Реактивность реактора

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

    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.

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.

13.06.2018