Отражатель теплового реактора

Тема 9

КРИТИЧЕСКИЕ РАЗМЕРЫ И НЕЙТРОННОЕ ПОЛЕ В РЕАКТОРЕ

С ОТРАЖАТЕЛЕМ

До сих пор, когда разговор шёл о геометрическом параметре и нейтронном поле в цилиндрическом гомогенном тепловом реакторе, речь велась скорее о модели реального реактора, модели идеальной, гипотетической, ибо трудно представить что-либо более нереальное, чем "голенький" цилиндр гомогенной размножающей среды, висящий в вакууме.

Так в действительности не бывает. Не можем мы позволить тепловым нейтронам, столь трудно генерируемым в активной зоне, беспрепятственно утекать и навсегда теряться вне её, зная, что они могли бы "поработать созидательно", вызвав дополнительные деления ядер топлива.

Что же делать? - спросите вы, - ведь нейтроны - электронейтральные частицы, поэтому даже толстый слой вещества для них - не препятствие; если же окружить активную зону слоем сильного поглотителя, то последний поглотит утекающие тепловые нейтроны, уменьшив тем самым плотность их в месте поглощения вблизи активной зоны настолько, что величина градиента плотности тепловых нейтронов на границе активной зоны с окружающим её поглотителем возрастёт, из-за чего возрастёт и скорость утечки нейтронов из активной зоны.

Следовательно, окружение активной зоны поглощающим материалом уменьшения утечки тепловых нейтронов из реактора не даёт; надо придумывать что-то другое.

Это "другое" в энергетических реакторах реализовано в виде принципиально особого конструктивного узла, называемого отражателем.

Отражатель теплового реактора

9.1.1. Назначение. Отражателем реактора называется окружающая его активную зону особая среда, которая в силу своих хороших замедляющих свойств позволяет:

- уменьшить утечку тепловых нейтронов из активной зоны;

- уменьшить критические размеры активной зоны и

- несколько выровнять поле тепловых нейтронов в активной зоне.

Из сказанного вытекает не только функциональное назначение отражателя, но и главное требование к его материалу: он должен быть хорошим замедлителем нейтронов, то есть обладать достаточно большим значением замедляющей способности (xS_s) и как можно более низким значением макросечения поглощения замедляющихся и тепловых нейтронов (S_a).

9.1.2. Физический механизм действия отражателя. Предположим, что гомогенная цилиндрическая активная зона определённого состава в вакууме характеризуется экстраполированными критическими размерами Н' и D'. Эти размеры мало отличаются от реальных критических размеров активной зоны в вакууме, так как длина линейной экстраполяции d в реальных энергетических реакторах очень мала по сравнению с размерами реактора (в уран-водных системах d » 1 см).

Из этой критической активной зоны в вакуум происходит утечка тепловых и замедляющихся (эпитепловых) нейтронов: эпитепловых - в большей степени, тепловых - в меньшей, в силу того, что все вещества активной зоны обладают намного большими величинами сечений поглощения по отношению к тепловым нейтронам, чем по отношению к эпитепловым; кроме того, эпитепловые нейтроны обладают намного большими скоростями, чем тепловые. Одним словом, возможности для утечки из активной зоны у эпитепловых нейтронов несравненно большие, чем у тепловых.

А теперь вообразим, что эту активную зону из вакуума мы переносим в большой объём хорошего замедлителя (например, воды). Что произойдет?

Все утекающие из активной зоны эпитепловые нейтроны, попадая в среду чистого замедлителя, замедляются более интенсивно, чем ранее в среде активной зоны (имеющей меньшее количество замедлителя и, к тому же, нашпигованной резонансными захватчиками нейтронов). Это означает, что в окружающем активную зону замедлителе (вблизи её границ) идёт интенсивный процесс замедления утекающих из активной зоны эпитепловых нейтронов. А так как замедлитель является плохим поглотителем тепловых нейтронов, образующиеся в замедлителе вне активной зоны тепловые нейтроны слабо поглощаются в нём, из-за чего в месте их образования они вынуждены накапливаться. Это накопление выглядит как увеличение величины плотности тепловых нейтронов n (или их плотности потока Ф) в распределении n(r) или Ф(r) по толщине отражателя. Максимальное значение плотности потока тепловых нейтронов в области "всплеска" определяется балансом скоростей генерации, поглощения и утечки тепловых нейтронов в этой области.

Но так как величина плотности потока тепловых нейтронов в области "всплеска" больше, чем величина Ф на границе активной зоны и отражателя, то процесс диффузии тепловых нейтронов из этой области (в соответствии с законом Фика) пойдет в двух направлениях: часть тепловых нейтронов из зоны левого (ближнего к активной зоне) крыла "всплеска" будут диффундировать к границе активной зоны, а вторая часть из зоны правого крыла "всплеска" - в противоположном направлении, в наружные слои отражателя (рис.9.1).

Отражатель

Контур критической а.з. без отражателя в вакууме

d_э

Ф(r) Н^¢ = Н_аз + 2d_э

r Н_аз

Контур реальной критической

а.з. в окружении бесконечно

d_э толстого отражателя

d_э

R_аз

R^¢ = R_аз + d_э

Рис.9.1.К пояснению физического механизма работы отражателя.

Диффундирующие в отражателе к границе активной зоны тепловые нейтроны добавляются к тепловым нейтронам, которые покинули активную зону, и увеличивают значение плотности тепловых нейтронов в отражателе, в области непосредственной близости к активной зоне (включая и границу) сравнительно с тем значением, которое было без отражателя. И так как граничное значение плотности потока тепловых нейтронов становится выше, чем было без отражателя, это влечёт за собой уменьшение градиента плотности потока тепловых нейтронов на границе активной зоны, а значит – и плотности тока утечки тепловых нейтронов из активной зоны, и за счёт этого - увеличивается значение эффективного коэффициента размножения (k_э), и, если активная зона в вакууме была критичной, то после окружения её толстым слоем отражателя она становится надкритичной.

И чтобы сделать её опять критичной, не меняя её состава, путь один - уменьшать её размеры на такую величину d_э, пока она вновь не возвратится в критическое состояние. Поскольку окружение активной зоны отражателем приводит в увеличению плотности потока тепловых нейтронов на границах активной зоны (то есть к увеличению наименьшего значения Ф в активной зоне), это означает, что даже при неизменном максимальном значении Ф (в центре активной зоны) вместе с этим повышаются и средние значения Ф по радиусу и высоте активной зоны, т.е. распределение плотности потока тепловых нейтронов в активной зоне несколько выравнивается, становится более равномерным и по радиусу, и по высоте.

Итак, отражатель - не есть устройство наподобие зеркала, попадая на которое нейтроны отражаются в противоположном направлении; отражатель теплового реактора не отражает нейтроны в изначальном смысле этого слова, а скорее работает как трансформатор утечки эпитепловых нейтронов в тепловые, как накопитель последних для создания барьера, препятствующего утечке тепловых нейтронов, и это происходит в силу закона диффузии тепловых нейтронов. Отражатель не может полностью задержать все утекающие из активной зоны нейтроны, он лишь уменьшает утечку тепловых нейтронов.

Возникает естественный вопрос: а нельзя ли, опираясь на закон Фика, заставить тепловые нейтроны из отражателя двигаться в активную зону, то есть изменить направление утечки, превратив её во «втечку»? Для этого надо, чтобы градиент плотности потока тепловых нейтронов на границе активной зоны имел положительный знак.

В самом деле (рис.9.2а), поскольку вектор плотности тока утечки Iтепловых нейтронов всегда (закон Фика!) противоположен по направлению вектору градиента плотности потока тепловых нейтронов, то, если градиент плотности потока на границе активной зоны с отражателем имеет положительный знак (то есть направлен из активной зоны в отражатель), то направление диффузии тепловых нейтронов при пересечении границы активной зоны будет обратным (то есть в активную зону из отражателя), то есть будет иметь место «втечка» тепловых нейтронов в активную зону из отражателя.

А.з. Отраж. А.з. Отраж. А.з. Отраж.

r r r

а) grad Ф > 0 («втечка») б) grad Ф < 0 (утечка) в) grad Ф = 0 («Слепая диффузия»

Рис.9.2. Три возможные ситуации в распределении плотности потока

тепловых нейтронов на границе активной зоны с отражателем.

Если градиент плотности потока тепловых нейтронов на границе активной зоны с отражателем имеет отрицательный знак (то есть функция Ф(r) при переходе границы убывает), то вектор плотности тока тепловых нейтронов направлен из активной зоны в отражатель, а это значит, что имеет место утечка тепловых нейтронов из активной зоны (рис.9.2б).

Принципиально возможен и третий вариант, когда величина градиента плотности потока тепловых нейтронов на границе активной зоны с отражателем нулевая (рис.9.2в). Это случай так называемой «слепой диффузии», когда количества тепловых нейтронов, пересекающих границу активной зоны в противоположных направлениях, равны, и не имеют места ни утечка, ни втечка тепловых нейтронов; иначе говоря, имеет место нулевая утечка

Какой из этих трёх случаев имеет место в реальных энергетических реакторах АЭС? - Случай (б): окружение реактора отражателем приводит к простому (существенному!) снижению градиента плотности потока тепловых нейтронов на границе активной зоны. Величина максимума "всплеска" плотности потока тепловых нейтронов в от-

ражателе в водо-водяных и в уран-графитовых реакторах значительно меньше величины максимального значения плотности потока тепловых нейтронов в объёме активной зоны реактора (рис.9.3а).

Однако, известен тяжеловодный реактор (с отражателем из той же тяжёлой воды D₂O), у которого максимумы "всплесков" Ф в отражателе выше максимума Ф внутри активной зоны, и градиент плотности потока тепловых нейтронов на границе активной зоны с отражателем имеет положительный знак (рис.9.3б).

а) б)

Рис.9.3.Радиальные распределения плотности потока тепловых нейтронов

в легководном ВВР (а) и в реакторе с тяжеловодным отражателем (б).

У реактора с тяжеловодным отражателем градиент плотности потока тепловых нейтронов на границах активной зоны положителен, а это значит, что работающая активная зона, испытывая утечку эпитепловых нейтронов, непрерывно пополняется тепловыми нейтронами из отражателя.

Ещё раз подчеркнём: в классическом энергетическом тепловом реакторе с легководным или графитовым замедлителем отражатель (который выполняется, как правило, из того же материала, что и основной замедлитель активной зоны) не ликвидирует полностью утечку тепловых нейтронов, а лишь уменьшает её. Поэтому величина вероятности избежания утечки тепловых нейтронов в ВВЭР и РБМК лежит в пределах от 0.990 до 0.996, в то время как вероятности избежания утечки замедляющихся нейтронов в них имеют намного более низкие значения (p_з » 0.88 ¸ 0.92).

И так как утечка тепловых нейтронов в реакторе с отражателем меньше, чем без отражателя, критический реактор с отражателем имеет меньший размер, чем критический реактор того же состава без отражателя.

Эффективная добавка (dэ)

Итак, окружение активной зоны реактора бесконечно-толстым слоем хорошего замедлителя, называемого отражателем, даёт возможность уменьшить критические размеры активной зоны и, тем самым, добиться экономии ядерного топлива и конструкционных материалов.

Поэтому вопрос: намного ли отражатель уменьшает критические размеры активной зоны? - представляет самый практический интерес.

9.2.1. Определение: