Выгорающие поглощающие элементы.

Другим подходом компенсации избыточной реактивности, также не искажающей поле нейтронов, является использование выгорающих поглотителей. Элементы, содержащие выгорающий поглотитель, располагаются равномерно по активной зоне.

Принцип их работы 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.

Пучок выгорающих поглотителей СВП ВВЭР-1000 конструктивно почти идентичен ПС СУЗ, поскольку его положение в ТВС аналогично положению ПС СУЗ при обесточенном приводе. СВП устанавливаются в те свежие кассеты, чье расположение на картограмме активной зоны не совпадает с расположением приводов. Следует обратить внимание на различие в некоторых конструкционных материалах между СВП и ПС СУЗ: первое - плотность бора в поглощающем материале - дибориде хрома - в СВП значительно меньше, чем в карбиде бора в ПС СУЗ (используются три типа СВП с плотностями бора 0,02; 0,036; 0,05 т/м³); второе – оболочка СВП в отличае от оболочки ПЭЛ изготовлена из сплава Zr + 1% Ni. Эти отличия объясняются тем, что СВП должен на конец компании иметь минимально - возможное сечение поглощения нейтронов. Только в этом случае его отрицательное влияние на экономику топливного цикла минимально. Соответственно срок службы СВП – 1 кампания. Нужно отметить, что применение СВП не является оптимальной технологической схемой применения выгорающего поглотителя, поэтому в настоящее время внедряются в эксплуатацию ТВС, у которых выгорающий поглотитель – гадолиний – введен непосредственно в топливо.

13. Кампания реактора. Шлакование и отравление реактора.

Время работы реактора на номинальной мощности без перегрузки (перемещений) топлива принято называть кампанией реактора. Время пребывания топлива в активной зоне реактора, работающем на номинальной мощности (эффективное время) называется кампанией топлива.

Глубина выгорания, как следует из определения, связана с кампанией топлива линейно. Кампания топлива, а следовательно, и ρ_шл определяется, в основном, радиационной стойкостью твэлов.

В результате деления ядер топлива образуется осколки, представляющие собой ядра более легких изотопов.

Некоторые из образующихся нуклидов имеют достаточно большое сечение поглощения тепловых нейтронов. В результате протекания двух конкурирующих процессов – с одной стороны накопление указанных нуклидов, с другой их убыль связанная с захватом нейтронов, их концентрация достигает равновесного значения. Поглощение нейтронов этими нуклидами называется отравлением реактора.

Процесс накопления остальных продуктов деления, как правило, долгоживущих или стабильных изотопов принято называть – шлакованием.

Очень важное влияние на состояние активной зоны реактора в процессе его эксплуатации и управления им имеет отравления ксеноном–135 и самарием–149. Благодаря тому, что оба указанных нуклида имеют большое сечение поглощение тепловых нейтронов (для Xe¹³⁵ σ_с^Т ~ 2,6·10⁶ барн, для Sm¹⁴⁹ σ_с^Т ~ 4,1·10⁴ барн), их накопление в реакторе ведет к уменьшению коэффициента использования тепловых нейтронов θ и, следовательно, k_эф.

Ксенон – 135 образуется как, непосредственно в реакции деления (с выходом ( ) около 0,003), так и в цепочке радиоактивного распада Te¹³⁵:

После пуска реактора концентрация ¹³⁵Xe резко возрастает и через ~ 20 часов достигает своего равновесного (или стационарного, т.е. не меняющегося во времени при низменной мощности) уровня.

Система уравнений, описывающая баланс ядер ксенона, имеет вид:

Влияние ксенона на работу реакторов в переходных режимах.

Как отмечалось выше, скорость изменения концентрации ¹³⁵Xe определяется тремя процессами:

1) образование ¹³⁵Xe в результате распада ¹³⁵I;

с другой – выведение из реактора ксенона вследствие:

2) поглощения ксеноном нейтронов,

3) его распада.

Все три процесса имеют неодинаковые скорости и различное влияние на концентрацию ¹³⁵Xe (а, следовательно, на реактивность реактора) в режимах набора мощности и остановки.

После остановки реактора, т.е. при нулевом потоке нейтронов, поглощение нейтронов на ¹³⁵Xe отсутствует. На изменение концентрации ¹³⁵Xe в этом случае влияют два конкурирующих процесса:

1) распад ¹³⁵I оставшегося после работы реактора. Заметим, что его концентрация пропорциональна потоку нейтронов (или мощности) в реакторе перед его остановкой (стационарная концентрация, получаемая приравниванием правых частей системы к 0):

2) распад ¹³⁵Xe.

На рисунке показано относительное изменение концентрации ¹³⁵Xe после момента остановки для разных значений потока нейтронов перед остановкой. Концентрация ¹³⁵Xe достигает максимального значения через ~ 10 часов после остановки. Значение максимума тем выше, чем больший поток нейтронов был в реакторе перед его остановкой. Поскольку образование в реакторе ¹³⁵Xe равносильно вводу в него отрицательной реактивности, абсолютное значение которой пропорционально концентрации ксенона, то изменение реактивности во времени ведет себя точно так же, как и концентрация ¹³⁵Xe.