Главная >> Лекции по ядерной физике >> Условные составляющие ТЭР и ТКР

10.4.2. Условия преимущественного проявления ПТЭР и ЯТЭР в энергетических реакторах

Несмотря на замечание о невозможности раздельного проявления ПТЭР и ЯТЭР, в практике эксплуатации РУ могут иногда созда­ваться условия, в которых составляющие ТЭР проявляются если и не в чи­стом виде, то, по крайней мере, преимущественно.

Для того, чтобы понять, о чём идет речь, надо вначале чётко себе представить, что в ВВР плотностная составляющая ТЭР практически цели­ком определяется присутствием в активной зоне воды (остальные материалы активной зоны - твердые; величины температурных коэффициентов объ­ёмного расширения их, по крайней мере, на два порядка величины меньше, чем у воды; поэтому температурное уменьшение плотности всех материалов активной зоны, кроме воды, столь мало, что может вообще не приниматься во внимание). Более того, ядерная составляющая ТЭР от воды очень мала: микросечение поглощения воды на три порядка величины меньше, чем  микросечение поглощения ²³⁵U (0.66 и 680.9 барн соответственно); следовательно, при одинаковом разогреве топлива и воды в активной зоне ВВР вклад воды в температурное изменение  поглощающей способности всей активной зоны останется примерно на три порядка меньшим, чем вклад одного ²³⁵U;  а если учесть, что в работающем энергетическом реакторе топливо изменяет температуру в существенно больших пределах, чем вода, то в действительных условиях  вклад воды в ядерную составляющую ТЭР будет ещё меньшим, чем при одинаковом нагреве воды и топлива. Cечения погло­щения водой быстрых и резонансных нейтронов от температуры не зависят, как почти не зависят и величины микросечений рассеяния.
 
Вот и получается, что плотностной ТЭР в ВВР практически полностью обязан присутствию в активной зоне и отражателе реактора воды. Это ка­сается не только реакторов типа ВВЭР, но и реактора РБМК-1ООО.

Ядерный температурный эффект реактивности, наоборот, в силу ука­занных причин связан, главным образом, с наличием в активной зоне топ­лива: температурное изменение поглощающей способности активной зоны по отношению к тепловым нейтронам более всего определяется температурным изменением микросечений поглощения ²³⁵U, ²³⁹Pu и некоторыми сильно по­глощающими тепловые нейтроны продуктами деления (¹³⁵Xe, ¹⁴⁹Sm), кото­рые удерживаются внутри твэлов, то есть вместе с топливом; эффективные микросечения захвата ураном-238 резонансных нейтронов тоже определяют­ся величиной температуры топлива, и не связаны с температурой воды.

Поэтому в процессе медленного разогрева реактора (со скоростью ме­нее 10^оС/час) от постороннего источника тепла, когда средняя темпера­ратура топлива практически следует "градус в градус" за медленно нара­стающей средней температурой теплоносителя, а реактор поддерживается в состоянии критичности на МКУМ (минимально-контролируемом уровне мощно­сти, имеющем порядок 10^-4 ¸10^-3 % от номинальной мощности реактора), - в таких условиях измеренная величина температурного эффекта реактивности реактора при любой средней температуре активной зоны (вплоть до мини­мальной температуры рабочего диапазона) будет определяться преимущест­венно плотностной составляющей ТЭР. (Забегая вперед, следует отметить, что методика экспериментального определения температурного коэффициен­та реактивности теплоносителя перед вводом реактора в кампанию основа­на на создании именно таких условий для физических измерений).

При изменениях уровня мощности разогретого до номинальной средней температуры теплоносителя реактора (типа ВВЭР), наоборот, практически в "чистом" виде имеет место проявление ядерного температурного эффекта реактивности: так как средняя температура теплоносителя при изменениях уровня мощности реактора почти не изменяется (или изменяется очень незначи­тельно), то температурное изменение плотности воды - практически нуле­вое, а это значит, что нулевым будет и плотностное изменение реактив­ности реактора, а температурное изменение реактивности реактора будет целиком определяться изменением величины ядерного ТЭР, которое проис­ходит вследствие изменений средней температуры топлива в твэлах с из­менением тепловой мощности реактора (так как средний температурный на­пор между топливом твэлов и ядром потока омывающего их теплоносителя прямо-пропорционален тепловой мощности реактора).

Отсюда следует, между прочим, немаловажный для оператора РУ вывод:
Величины ядерного ТКР, измеренные экспериментально у конкретного  реактора на различных уровнях его тепловой мощности даже при оди- наковой средней температуре теплоносителя, будут неодинаковыми.

Объясняется это просто: во-первых, каждому уровню тепловой мощно­сти реактора даже при постоянном расходе теплоносителя и даже при пос­тоянной средней температуре теплоносителя соответствует своя средняя температура топлива в его твэлах; во-вторых, даже при одинаковой тем­пературе во всех точках твэла различные компоненты топливной смеси по­-разному изменяют с каждым градусом изменения температуры величины мик­росечений поглощения (²³⁵U и ²³⁹Pu, в отличие от ²³⁸U и иных компонен­тов топливной композиции, не подчиняются закону "1/v" и отклоняются от этого закона в разные стороны и в неодинаковой степени, вследствие че­го величина константы η₅₉ c ростом температуры топлива уменьшается все более и более резко); в третьих, Доплер-эффект с возрастанием темпера­туры топлива влияет на величину вероятности избежания резонансного за­хвата φ все более и более сильно, и характер этого влияния также нелинейный.

Второй вывод тоже не из приятных:
Величина ядерного ТКР (а, значит, и общего ТКР реактора) изменяется в   процессе кампании его активной зоны.
Все сказанное, вместе с обоснованным опасением, как бы столь важ­ная характеристика реактора, как отрицательный ядерный ТКР (основа общего отрицательного ТКР реактора = основа устойчивости работы реактора на мощности), случайно не "выскочила" за пределы, гарантирующие устой­чивость реактора, вынуждает эксплуатационников:
- регулярно проводить физические измерения с целью проверки дей­ствительной величины отрицательного ТКР реактора на данный момент кам­пании активной зоны;
- искать новые корректные методики экспериментального определения величины ТКР в рабочих условиях (поскольку, как увидим дальше, сущест­вующие методики далеки от совершенства).

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ: