распадаться. В результате количество 135Хе начинает расти (см. закон радиоактивного распада) до тех пор, пока не распадается заметная доля иода. Это приводит к временному снижению реактивности реактора. При ограниченном запасе реактивности из-за йодной ямы реактор не удается запускать вскоре после остановки. Например, при запасе реактивности 0.1 и потоке медленных нейтронов 1014 частиц в секунду на см2 через полчаса после остановки реактор нельзя запустить в течение полутора суток.


На головную страницу

Рейтинг@Mail.ru

13.05.2014