Енергетичний ядерний реактор створюється для роботи на розрахунковій (номінальній) потужності протягом досить тривалого часу, що називається кампанією активної зони реактора. Це означає тривіальну істину: протягом усієї кампанії реактор має залишатися критичним. Спробуйте уявити собі, як створюється перший критичний стан реактора: активну зону реактора поступово заповнюють тепловидільними збірками доти, доки в ній не почнеться ланцюгова реакція поділу, що самопідтримується. У цьому випадку кажуть, що в активній зоні набрано першу критичну масу.
Але поставте собі запитання: чи довго зможе працювати реактор з такою кількістю завантаженого палива? Ви без стороннього підказування збагнете: щойно невелика частина завантаженого палива буде витрачена на поділи й на місці ядер, що розділилися, з'являться уламки поділу (а всі вони є різною мірою поглиначами нейтронів), - реактор стане підкритичним і зупиниться.
Виходить, що для тривалої роботи реактора необхідно завантажувати в його активну зону паливо понад критичну його кількість. Але ви вже досить досвідчені й розумієте, що просто так цього робити не можна: щойно ви завантажите в активну зону деяку надкритичну кількість палива й реактору буде повідомлено додатну реактивність величиною bе » 0.0064, - реактор стане некерованим. Тому завантажувати надкритичну кількість палива в реактор слід з одночасним завантаженням в активну зону компенсувальних поглиначів, які тому так і названі, що слугують для компенсації додатної реактивності, яка виникає під час завантаження в активну зону палива понад критичну його кількість. Неважливо, яким буде цей компенсувальний поглинач (рухомі групи стрижнів, нерухомо розміщувані в активній зоні тверді стрижні з вигоральним поглиначем або борна кислота, що додається у воду первинного контуру), але процес завантаження надкритичної кількості палива в активну зону завжди має супроводжуватися синхронним введенням в активну зону відповідних кількостей компенсувальних поглиначів.
Отже, завантаження в активну зону надкритичної кількості ядерного палива призводить до виникнення додатної реактивності, яка одразу ж пригнічується компенсувальними поглиначами.
Загальний запас реактивності реактора - це та величина додатної реактивності, яка створюється за рахунок завантаження в активну зону надкритичної кількості ядерного палива й одночасно нейтралізується введенням в активну зону компенсувальних поглиначів і призначається для забезпечення потрібної кампанії реактора.
Іншими словами, загальний запас реактивності - це та величина додатної реактивності, яка могла б бути вивільнена одразу за подумки здійсненого (тільки подумки !) видалення з активної зони всіх компенсувальних поглиначів.
Загальний запас реактивності реактора потрібен для підтримання реактора в критичному стані під час роботи його на постійному рівні потужності протягом усієї кампанії і для компенсації втрат реактивності реактора в процесі його роботи.
Звісно, якщо уявити, що реактор усю кампанію працює на постійному рівні потужності, то може здатися, що зміни втрат реактивності мають наростати дуже повільним темпом. Проте деякі процеси в реакторі відбуваються, навпаки, дуже швидко й вимагають настільки ж швидких заходів щодо компенсації змін реактивності, що виникають. Отже, у величині загального запасу реактивності має бути така його частина, яка дозволяла б операторові (або системі автоматики) швидко реагувати на будь-які швидкоплинні зміни реактивності реактора й компенсувати їх з метою підтримання критичного режиму роботи реактора на заданому рівні потужності.
Частина загального запасу реактивності, що компенсується самими лише рухомими поглиначами в реакторі, називається оперативним запасом реактивності
Оперативною ця частина загального запасу реактивності названа, по-перше, тому, що вона перебуває в розпорядженні оператора реакторної установки (переміщенням стрижнів-поглиначів в активній зоні займається оператор), а, по-друге, тому, що ці переміщення поглиначів можуть здійснюватися досить швидко (= оперативно), що й забезпечує швидку компенсацію змін реактивності реактора в деяких перехідних процесах.
Величина загального запасу реактивності протягом усієї кампанії активної зони реактора зменшується, але в будь-який момент кампанії вона складається з оперативного запасу реактивності та запасів реактивності, що компенсуються нерухомими (вигоральними) поглиначами й рідким поглиначем (борною кислотою у воді, що міститься в об'ємі активної зони реактора):
rзобщ(t) = rзоп(t) + rзвп(t) + rзж(t) (14.1)
Задумаймося ще над одним питанням, що має дуже важливе практичне значення: добре чи погано мати велику величину оперативного запасу реактивності?
З одного боку, нібито - непогано: великий оперативний запас реактивності дає змогу скомпенсувати великі режимні втрати реактивності в швидкоплинних перехідних процесах (і, навпаки, великі режимні вивільнення реактивності).
З іншого боку, небезпечно: великий (у кілька βе) оперативний запас реактивності, будучи випадково вивільненим унаслідок помилки оператора, призведе... (самі розумієте, до чого). Тому на великий оперативний запас реактивності слід дивитися як на джерело ядерної небезпеки. Погодьтеся, це розумно.
З третього боку, великий оперативний запас реактивності - це велика кількість рухомих поглиначів в активній зоні, переміщення яких у межах активної зони викликає великі зміни нерівномірності нейтронного поля (і поля енерговиділення) в об'ємі активної зони, що врешті-решт вдарить по економічності енергоблока під час кампанії.
З четвертого боку, велика кількість рухомих поглиначів потребує великої кількості й підвищення потужності сервоприводів для їх груп.
Ось чому у вітчизняних реакторах типу ВВЕР запроваджено борне регулювання, що дає змогу величину оперативного запасу реактивності постійно підтримувати в межах, які гарантують ядерну безпеку реактора (у режимах нормальної експлуатації в активну зону частково опущено тільки регулювальну групу з фізичною вагою, меншою за величину bе, решта дев'ять груп поглиначів повністю вилучено з активної зони, решта загального запасу реактивності компенсується вигоральними поглиначами (де вони є) і, головним чином, борною кислотою в теплоносії). До того ж, введення або виведення борної кислоти у воду первинного контуру практично не змінює форму нейтронного поля в реакторі, оскільки вона в об'ємі активної зони розподіляється рівномірно.
Величини і загального, і оперативного запасів реактивності в процесі експлуатації реактора змінюються завдяки змінам втрат реактивності в таких фізичних процесах:
Але поставте собі запитання: чи довго зможе працювати реактор з такою кількістю завантаженого палива? Ви без стороннього підказування збагнете: щойно невелика частина завантаженого палива буде витрачена на поділи й на місці ядер, що розділилися, з'являться уламки поділу (а всі вони є різною мірою поглиначами нейтронів), - реактор стане підкритичним і зупиниться.
Виходить, що для тривалої роботи реактора необхідно завантажувати в його активну зону паливо понад критичну його кількість. Але ви вже досить досвідчені й розумієте, що просто так цього робити не можна: щойно ви завантажите в активну зону деяку надкритичну кількість палива й реактору буде повідомлено додатну реактивність величиною bе » 0.0064, - реактор стане некерованим. Тому завантажувати надкритичну кількість палива в реактор слід з одночасним завантаженням в активну зону компенсувальних поглиначів, які тому так і названі, що слугують для компенсації додатної реактивності, яка виникає під час завантаження в активну зону палива понад критичну його кількість. Неважливо, яким буде цей компенсувальний поглинач (рухомі групи стрижнів, нерухомо розміщувані в активній зоні тверді стрижні з вигоральним поглиначем або борна кислота, що додається у воду первинного контуру), але процес завантаження надкритичної кількості палива в активну зону завжди має супроводжуватися синхронним введенням в активну зону відповідних кількостей компенсувальних поглиначів.
Отже, завантаження в активну зону надкритичної кількості ядерного палива призводить до виникнення додатної реактивності, яка одразу ж пригнічується компенсувальними поглиначами.
Загальний запас реактивності реактора - це та величина додатної реактивності, яка створюється за рахунок завантаження в активну зону надкритичної кількості ядерного палива й одночасно нейтралізується введенням в активну зону компенсувальних поглиначів і призначається для забезпечення потрібної кампанії реактора.
Іншими словами, загальний запас реактивності - це та величина додатної реактивності, яка могла б бути вивільнена одразу за подумки здійсненого (тільки подумки !) видалення з активної зони всіх компенсувальних поглиначів.
Загальний запас реактивності реактора потрібен для підтримання реактора в критичному стані під час роботи його на постійному рівні потужності протягом усієї кампанії і для компенсації втрат реактивності реактора в процесі його роботи.
Звісно, якщо уявити, що реактор усю кампанію працює на постійному рівні потужності, то може здатися, що зміни втрат реактивності мають наростати дуже повільним темпом. Проте деякі процеси в реакторі відбуваються, навпаки, дуже швидко й вимагають настільки ж швидких заходів щодо компенсації змін реактивності, що виникають. Отже, у величині загального запасу реактивності має бути така його частина, яка дозволяла б операторові (або системі автоматики) швидко реагувати на будь-які швидкоплинні зміни реактивності реактора й компенсувати їх з метою підтримання критичного режиму роботи реактора на заданому рівні потужності.
Частина загального запасу реактивності, що компенсується самими лише рухомими поглиначами в реакторі, називається оперативним запасом реактивності
Оперативною ця частина загального запасу реактивності названа, по-перше, тому, що вона перебуває в розпорядженні оператора реакторної установки (переміщенням стрижнів-поглиначів в активній зоні займається оператор), а, по-друге, тому, що ці переміщення поглиначів можуть здійснюватися досить швидко (= оперативно), що й забезпечує швидку компенсацію змін реактивності реактора в деяких перехідних процесах.
Величина загального запасу реактивності протягом усієї кампанії активної зони реактора зменшується, але в будь-який момент кампанії вона складається з оперативного запасу реактивності та запасів реактивності, що компенсуються нерухомими (вигоральними) поглиначами й рідким поглиначем (борною кислотою у воді, що міститься в об'ємі активної зони реактора):
rзобщ(t) = rзоп(t) + rзвп(t) + rзж(t) (14.1)
Задумаймося ще над одним питанням, що має дуже важливе практичне значення: добре чи погано мати велику величину оперативного запасу реактивності?
З одного боку, нібито - непогано: великий оперативний запас реактивності дає змогу скомпенсувати великі режимні втрати реактивності в швидкоплинних перехідних процесах (і, навпаки, великі режимні вивільнення реактивності).
З іншого боку, небезпечно: великий (у кілька βе) оперативний запас реактивності, будучи випадково вивільненим унаслідок помилки оператора, призведе... (самі розумієте, до чого). Тому на великий оперативний запас реактивності слід дивитися як на джерело ядерної небезпеки. Погодьтеся, це розумно.
З третього боку, великий оперативний запас реактивності - це велика кількість рухомих поглиначів в активній зоні, переміщення яких у межах активної зони викликає великі зміни нерівномірності нейтронного поля (і поля енерговиділення) в об'ємі активної зони, що врешті-решт вдарить по економічності енергоблока під час кампанії.
З четвертого боку, велика кількість рухомих поглиначів потребує великої кількості й підвищення потужності сервоприводів для їх груп.
Ось чому у вітчизняних реакторах типу ВВЕР запроваджено борне регулювання, що дає змогу величину оперативного запасу реактивності постійно підтримувати в межах, які гарантують ядерну безпеку реактора (у режимах нормальної експлуатації в активну зону частково опущено тільки регулювальну групу з фізичною вагою, меншою за величину bе, решта дев'ять груп поглиначів повністю вилучено з активної зони, решта загального запасу реактивності компенсується вигоральними поглиначами (де вони є) і, головним чином, борною кислотою в теплоносії). До того ж, введення або виведення борної кислоти у воду первинного контуру практично не змінює форму нейтронного поля в реакторі, оскільки вона в об'ємі активної зони розподіляється рівномірно.
Величини і загального, і оперативного запасів реактивності в процесі експлуатації реактора змінюються завдяки змінам втрат реактивності в таких фізичних процесах:
- вигоряння ядерного палива - процес безперервного убування кількості ядерного палива внаслідок поглинання його ядрами нейтронів; вигоряння призводить до зниження запасу реактивності;
- шлакування ядерного палива - процес накопичення в реакторі, що працює, стабільних і довгоживучих продуктів поділу, які беруть участь у непродуктивному поглинанні нейтронів і, тим самим, знижують запас реактивності;
- відтворення ядерного палива - процес утворення й накопичення в реакторі, що працює, нових типів ядер, що діляться, які одразу ж включаються в загальний цикл розмноження нейтронів і, тим самим, підвищують загальний запас реактивності;
- вигоряння вигоральних поглиначів - процес повільного знищення спочатку завантажених в активну зону нерухомих поглиначів за рахунок поглинання ними теплових нейтронів, що призводить до утворення на їхньому місці слабо поглинаючих продуктів, унаслідок чого запас реактивності вивільняється;
- отруєння реактора - процес утворення в реакторі короткоживучих продуктів поділу, які беруть участь у непродуктивному захопленні нейтронів і, тим самим, знижують запас реактивності під час їх накопичення та підвищують його під час їх розпаду.
- зміна концентрації борної кислоти у воді 1 контуру - з однієї лише назви можна зрозуміти, що збільшення концентрації борної кислоти веде до зниження запасу реактивності, а зменшення - навпаки - до його вивільнення;
- нарешті, вже відомі нам, температурні зміни реактивності - за від'ємних температурних коефіцієнтів реактивності палива й теплоносія підвищення температур цих елементів веде до зниження запасу реактивності, а зниження температур - до вивільнення запасу реактивності.