Нестационарное отравление реактора Sm149 (прометиевый провал)

При остановке реактора нарушается динамическое равновесие между накоплением и убылью Sm¹⁴⁹: накопление Sm¹⁴⁹ из накопленного Pm¹⁴⁹ (количество последнего пропорционально мощности реактора) продолжается, а убыль вследствие расстрела нейтронами прекратится.

Накопленный к моменту остановки Pm¹⁴⁹ распадается с Т_1/2 = 53 часа и превращается в стабильный Sm¹⁴⁹, уменьшая ρ_зап реактора, то есть отравляя его.

Максимальная глубина прометиевого провала достигается через 7 суток после остановки реактора.

Уменьшение ρ_зап после остановки реактора вследствие отравления Sm¹⁴⁹ называют нестационарным отравлением Sm¹⁴⁹, или прометиевым провалом — ρ_Sm.

Прометиевый провал компенсируется сверхкритической загрузкой топлива.

Глубина прометиевого провала зависит от количества Pm¹⁴⁹, накопленного за последние 7 суток работы реактора, и прямо пропорциональна средней мощности реактора за 7 суток перед остановкой. Значение ρ_Sm всегда меньше или равно нулю.

Процесс изменения отравления реактора Sm¹⁴⁹ можно проиллюстрировать графиком:

Расчёт нестационарного отравления Sm¹⁴⁹

Расчёт нестационарного отравления Sm¹⁴⁹ ведётся по следующей формуле:

, где

• — отношение средней мощности за 7 суток перед остановкой к номинальной мощности реактора (в одинаковых единицах);

• значение определяется по графику в зависимости от времени после остановки реактора (имеется на пульте ГЭУ), дано в единицах:

• значение определяется по графику полного нестационарного отравления Sm¹⁴⁹ в зависимости от энерговыработки (имеется на пульте ГЭУ), дано в %%:

Таким образом, значение будет получено в %%.

Чтобы получить отравление Sm¹⁴⁹, необходимо суммировать значения стационарного и нестационарного отравлений (если реактор остановлен) или взять значение стационарного отравления (если реактор находится на энергетическом уровне мощности).

2-й вопрос: Температурный эффект реактивности.

Очень важной характеристикой ЯР с точки зрения ядерной безопасности и влияния на энергетические возможности и маневренные качества является температурный эффект реактивности (ТЭР): зависимость реактивности от температуры всех компонентов активной зоны, а для ВВР – в основном от температуры воды-замедлителя.

При разогреве теплоносителя-замедлителя от 20ºC до 300ºC плотность воды уменьшается на ~20%, следовательно ~200 кг на тонну уходит из активной зоны в компенсаторы объема (давления), т.е. количество замедлителя уменьшается, нейтроны до тепловой энергии не замедляются, способность их делить U-235 ухудшается, реактивность уменьшается (рис.4.1.) и ЦР затухает.

Рис. 2.1.

Чтобы обеспечить работу ЯР после разогрева для компенсации отрицательного ТЭР в активную зону нужно добавить не менее 10 кг U-235, который в холодном состоянии компенсируют подвижным поглотителем – КР. При разогреве теплоносителя КР поднимают из активной зоны, а перед остановкой и расхолаживанием ЯР, чтобы не допустить самопроизвольного выхода на мощность КР обязательно необходимо опустить на нижние концевые выключатели (НКВ).

При работе в режиме пониженных параметров отрицательная величина ТЭР меньше, что дает возможность после выработки номинальной кампании часть запаса топлива, предназначенного для компенсации ТЭР, использовать на выгорание, т.е. получить дополнительный энергозапас. Учитывая также дополнительный энергозапас за счет использования топлива, предназначенного для компенсации йодной ямы и части стационарного отравления Хе-135, ЯР позволяет после выработки номинальной кампании еще работать, но при этом возможна вынужденная стоянка ЯР после срабатывания АЗ. Оператор может оценить на какой мощности нужно работать, чтобы йодная яма была не опасна. Кривую ТЭР оператор использует при расчете критического положения КР перед пуском ЯР, определяя изменение ρ при различных температурах при предыдущем и настоящем пусках (Δρ_т, рис.2.1.), а также оценивая по кривой энерговыработки дополнительный энергозапас ΔQ_K (МВт ч) после выработки номинальной кампании, соответствующий высвобожденной реактивности Δρ_т при пониженной температуре.

Очень важной характеристикой ТЭР с точки зрения безопасности является температурный коэффициент реактивности (ТКР): изменение реактивности, соответствующее изменению температуры на 1ºC. Для безопасной устойчивой работы ЯР ТКР в диапазоне рабочих температур должен быть отрицательным

Это обеспечивает самозащищенность и саморегулирование ЯР. Самозащищенность является одним из основных свойств ЯР, обеспечивающих ядерную безопасность: в аварийной ситуации: благодаря отрицательной обратной связи по ТЭР ЯР сам приведет себя в подкритическое состояние, не допуская развития процесса до ядерной аварии. Например, при непредвиденном увеличении мощности будет расти температура теплоносителя, что при отрицательном ТКР приведет к уменьшению реактивности и, следовательно, мощности: N↑→Tº↑→ ρ ↓→N↓ Чем круче кривая ТЭР, т.е. чем больше величина отрицательного ТКР, тем на меньшем уровне прекратится рост мощности и начнется ее снижение.

Саморегулирование – это способность ЯР без специальной системы регулирования изменять мощность в соответствии с уровнем ее потребления. Например, для увеличения мощности турбины нужно увеличить расход питательной воды по II контуру, чтобы получить больше пара. Это приведет к охлаждению теплоносителя 1 контура в парогенераторах и ЯР. При отрицательном ТКР будет расти реактивность и мощность ЯР. Как только мощность превысит уровень, соответствующий новому расходу по II контуру начнется обратный процесс: повышение температуры теплоносителя 1 контура, уменьшение реактивности и мощности ЯР до уровня, соответствующего расходу по II контуру.

Следует отметить, что использование в водо-водяных реакторах воды в качестве замедлителя и теплоносителя позволило создать компактные и надежные ЯЭУ. В водо-водяных реакторах на тепловых нейтронах, даже при высвобождении реактивности, превышающей В, ядерного взрыва быть не может. Это объясняется тем. что аварийный рост мощности реактора приведет к быстрому повышению температуры ядерного топлива и уменьшению реактивности за счет эффекта Доп­лера. Повышение температуры воды и вскипание ее в рабочих кана­лах, сопровождающее рост мощности, приводит к уменьшению плотнос­ти замедлителя теплоносителя и резкому падению Кэф до величины меньше единицы. Таким образом, оба указанных эффекта, наряду с другими (расплавлением твэлов, изменением геометрии активной зоны и т.д.), ведут к затуханию цепной реакции деления. Однако актив­ная зона при этом разрушается. Следует отметить, что при отсутс­твии воды как замедлителя водо-водяной реактор не может достичь критичности на быстрых нейтронах.

Заключение по занятию:

Самарий Sm-149 появляется в активной зоне вследствие радиоактивного распада одного из продуктов деления U-235 – прометия Pm-149, который распадается (β- распад) с периодом 53 часа, превращаясь в Sm-149.

Очень важной характеристикой ЯР с точки зрения ядерной безопасности и влияния на энергетические возможности и маневренные качества является температурный эффект реактивности (ТЭР): зависимость реактивности от температуры всех компонентов активной зоны, а для ВВР – в основном от температуры воды-замедлителя.

«06» июня 2011 года	Преподаватель цикла УВЦ
	капитан 3 ранга С. Бармин

Утверждён на заседании ПМК № _____

протокол №___от______________20___г.

Текст лекционного занятия № 1.2.2.10.

Тема: Органы управления реактора.

1-й вопрос Эффективность органов компенсации реактивности.

Термин эффективность (интегральная эффективность или физический вес) органа регулирования употребляется для определения реактивности, сообщаемой реактору при перемещении данного органа регулирования от нижних до верхних концевых выключателей или наоборот. Концевые выключатели сервопривода стержня ограничивают его полное перемещение в активной зоне.

• Эффективность поглощающего стержня не зависит от мощности реактора.

Это объясняется тем, что с увеличением плотности потока нейтронов Ф одновременно с возрастанием скорости поглощения нейтронов стержнем, в активной зоне увеличивается также скорость генерации и утечки нейтронов. В результате баланс нейтронов в активной зоне не изменяется.

• Эффективность стержня с увеличением температуры размножающей среды, а также в течение кампании активной зоны увеличивается. Это обусловлено тем, что эффективность стержня прямо пропорциональна площади миграции тепловых нейтронов в размножающей среде М², так как с увеличением М² возрастает смещение нейтронов до поглощения и соответственно возрастает вероятность попадания их в стержень. Поэтому при увеличении температуры активной зоны, а также в процессе выгорания ядерного топлива, приводящего к «просветлению» активной зоны площади миграции тепловых нейтронов М² увеличивается.

• Эффективность стержня прямо пропорциональна отношению Увеличение радиуса стержня не будет заметно повышать его эффективность. Поэтому более целесообразно увеличивать не радиус, а число поглощающих стержней.

Это обусловлено тем, что с ростом увеличивается не только скорость поглощения нейтронов, но скорость увеличения утечки, пропорциональным значению . Резкое уменьшение Ф вблизи поглощающего стержня приводит при условии постоянства среднего значения Ф к увеличению плотности потока нейтронов на периферии активной зоны, что влечет за собой возрастание их утечки.

• Эффективность стержня обратно пропорциональна квадрату радиуса активной зоны. При погружении поглощающего стержня в различных точках однородной активной зоны, все более и более удаленных от центра, эффективность стержня будет постепенно уменьшаться.

Объясняется это следующим. Во-первых, удаление стержня от центра в область меньших относительных плотностей потока нейтронов приводит к снижению скорости поглощения нейтронов материалом стержня. Во-вторых, чем ближе к границе активной зоны располагается стержень, тем меньшую ценность для поддержания цепной реакции представляют захваченные им нейтроны, так как вероятность их утечки пропорциональна расстоянию от центра. Для учета этого обстоятельства используется понятие пространственной ценности нейтронов γ_п(R_i), характеризующее потенциальную возможность участия нейтронов в процессе размножения в зависимости от их местоположения R_i в активной зоне.

«Физический вес» поглотителя нейтронов зависит от того, в каком нейтронном поле он находится: чем больше нейтронный поток, тем эффективнее поглотитель нейтронов. В связи с неравномерностью нейтронного потока по высоте активной зоны эффективность одного миллиметра перемещения рабочего органа в активной зоне является переменной величиной. Для расчета критического положения КГ, определения кампании реактора и ряда других задач необходимо знать, как связано положение рабочего органа (КГ) с запасом реактивности, который скомпенсирован ею. Эту связь устанавливают дифференциальная и интегральная характеристики эффективности КГ.

Для частично погруженного в активную зону стержня (группы стержней) используется понятие относительной эффективности стержня. Под относительной эффективностью понимается отношение эффективности стержня , погруженного до отметки Z в точке с координатой R_i к эффективности полностью погруженного в этой точке стержня.

Интегральная характеристика органа регулирования (рис. 1.1.) характеризует зависимость относительной эффективности органа регулирования от глубины его погружения в активную зону. Интегральная характеристика эффективности позволяет определить высвобождаемую величину реактивности и оставшийся (скомпенсированный) запас реактивности после подъема КГ в активной зоне до критического значения.

Д ифференциальная характеристика эффективности (рис. 1.2.) показывает зависимость относительной эффективности 1 мм перемещения рабочего органа от глубины его погружения в активную зону. Дифференциальная эффективность представляет собой производную от интегральной:

или просто

В тех случаях, когда органы регулирования имеют большую эффективность, как, например, группы компенсирующих стержней, наряду с кривыми интегральной эффективности для нужд эксплуатации используются также и кривые дифференциальной эффективности.

В процессе подъема КГ от нижнего концевого выключателя до положения, при котором реактор становится критическим, высвобождающаяся реактивность не изменяет состояния реактора и он остается подкритическим. Вся величина реактивности, высвобождающаяся при перемещении КГ от нижнего концевого выключателя до критического положения, называется запасом подкритичности.