Энергетический реактор, хотя и может служить объектом для академических рассуждений по поводу некоторых его нейтронно-физических характеристик, создаётся для более утилитарной цели - получения энергии.
Поэтому, хотя людям, эксплуатирующим реактор на АЭС, вообще говоря, небезразличны теоретические головоломки, служащие "предметом трепетных волнений" для теоретиков и проектантов, степень интереса у них к теории совсем не та, что у проектантов. Добровольный интерес эксплуатационника к теории обусловлен не только естественным желанием глубокой эрудиции; он подогревается и стремлением проникнуть в замыслы создателей эксплуатируемого им реактора для того, чтобы найти в них ответы на естественные вопросы типа: почему это сделано так, а не иначе ?
И все же эксплуатационник - не теоретик и не проектант, его назначение состоит совсем в другом, и в процессе своей работы он обязан думать о других, более практических, вещах, связанных с безопасностью реактора, эффективностью режимов его использования, параметрах, характеристиках и т.п.; чем меньшим числом устойчивых в процессе кампании рабочих характеристик обеспечивается безопасная эксплуатация реактора, тем проще работа оператора РУ, поскольку устойчивые (т.е. неизменяющиеся в процессе эксплуатации) характеристики не требуют постоянного контроля. В соответствии с известным философским принципом Оккама: не изобретай лишних сущностей, если можно обойтись без них.
Но вернемся к температурному эффекту реактивности. Если есть такой феномен, если он так важен, и никуда от него не уйти, давайте размышлять: когда он возникает и когда он важен?
Во-первых, ТЭР важен не столько при разогреве реактора (хотя и это нельзя игнорировать), сколько при работе реактора в энергетических режимах (на разных уровнях мощности). Во-вторых, важные для дела температурные изменения реактивности в работающем реакторе, по сути дела, и возникают при изменениях уровня мощности реактора. Поэтому для эксплуатационника было бы вполне достаточным (и намного более простым) иметь только одну характеристику: зависимость реактивности от тепловой мощности ρN = f (Np).
Аналогично определению температурного эффекта реактивности:
Мощностной эффект реактивности реактора на данном уровне его тепловой мощности Np - это изменение реактивности реактора при подъёме его тепловой мощности от О (от МКУМ) до данного уровня.
И аналогично определению температурного коэффициента реактивности:
Мощностной коэффициент реактивности реактора на данном уровне тепловой мощности Np - это изменение реактивности реактора при подъёме его тепловой мощности на 1 МВт сверх данного ее уровня.
Такие характеристики есть, они обозначаются соответственно ρN(Np) и αN(Np), измеряются соответственно в % и в %/°C, взаимосвязаны между собой зависимостями, аналогичными взаимосвязям ТЭР и ТКР:
Поэтому, хотя людям, эксплуатирующим реактор на АЭС, вообще говоря, небезразличны теоретические головоломки, служащие "предметом трепетных волнений" для теоретиков и проектантов, степень интереса у них к теории совсем не та, что у проектантов. Добровольный интерес эксплуатационника к теории обусловлен не только естественным желанием глубокой эрудиции; он подогревается и стремлением проникнуть в замыслы создателей эксплуатируемого им реактора для того, чтобы найти в них ответы на естественные вопросы типа: почему это сделано так, а не иначе ?
И все же эксплуатационник - не теоретик и не проектант, его назначение состоит совсем в другом, и в процессе своей работы он обязан думать о других, более практических, вещах, связанных с безопасностью реактора, эффективностью режимов его использования, параметрах, характеристиках и т.п.; чем меньшим числом устойчивых в процессе кампании рабочих характеристик обеспечивается безопасная эксплуатация реактора, тем проще работа оператора РУ, поскольку устойчивые (т.е. неизменяющиеся в процессе эксплуатации) характеристики не требуют постоянного контроля. В соответствии с известным философским принципом Оккама: не изобретай лишних сущностей, если можно обойтись без них.
Но вернемся к температурному эффекту реактивности. Если есть такой феномен, если он так важен, и никуда от него не уйти, давайте размышлять: когда он возникает и когда он важен?
Во-первых, ТЭР важен не столько при разогреве реактора (хотя и это нельзя игнорировать), сколько при работе реактора в энергетических режимах (на разных уровнях мощности). Во-вторых, важные для дела температурные изменения реактивности в работающем реакторе, по сути дела, и возникают при изменениях уровня мощности реактора. Поэтому для эксплуатационника было бы вполне достаточным (и намного более простым) иметь только одну характеристику: зависимость реактивности от тепловой мощности ρN = f (Np).
Аналогично определению температурного эффекта реактивности:
Мощностной эффект реактивности реактора на данном уровне его тепловой мощности Np - это изменение реактивности реактора при подъёме его тепловой мощности от О (от МКУМ) до данного уровня.
И аналогично определению температурного коэффициента реактивности:
Мощностной коэффициент реактивности реактора на данном уровне тепловой мощности Np - это изменение реактивности реактора при подъёме его тепловой мощности на 1 МВт сверх данного ее уровня.
Такие характеристики есть, они обозначаются соответственно ρN(Np) и αN(Np), измеряются соответственно в % и в %/°C, взаимосвязаны между собой зависимостями, аналогичными взаимосвязям ТЭР и ТКР:
Изображение
Все хорошо: есть возможность просто считать и учитывать изменения реактивности в зависимости от более практичной величины - мощности реактора, - а о чисто температурных изменениях реактивности эксплуатационнику можно было бы и забыть, потому что быстрый мощностной эффект (коэффициент) реактивности - более ёмкое понятие, чем ТЭР (ТКР), потому что МЭР (МКР) включает в себя все связанные с изменениями мощности эффекты реактивности реактора, в том числе и температурные эффекты: и плотностной ТЭР (ТКР), обусловленный водой в активной зоне, и небольшие составляющие ядерного ТЭР (ТКР), связанные с замедлителем и теплоносителем, и главную составляющую ядерного ТЭР, связанную с топливом. Попутно можно было бы забыть о том, какая температура активной зоны является определяющим параметром для температурного эффекта реактивности - средняя по объёму или средневзвешенная, и перестать ломать голову над тем, как ее корректно измерить.
Все хорошо, но только при условии: зависимость среднеэффективной температуры от мощности реактора должна быть однозначной функцией. Чего в действительности, к сожалению, нет:
- во-первых, одна и та же величина тепловой мощности реактора
Np = Gт cp (tтвых - tтвх)
может быть получена при различных комбинациях расходов теплоносителя Gт и подогревов теплоносителя в активной зоне Δtт = tтвых - tтвх, а, значит, в этих комбинациях (учитывая нелинейный характер увеличения температуры теплоносителя по высоте активной зоны) будет меняться даже величина среднеарифметической температуры теплоносителя в активной зоне tтср = 0.5(tтвх + tтвых), не говоря уже о величине среднеэффективной температуры его; но это ещё полбеды: в конце концов энергетический реактор можно эксплуатировать при постоянной величине расхода теплоносителя (оптимальной расчётной величине, гарантирующей теплотехническую надежность активной зоны) - при этом взаимосвязь тепловой мощности со средней температурой теплоносителя однозначна: каждой определенной величине Np соответствует только одно значение Δtт и tтср;
- во-вторых, одна и та же величина тепловой мощности реактора
Np = kтп S (tUср - tтср)
на одной и той же поверхности теплоотдачи твэлов в реакторе S может быть получена при различных комбинациях величины коэффициента теплопередачи kтп от топлива к теплоносителю и величины среднего температурного напора между топливом и ядром потока теплоносителя (Δt = tUср- - tтср; но в этом случае при постоянстве расхода теплоносителя в любом конкретном реакторе каждому определенному уровню тепловой мощности реактора будет соответствовать только одно значение Δt (или только одна тройка определенных значений kтп, tтср и tUср), так как здесь человек бессилен: здесь распоряжается Природа с помощью законов теплотехники;
- в-третьих, величины средних температур топлива и теплоносителя зависят от характера распределения тепловыделения по высоте реактора, а, значит, от характера вертикальной составляющей нейтронного поля активной зоны (а это - очень изменчивая в процессе эксплуатации активной зоны составляющая).
Именно из-за неоднозначности зависимости ρN = f(Np), из-за её изменчивости в различных условиях эксплуатации энергетических реакторов, операторы РУ вынуждены пользоваться в своих физических расчетах и различными составляющими ТЭР (или ТКР). Потребности в выполнении расчётов при различных расходах теплоносителя, при различных средних температурах топлива, замедлителя и теплоносителя, в различные моменты кампании активной зоны диктуют потребность точно знать величины всех составляющих ТЭР (ТКР), а это, в свою очередь, рождает потребность иметь такие составляющие ТЭР (ТКР), которые можно корректно измерять экспериментально в рабочих условиях при эксплуатации реактора, поскольку они изменяются в процессе кампании.
А поскольку общий температурный эффект реактивности реактора, как ни поверни, складывается из составляющих, определяемых каждым материалом активной зоны реактора, а каждый материал в различных условиях эксплуатации может изменять свою температуру в достаточно широких пределах, и изменять её как совместно с температурными изменениями иных материалов, в закономерной связи температурных изменений всех материалов активной зоны (в силу действия законов теплотехники), так и независимо от температурных изменений в других материалах (из-за того, что на естественный процесс работы реактора оказывает различные управленческие воздействия человек), - в силу всего этого в условиях множественной неоднозначности характеристик температурных эффектов эксплуатационнику оказывается проще иметь дело с составляющими ТЭР по материалам активной зоны.
Эти материальные составляющие ТЭР (ТКР) у разных типов реакторов разные, поскольку тип теплового энергетического реактора как раз и определяется совокупностью используемых в нём основных материалов - топлива, замедлителя и теплоносителя.
- во-первых, одна и та же величина тепловой мощности реактора
Np = Gт cp (tтвых - tтвх)
может быть получена при различных комбинациях расходов теплоносителя Gт и подогревов теплоносителя в активной зоне Δtт = tтвых - tтвх, а, значит, в этих комбинациях (учитывая нелинейный характер увеличения температуры теплоносителя по высоте активной зоны) будет меняться даже величина среднеарифметической температуры теплоносителя в активной зоне tтср = 0.5(tтвх + tтвых), не говоря уже о величине среднеэффективной температуры его; но это ещё полбеды: в конце концов энергетический реактор можно эксплуатировать при постоянной величине расхода теплоносителя (оптимальной расчётной величине, гарантирующей теплотехническую надежность активной зоны) - при этом взаимосвязь тепловой мощности со средней температурой теплоносителя однозначна: каждой определенной величине Np соответствует только одно значение Δtт и tтср;
- во-вторых, одна и та же величина тепловой мощности реактора
Np = kтп S (tUср - tтср)
на одной и той же поверхности теплоотдачи твэлов в реакторе S может быть получена при различных комбинациях величины коэффициента теплопередачи kтп от топлива к теплоносителю и величины среднего температурного напора между топливом и ядром потока теплоносителя (Δt = tUср- - tтср; но в этом случае при постоянстве расхода теплоносителя в любом конкретном реакторе каждому определенному уровню тепловой мощности реактора будет соответствовать только одно значение Δt (или только одна тройка определенных значений kтп, tтср и tUср), так как здесь человек бессилен: здесь распоряжается Природа с помощью законов теплотехники;
- в-третьих, величины средних температур топлива и теплоносителя зависят от характера распределения тепловыделения по высоте реактора, а, значит, от характера вертикальной составляющей нейтронного поля активной зоны (а это - очень изменчивая в процессе эксплуатации активной зоны составляющая).
Именно из-за неоднозначности зависимости ρN = f(Np), из-за её изменчивости в различных условиях эксплуатации энергетических реакторов, операторы РУ вынуждены пользоваться в своих физических расчетах и различными составляющими ТЭР (или ТКР). Потребности в выполнении расчётов при различных расходах теплоносителя, при различных средних температурах топлива, замедлителя и теплоносителя, в различные моменты кампании активной зоны диктуют потребность точно знать величины всех составляющих ТЭР (ТКР), а это, в свою очередь, рождает потребность иметь такие составляющие ТЭР (ТКР), которые можно корректно измерять экспериментально в рабочих условиях при эксплуатации реактора, поскольку они изменяются в процессе кампании.
А поскольку общий температурный эффект реактивности реактора, как ни поверни, складывается из составляющих, определяемых каждым материалом активной зоны реактора, а каждый материал в различных условиях эксплуатации может изменять свою температуру в достаточно широких пределах, и изменять её как совместно с температурными изменениями иных материалов, в закономерной связи температурных изменений всех материалов активной зоны (в силу действия законов теплотехники), так и независимо от температурных изменений в других материалах (из-за того, что на естественный процесс работы реактора оказывает различные управленческие воздействия человек), - в силу всего этого в условиях множественной неоднозначности характеристик температурных эффектов эксплуатационнику оказывается проще иметь дело с составляющими ТЭР по материалам активной зоны.
Эти материальные составляющие ТЭР (ТКР) у разных типов реакторов разные, поскольку тип теплового энергетического реактора как раз и определяется совокупностью используемых в нём основных материалов - топлива, замедлителя и теплоносителя.