что такое бета эффективное в реакторе
Реактивность ядерного реактора
Реактивность ядерного реактора ρ — величина, характеризующая динамику цепной реакции в активной зоне ядерного реактора. Реактивность выражается через коэффициент размножения нейтронов следующим образом:
Понятие реактивности широко используется при описании некритических состояний реакторов. Поскольку k обычно мало отличается от единицы, ρ ≈ k − 1, то есть реактивность показывает превышение k над единицей. В критическом реакторе ρ=0, в надкритическом реактивность положительна, в подкритическом — отрицательна. Если какое-либо явление приводит к снижению коэффициента размножения, говорят, что оно порождает отрицательную реактивность. Если в результате некоторого эффекта k увеличивается, эффект сопровождается появлением положительной реактивности.
Содержание
Единицы измерения реактивности
Реактивность — безразмерная величина, это просто число, и особых единиц для измерения реактивности не требуется. Однако на практике для её измерения используются различные относительные и условные единицы. Во-первых, реактивность может измеряется в процентах, то есть в единицах равных одной сотой от единицы, вытекающей из определения реактивности. Во-вторых, реактивность измеряется в обратных часах. Эта единица употребляется для малых реактивностей при измерениях периодов реактора. Обратный час есть такая реактивность, которой соответствует установившийся период реактора в 1 ч. Наконец, реактивность измеряется в единицах β (доли запаздывающих нейтронов), или долларах и центах. За один доллар принимается реактивность, равная β, а центы составляют сотые доли этой реактивности.
Поскольку р = β является предельным значением реактивности управляемого на запаздывающих нейтронах реактора, понятно почему такая величина реактивности принята за единицу, тем более что абсолютная величина этой единицы зависит от типа ядерного топлива. Так, β 239 Pu в три раза меньше, чем β 235 U (0,0065 или 0,65%), и реактивность, выраженная в абсолютных единицах, не всегда указывает на то, насколько она близка к предельному значению. Реактивность в центах всегда выражена в долях её предельного значения, и такое представление реактивности является универсальным.
Управление реактивностью
Реактивность ядерного реактора изменяется путём перемещения в активной зоне элементов управления цепной реакцией — цилиндрической или другой формы регулирующих стержней, материал которых содержит вещества, сильно поглощающие нейтроны (бор, кадмий и др.). Один такой стержень при полном погружении в активную зону вносит отрицательную реактивность или, как говорят, связывает реактивность реактора в несколько тысячных. Величина связываемой реактивности зависит как от материала и величины поверхности стержня, так и от места погружения в активную зону, поскольку число поглощённых нейтронов в материале стержня зависит от нейтронного потока, который минимален в периферийных частях активной зоны. Удаление стержня из активной зоны сопровождается освобождением реактивности, а так как стержень всегда перемещается вдоль своей оси, то приращение реактивности характеризуется изменением положения в активной зоне конца стержня. При полностью погруженном стержне связывается максимально возможная реактивность, однако при этом перемещение стержня на заданную долю его полной длины, например на одну сотую, вызывает наименьшее изменение реактивности реактора, ибо конец стержня перемещается в области с самым низким потоком нейтронов
Эффективный коэффициент размножения, реактивность
На основании принятого определения для «поколение нейтронов» может быть сделана оценка состояния реактора. Так как характер изменения мощности реактора определяется тенденцией изменения плотностей нейтронов непосредственно следующих друг за другом поколений, то отношение плотностей нейтронов любого рассматриваемого и непосредственно предшествующего ему поколений определяет в каком состоянии находится реактор (критичен, подкритичен или надкритичен).Величину, представляющую собой отношение чисел нейтронов рассматриваемого и непосредственно предшествующего ему поколений, называется эффективным коэффициентом размножения нейтронов в реакторе:
В зависимости от значения Кэффразличают три состояния реактора.
Если Кэфф > 1, то реактор называется надкритическим. В таком реакторе происходит нарастание количества нейтронов (и мощности энерговыделения). Говорят, что надкритический реактор разгоняется.
Стабильное (стационарное) состояние реактора наступает, когда строго Кэфф =1. Тогда в цепной реакции скорость рождения нейтронов в точности равна скорости их исчезновения и мощность постоянна. В таком состоянии реактор называется критическим, асамо состояние называется критическим.
Величинаэффективного коэффициента размножения (то, насколько она отклоняется от единицы) позволяет оценить, с какой интенсивностью идут процессы нарастания или убывания мощности в реакторе.
Вторая мера отклонения реактора от критичности,представляющая собой отношение величин избыточного коэффициента размножения к эффективному, называется реактивностью реактора и обозначается греческой буквой ρ («ро»):
Это приблизительно Кэфф-1. Слово «реактивность» более удачно, нежели термин «эффективный коэффициент размножения». Оно как бы непосредственно отражает отзывчивость реактора на изменение баланса нейтронов.
В критическом реакторе величины избыточного коэффициента размножения и реактивностиравны нулю. Если ρ>0, то реактор надкритический (находится в надкритическом состоянии). Если реактивность отрицательна (ρ
Согласно определению, реактивность является безразмерной величиной. Поэтому ее измеряют в безразмерных долях, которые называютабсолютными единицами реактивности.
Поскольку при управлении реактором операторы имеют дело с небольшими величинами реактивности, впрактике используется ее единица, численно в сто раз большая, чемабсолютная единица. Эту величину называютпроцентом (% ).
Еще одной, применяемой на практике единицей измерения реактивности, является доля запаздывающих нейтронов ( ). В единицах эффективной доли выхода запаздывающих нейтронов реактивность реактора удобнее применять. Дело в том, что с этой единицей однозначно связана величина периода изменения мощности реактора. В этом случае реактивность определяют по формуле:
Для того, чтобы обеспечить возможность увеличения мощности реактора, компенсировать поглощение нейтронов продуктами деления и работать в течение продолжительного времени, реактор должен иметь в начальном холодном состоянии (при комнатной температуре) избыточную реактивность. В начале работы реактора она компенсируется системой регулирования (поглощающими стержнями), а в процессе кампании постепенно освобождается, компенсируя выгорание топлива.
Полным запасом реактивности реактора называется его максимальная величина, которую можно высвободить (теоретически) в данном состоянии реактора при полном извлечении из активной зоны органов регулирования реактивности.
При полностью погруженных в реактор всех регулирующих органах его реактивность должна иметь отрицательное значение, достаточное для приведения реактора в подкритическое состояние из любого состояния. Эта реактивность, взятая по абсолютной величине, называется подкритичностью.
Атомные станции с реакторами РБМК 1000 (1500). Реактор большой мощности канальный
В предыдущем разделе мы рассмотрели цепную реакцию деления и возможности по управлению реактором, мы ввели понятие реактивность, которое связано с коэффициентом размножения в делящейся среде. Рассмотрим подробнее что может влиять на реактивность реактора.
В результате деления после цепочек, образуется целый спектр различных ядер некоторые из них, особенно изотоп ксенона 135 Xe и изотоп самария 149 Sm сильно поглощают нейтроны. Уменьшение коэффициента размножения при накоплении в реакторе изотопов поглощающих нейтроны называется эффектом отравления реактора
Рассмотрим, изменение реактивности в процессе пуска реактора
При разогреве реактора реактивность меняется, в виду изменения температуры и плотности материалов активной зоны. Иногда при разогреве меняется взаимное положение активной зоны и органов регулирования, которые входят в активную зону или выходят из нее, вызывая эффект реактивности при отсутствии активного перемещения органов регулирования.
Задачи и способы регулирования реактивности.
Перечислим основные режимы в которых возникает необходимость регулирования реактивности:
Наиболее распространенный способ регулирование это изменение вероятности поглощения нейтрона в 235 U ( в формуле четырех сомножителей). Для этого в реактор вводят изотопы элементов с большим сечением поглощения нейтронов. Желательно чтобы все изотопы элемента имели большое сечение поглощения.
Для целей регулирования наиболее подходящими являются следующие химические элементы: бор, кадмий, самарий, европий, гадолиний, индий.
У бора высокое сечение поглощения соответствует изотопу 10 В, изотоп 11 В практически не поглощает нейтроны, поэтому производят обогащение по поглощающему элементу.
Регулирование твердыми, движущимися поглощающими элементами
Выгорающие поглощающие элементы.
Для компенсации избыточной реактивности после загрузки свежего топлива, часто используют выгорающие поглотители. Принцип работы которых состоит в том, что они, подобно топливу, после захвата нейтрона в дальнейшем перестают поглощать нейтроны (выгорают). Причем скорости убыли в результате поглощения нейтронов, ядер поглотителей, меньше или равна скорости убыли, в результате деления, ядер топлива. Если мы загружаем в АЗ реактора топливо рассчитанное на работу в течении года, то очевидно, что количество ядер делящегося топлива в начале работы будет больше чем в конце, и мы должны скомпенсировать избыточную реактивность поместив в АЗ поглотители. Если для этой цели использовать регулирующие стержни, то мы должны постоянно перемещать их, по мере того как количество ядер топлива уменьшается. Использование выгорающих поглотителей позволяет уменьшить использование движущихся стержней.В настоящее время выгорающие поглотители часто помешают непосредственно в топливные таблетки, при их изготовлении.
Жидкостное регулирование реактивности.
Что такое бета эффективное в реакторе
Задача управления реакцией не так сложна, как кажется на первый взгляд, но всё же есть тут свои проблемы и подводные камни. Воздействовать мы должны на количество делений ядер топлива нейтронами, происходящее за единицу времени. Грубо говоря, на количество нейтронов, разрывающих ядра топлива на клочки, за время в одну секунду.
Собственно, когда мы садимся за пульт остановленного ядерного реактора, то обычно он глубоко подкритичен (реактивность остановленного реактора по российским Правилам Ядерной Безопасности должна быть не более минус одного процента). Чтобы заставить потухнувшую реакцию снова разгореться, мы должны постепенно, очень осторожно и медленно вынимать из реактора (например, РБМК) стержни. Про стержни, кстати, я писал вот тут.
Дальше необходимо прекратить движение стержней управления и просто ждать. Постепенно количество нейтронов, а значит, и количество делений в активной зоне будет увеличиваться. Мощность реактора, которая сначала измерялась в милливаттах, постепенно достигнет ватта, затем киловатта, мегаватта. Это уже энергетические уровни мощности, на которых теплоноситель активно греется (а в РБМК даже подкипает), в дело вступают различные эффекты реактивности.
Для простоты опустил много нюансов, такие как запаздывающие нейтроны, доля их в реакции деления, влияние эффектов реактивности (по температуре топлива, теплоносителя, да тысячи их) на саму реактивность и т.д. В один пост это всё не влезет точно, а вот зато общее понимание у вас, надеюсь, уже есть. А физики за подобные упрощения меня, надеюсь, простят.
11.5. Реактивность, периоды реактора
Реактивность ядерного реактора ρ — величина, характеризующая динамику цепной реакциивактивной зонеядерного реактора. Реактивность выражается черезкоэффициент размножения нейтроновследующим образом:
Понятие реактивности широко используется при описании некритических состояний реакторов. Поскольку k обычно мало отличается от единицы, ρ ≈ k − 1, т. е. реактивность показывает превышение k над единицей. В критическом реакторе ρ=0, в надкритическом реактивность положительна, в подкритическом — отрицательна. Если какое-либо явление приводит к снижению коэффициента размножения, говорят, что оно порождает отрицательную реактивность. Если в результате некоторого эффекта k увеличивается, эффект сопровождается появлением положительной реактивности.
Единицы реактивности
Реактивность — безразмерная величина, это просто число и особых единиц для измерения реактивности не требуется. Однако на практике, для её измерения используются различные относительные и условные единицы. Во-первых, реактивность может измеряется впроцентах, то есть в единицах равных одной сотой от единицы, вытекающей из определения реактивности. Во-вторых, реактивность измеряется в обратныхчасах. Эта единица употребляется для малых реактивностей при измерениях периодов реактора. Обратный час есть такая реактивность, которой соответствует установившийсяпериод реакторав 1 ч. Наконец, реактивность измеряется в единицах β (долизапаздывающих нейтронов) илидолларахицентах. За один доллар принимается реактивность, равная β, а центы составляют сотые доли этой реактивности.
Поскольку р = β является предельным значением реактивности управляемого на запаздывающих нейтронах реактора, понятно почему такая величина реактивности принята за единицу, тем более что абсолютная величина этой единицы зависит от типа ядерного топлива. Так, β 239 Pu в три раза меньше, чем β 235 U (0,0065 или 0,65%), и реактивность, выраженная в абсолютных единицах, не всегда указывает на то, насколько она близка к предельному значению. Реактивность в центах всегда выражена в долях её предельного значения, и такое представление реактивности является универсальным.
Управление реактивностью
Реактивность ядерного реактора изменяется путём перемещения в активной зоне элементов управления цепной реакцией — цилиндрической или другой формы регулирующих стержней, материал которых содержит вещества, сильно поглощающие нейтроны (бор,кадмийи др.). Один такой стержень при полном погружении в активную зону вносит отрицательную реактивность или, как говорят, связывает реактивность реактора в несколько тысячных. Величина связываемой реактивности зависит как от материала и величины поверхности стержня, так и от места погружения в активную зону, поскольку число поглощённых нейтронов в материале стержня зависит от нейтронного потока, который минимален в периферийных частях активной зоны. Удаление стержня из активной зоны сопровождается освобождением реактивности, а так как стержень всегда перемещается вдоль своей оси, то приращение реактивности характеризуется изменением положения в активной зоне конца стержня. При полностью погруженном стержне связывается максимально возможная реактивность, однако при этом перемещение стержня на заданную долю его полной длины, например на одну сотую, вызывает наименьшее изменение реактивности реактора, ибо конец стержня перемещается в области с самым низким потоком нейтронов
Оперативный запас реактивности (ОЗР) — это положительная реактивность, которуюядерный реакторимел бы при полностью извлеченных стержняхсистемы управления и защиты.
Ядерный реактор может в течение длительного времени работать с заданной мощностьютолько в том случае, если в начале работы имеет запас реактивности. Этот запас создается путём постройкиактивной зоныс размерами, значительно превосходящимикритические. Чтобы реактор не становился надкритичным, реактивность искусственно снижается. Это достигается введением в активную зону веществ, поглощающихнейтроны, которые могут удаляться из активной зоны в последующем. Освобождение связанной реактивности по мере её снижения в силу естественных причин обеспечивает поддержание критического состояния реактора в каждый момент его работы.
ОЗР — безразмерная величина, на практике может измеряться в тех же условных единицах, что и реактивность. На реакторахРБМКпринято измерять ОЗР в единицах равных средней реактивности, высвобождаемой при полном извлечении одного стержня системы ручного регулирования. Следует иметь в виду, что операторне управляет оперативным запасом реактивности. Для поддержания критичности реактора при снижении реактивности по каким-либо причинам, оператор извлекает регулирующие стержни. ОЗР, выраженный в «стержнях», примерно показывает какой запас есть у оператора для увеличения мощности, но суммарная длина погружённых частей стержней не равна произведению длины стержня на ОЗР. Причина этого заключается, в частности, в следующем:
реактивность, вносимая стержнем, имеет нелинейную зависимость от глубины погружения стержня;
стержни, находящиеся в разных частях активной зоны, вносят разную реактивность.
Период реактора — время, за которое мощность ядерного реактораизменяется вeраз (
2,7 раза). Величина, обратнаяреактивности. Измеряется в секундах. Наряду с мощностью (измеряемой в процентах) является одной из основных нейтронно-физических характеристик работающего ядерного реактора.
По величине Периода реактора входит в список параметров, по которым осуществляется аварийная защита реактора. Типичные величины уставок — 10/20/40/80 секунд для АЗ-1,2,3,4 для реактораВВЭР-440.
Величину периода реактора необходимо контролировать для того, чтобы не допустить разгона на быстрых нейтронахреактора, работающего натепловых нейтронах. Это возможно при увеличении доли быстрых нейтронов при быстром увеличении мощности реактора. Чтобы этого не произошло, в конструкцию реактора вносят такие изменения, которые не позволяют вводить слишком быстро положительнуюреактивность. Дополнительно устанавливается аварийная защита, которая остановит или ограничит мощность реактора при уменьшении периода меньше величины установки. Кроме этого вводятся организационные и нормативные ограничения, не позволяющие персоналу проводить какие либо операции, приводящие к быстрому вводу положительной реактивности и, следовательно, быстро увеличивать мощность реактора.
Асимптотический период в некритическом реакторе в рамках модели точечной кинетики с одной группой запаздывающих нейтронов.