Reactivitatea reactorului nuclear

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 10 mai 2021; verificările necesită 5 modificări .

Reactivitatea unui reactor nuclear este o mărime adimensională care caracterizează comportamentul unei reacții în lanț de fisiune în miezul unui reactor nuclear și este exprimată prin relația:

\rho ={{k_{{ef}}-1} \over k_{{ef}}}

unde denotă factorul efectiv de multiplicare a neutronilor . Reactivitatea depinde de forma reactorului, de aranjarea materialelor în el și de proprietățile neutronice ale acestor materiale. Este un parametru integral al unui reactor nuclear, adică caracterizează întregul reactor în ansamblu. $k_{{ef}}$

În diferite cazuri, pentru comoditate, valoarea reactivității poate fi exprimată ca procent, fracții efective de neutroni întârziați , „dolari” (unitatea de reactivitate) și sutimile lor de cenți etc.

Conexiune cu putere

În funcție de semnul reactivității, puterea neutronică a reactorului se comportă diferit. De exemplu, în absența unei surse interne suplimentare de neutroni și feedback într-un reactor nuclear, se disting trei stări diferite.

Dacă , atunci puterea neutronilor nu se modifică. Această stare a reactorului se numește critică . $\rho =0,k_{{ef}}=1$
Dacă , atunci puterea neutronilor după amortizarea tranzitorilor va crește. Această stare a reactorului se numește supercritică . $\rho >0,k_{{ef}}>1$
Dacă , atunci puterea neutronilor după atenuarea proceselor tranzitorii va scădea. Această stare a reactorului este numită subcritică . $\rho<0,k_{{ef}}<1$

Mai precis, reactivitatea este inclusă ca parametru în cel mai simplu model aproximativ al unui reactor nuclear, scris într-o aproximare punctuală : $\rho$

N'(t)={\frac {\rho -\beta }{\Lambda }}N(t)+\lambda C(t)+S(t),

C'(t)={\frac {\beta }{\Lambda }}N(t)-\lambda C(t).

Aici N(t) este numărul total de neutroni din reactor ; neutroni (desintegrare spontană, sursa de pornire a neutronilor etc.) . $CT)$ $\beta$ $\lambda ,s^{{-1}}$ $\Lambda (\rho)\,,s$ $Sf)$

În reactoarele nucleare, comportamentul câmpului de neutroni este mult mai complex decât în modelul prezentat mai sus. Câmpul de neutroni depinde de variabilele spațiale, unghiulare și energetice, de influența diferitelor tipuri de feedback , efecte de otrăvire , epuizare , etc. Luarea în considerare a acestor factori conduce la o ecuație integro-diferențială neliniară a câmpului de neutroni, din care rezultă că nu există o relație neechivocă între reactivitatea reactorului și modificarea puterii sale neutronice în momentul actual.

De exemplu, dacă neutronii la momentul inițial de timp au fost localizați în locuri unde este mai probabil să se piardă, atunci până când se stabilește aceeași rată relativă de modificare a numărului de neutroni în toate punctele reactorului, va exista o tendinta de a reduce puterea. Este adevărat și invers, distribuția inițială a densității fluxului de neutroni poate fi astfel încât la începutul procesului puterea neutronilor să crească cu reactivitate negativă.

Utilizați în practică

Reactivitatea este utilizată pe scară largă în practică, deoarece este convenabil să se caracterizeze gradul de abatere a reactorului de la starea sa critică folosind acest parametru. De exemplu, prin reprezentarea grafică a dependenței reactivității de adâncimea de imersie a unei tije absorbante în miez, se poate determina poziția tijei la care puterea reactorului va fi constantă.

În plus, cu abateri mici de la zero (starea aproape critică a reactorului), reactivitatea are proprietatea de aditivitate, ceea ce face posibilă atribuirea valorilor de eficiență corespunzătoare organismelor de reglementare (de exemplu, greutatea tija ).

Prin folosirea reactivității se introduc concepte care caracterizează, într-o primă aproximare, stabilitatea și siguranța unei centrale reactoare: efecte și coeficienți de reactivitate .

În practica exploatării centralelor nucleare se folosesc efectele și coeficienții de reactivitate ca

parametrii de control prin care se evaluează nivelul de siguranță al unui reactor nuclear;
benchmark-uri, care sunt utilizate pentru a verifica software-ul de calcul al reactorului.

Din aceste motive, măsurătorile periodice ale efectelor și coeficienților de reactivitate sunt efectuate la instalațiile reactoarelor în exploatare.

În general, în ciuda utilizării pe scară largă a termenului de reactivitate și a derivaților săi, utilizarea lor în practică pentru a prezice comportamentul real al unui reactor nuclear este sever limitată de condițiile de realizare a aproximării punctului : dimensiunea fizică mică a reactorului sau uniformă, mici perturbații.

Unități de reactivitate

Reactivitatea este o mărime adimensională , este doar un număr și nu sunt necesare unități speciale pentru a măsura reactivitatea. Cu toate acestea, în practică, diferite unități relative și convenționale sunt folosite pentru a o măsura:

1. reactivitatea poate fi măsurată în procente , adică în unități egale cu o sutime din unitatea rezultată din definiția reactivității.

2. reactivitatea se măsoară în ore inverse . Această unitate este utilizată pentru reactivitate mică la măsurarea perioadelor reactorului. Ora inversă este reactivitatea corespunzătoare unei perioade de reactor în stare de echilibru de 1 oră.

3. reactivitatea se măsoară în unități de β (fracții de neutroni întârziați ) - așa-numiții dolari și derivatele lor, cenți (un dolar este considerat reactivitate egal cu β; cenții sunt sutimi de reactivitate). Deoarece p = β este valoarea limită a reactivității unui reactor controlat cu neutroni întârziați, este de înțeles de ce o astfel de valoare a reactivității este luată ca unitate, mai ales că valoarea absolută a acestei unități depinde de tipul de combustibil nuclear. Astfel, β 239 Pu (0,0021 sau 0,21%) este de trei ori mai mic decât β 235 U (0,0065 sau 0,65%), iar reactivitatea exprimată în unități absolute nu indică întotdeauna cât de aproape este de valoarea limită. Reactivitatea în cenți este întotdeauna exprimată în fracțiuni din valoarea sa limită, iar o astfel de reprezentare a reactivității este universală.

Controlul reactivității

Reactivitatea unui reactor nuclear este modificată prin deplasarea în miezul elementelor de control al reacției în lanț - cilindrice sau altă formă de tije de control, al căror material conține substanțe care absorb puternic neutronii ( bor , cadmiu etc.). O astfel de tijă, atunci când este complet scufundată în miez, introduce o reactivitate negativă sau, după cum se spune, leagă reactivitatea reactorului la câteva miimi. Valoarea reactivității asociate depinde atât de materialul și dimensiunea suprafeței tijei, cât și de locul de scufundare în miez, deoarece numărul de neutroni absorbiți în materialul tijei depinde de fluxul de neutroni , care este minim în periferie. părți ale miezului. Îndepărtarea tijei din zona activă este însoțită de eliberarea reactivității și, deoarece tija se mișcă întotdeauna de-a lungul axei sale, creșterea reactivității este caracterizată de o schimbare a poziției capătului tijei în zona activă. Când tija este complet scufundată, reactivitatea maximă posibilă este asociată, totuși, deplasarea tijei cu o fracțiune dată din lungimea sa totală, de exemplu, cu o sutime, determină cea mai mică modificare a reactivității reactorului, deoarece sfârșitul tija se deplasează în regiunea cu cel mai scăzut flux de neutroni.

Dacă tija este pe jumătate scufundată, aceasta leagă jumătate din reactivitatea posibilă, dar acum deplasarea tijei în sus cu aceeași fracțiune de lungime este însoțită de eliberarea maximă a reactivității. În acest ultim caz, reactivitatea eliberată depășește de două ori reactivitatea medie asociată cu aceeași fracțiune din lungimea tijei. Dacă, pentru certitudine, presupunem că reactivitatea totală legată de tijă este 5⋅10 −3 , atunci eliberarea reactivității atunci când tija se mișcă cu o sutime din lungimea sa nu depășește 10 −4 . Înălțimea miezului reactorului este de obicei mai mare de un metru, iar poziția capătului tijei de control este fixată cu o precizie mult mai mare de un centimetru. Ca rezultat, se dovedește că în intervalul de reactivitate de la zero la maxim, reactivitatea reactorului poate fi controlată cu o precizie de 10 -5 , iar perioadele de stare staționară , corespunzătoare unei reactivitati atât de mici, sunt măsurate în ore. În absența neutronilor întârziați, controlul reactivității cu o precizie de 10 -5 ar fi în mod clar insuficient.

Vezi și

Literatură

A. N. Klimov. Fizică nucleară și reactoare nucleare. — M.: Atomizdat , 1971. — 384 p.
V. E. Levin. Fizică nucleară și reactoare nucleare. a 4-a ed. — M.: Atomizdat , 1979. — 288 p.
B. V. Petunin. Ingineria termoenergetica a instalatiilor nucleare. — M.: Atomizdat , 1960. — 232 p.
V. E. Zhitarev, V. M. Kachanov, G. V. Lebedev, A. Yu. Sergevnin. Întrebări de știință și tehnologie atomică, seria - fizica reactoarelor nucleare, numărul 4, Centrul Național de Cercetare „Institutul Kurchatov”, 2013. - 46 p.