Влияние на эксплуатационные режимы процессов, связанных с ксеноновым отравлением, ксеноновые колебания.
(Вариант 1)
Изотоп ксенона 135Хе, имеющий громадное сечение захвата тепловых нейтронов (2,65·106 барн при средней энергии тепловых нейтронов 0,025 эВ, что примерно в 4000 раз больше, чем сечение захвата 235U), образуется в активной зоне реактора как продукт распада иода 135I (удельный выход ~ 6%) и непосредственно как осколок деления (выход ~ 0,3%). Период полураспада 135Xe составляет 9,2 часа, а 135I - 6,7 часа.
Система уравнений, описывающая баланс ядер ксенона, имеет вид:
Стационарное отравление связано с накоплением ядер 135Хе в активной зоне после вывода реактора на мощность. Стационарная концентрация Хе определяется равновесием между скоростью прибыли Хе из распадающегося I и непосредственно как осколка деления и скоростью убыли его вследствие поглощения нейтронов и радиоактивного распада. Отравление зависит (рис. 1.7) от сечения поглощения нейтронов (их энергии), обогащения топлива и плотности потока нейтронов (мощности ЯР).
Временем установления равновесной концентрации I и Хе при практических расчетах можно считать время, когда их концентрация достигает значения, отличающегося от равновесного на 10-15%. Это соответствует времени, равному примерно 4-5 периодам полураспада рассматриваемого нуклида, что в данном случае составляет ~ 40 ч работы на стационарной мощности (рис. 1.8).
Расчетная величина стационарного отравления при обычной для энергетических реакторов средней плотности потока нейтронов 1013 нейтр/(см2·с) составляет около 3%. Реальная величина, учитывающая неравномерность потока и соответственно накопления 135Хе по объему активной зоны, выше в 1,2-1,5 раза.
Нестационарное отравление связано с нарушением динамического равновесия между прибылью и убылью Хе при изменении мощности ЯР. После остановки или снижения мощности происходит временное увеличение концентрации Хе вследствие распада I и соответствующее уменьшение запаса, которое называют йодной (иногда ксеноновой) ямой. После увеличения мощности наблюдается временное уменьшение концентрации Хе и соответствующее увеличение запаса .
На рис 1.9 графически представлены процессы, обусловливающие нестационарное отравление Хе после остановки ЯР. С этого момента прекращаются рождение I и выгорание Хе. Накопившиеся к моменту остановки I и Хе продолжают распадаться с ТI = 6,7 и ТXе = 9,2 ч соответственно. Но так как распад I фактически представляет собой рождение Хе, причем этот процесс происходит быстрее, чем распад Хе, то концентрация Хе сначала временно увеличивается, а затем начинает убывать: сначала медленно, так как распадающийся I хотя бы частично компенсирует распад Хе, а потом быстрее и в конце концов с ТXе = 9,2 ч. Пропорционально изменению концентрации Хе, но с обратным знаком изменяется запаса, образуя йодную яму. Аналитические выражения [5] позволяют рассчитать глубину ямы, время прохождения максимума отравления, а также длительность периода, в течение которого реактор из-за недостатка реактивности не может быть выведен на мощность, т.н. время вынужденной остановки - tво.
Аналогичные процессы проходят и при снижении мощности блока; обратные, т.н. ксеноновый выбег реактивности, - при повышении. Эти процессы иллюстрируются на рис. 1.10.
С точки зрения эксплуатации АЭС и, в частности, переходных режимов, важно иметь в виду следующее.
Наличие большой йодной ямы в ВВЭР и РБМК ставит очень серьезную проблему при решении вопросов обеспечения маневренности АЭС, в случае привлечения их к суточному регулированию графика нагрузки в энергосистемах. Чтобы маневрировать мощностью, необходимо иметь оперативный запас реактивности больший, чем "глубина" йодной ямы. Только в этом случае можно менять мощность, не опасаясь попасть в яму. Для АЭС, работающих в изолированных системах, и для судовых ЯЭУ, являющихся единственным источником энергии, это условие обязательно.
При пуске реактора в период прохождения йодной ямы за счет интенсивного выгорания ксенона отравление быстро падает и вместе с этим с большой скоростью высвобождается положительная реактивность. Скорость высвобождения тем больше, чем выше уровень мощности, на которую выведен ректор (рис. 1.11). Для обеспечения ядерной безопасности установки это явление должно обязательно учитываться при выборе скорости перемещения органов управления реактивностью.
Ксеноновые колебания (волны), возникающие в активных зонах больших реакторов, являются следствием неустойчивости таких реакторов из-за положительной обратной связи по ксеноновой составляющей реактивности. Случайное, например, увеличение потока снижает концентрацию ксенона, поскольку изменение выгорания сразу следует за изменением потока, тогда как накопление Хе запаздывает из-за промежуточного продукта деления 135I. Снижение концентрации 135Хе приводит к освобождению части связанной им реактивности, и реактор сам по себе становится надкритичным; за этим следует прогрессирующее возрастание потока и положительной реактивности. Если появившуюся положительную реактивность подавить с помощью системы управления, скажется избыточное накопление 135I при повышенном потоке, сопровождающееся образованием лишнего 135Хе. Увеличение скорости рождения Хе вызовет отрицательную реактивность, и начнется прогрессирующее понижение и потока, и реактивности. Такой реактор все время готов к срыву с увеличением или снижением потока. Сдерживающее влияние оказывает только отрицательный температурный эффект реактивности, возникающий при изменении мощности.
В переходных режимах это явление проявляется более заметно, т.к. инициирующим фактором может стать перемещение стержней управления реактора, необходимое для осуществления режима.
В больших реакторах, где возможно образование локальной (ограниченной частью объема зоны) критической массы, случайное увеличение потока нейтронов в ограниченном объеме, вызванное изменением мощности, перемещением стержней или другими причинами, может привести сначала к более быстрому выгоранию 135Хе в этой области, т.е. росту выделения энергии в ней, а потом к его накоплению вследствие увеличения концентрации 135I, т.е. снижению энерговыделения в рассматриваемой области. Если такой реактор имеет систему управления, обеспечивающую поддержание общей мощности зоны, то описанный процесс приведет к перераспределению мощности между ее частями. Рост мощности в одной части зоны приведет к снижению ее в других частях, уменьшению выгорания 135Хе, росту отравления и дальнейшему снижению мощности этих частей. Одновременно замедлится образование 135I в этих частях, что через какое-то время приведет к снижению образования 135Хе, снижению отравления и росту их мощности. Таким образом, при неизменной общей мощности реактора будет происходить перераспределение мощности между ее отдельными областями - ксеноновые колебания. Период их может изменяться в пределах 6-10 часов, а вероятность тем выше, чем равномернее энерговыделение. Рис. 1.12 иллюстрирует этот процесс на примере реактора ВВЭР-1000.
Изменяя несущественно полную мощность реактора эти колебания могут вызывать локальное изменение энерговыделения при потоке Ф ~ 1014 н/см2·с в 3 раза и более. То есть, возможно неконтролируемое превышение допустимых величин энерговыделения и соответственно температур оболочек твэлов и/или топлива в тех областях зоны, где мощность повышена, хотя общая мощность реактора остается в проектных пределах.
(При Ф = 1013 н/ см2·с и менее ксеноновые колебания незначительны). В реакторах с большим отрицательным температурным коэффициентом реактивности ксеноновые колебания подавляются достаточно эффективно. Это является одной из причин, по которой реакторы конструируются с отрицательным коэффициентом реактивности по температуре замедлителя.
Принято рассматривать в зависимости от направления перемещения аксиальные и радиальные ксеноновые волны.
Для устранения этих опасностей и уменьшения или исключения ксеноновых колебаний принимаются следующие меры. Во-первых, реакторы оснащаются системами измерения энерговыделения в различных точках активной зоны, локального регулирования мощности (РБМК), укороченными стержнями СУЗ (ВВЭР-1000, РБМК). Во-вторых, вывод блоков на энергетический уровень мощности осуществляется ступенями, т.е. так, чтобы исключить единовременные большие возмущения по реактивности, чтобы дать время на стабилизацию ксенонового отравления после каждого шага подъема. Скорость подъема мощности, величины ступеней, времена выдержек на них существенно зависят от типа реактора.
(Вариант 2)
Скорость изменения концентрации 135Xe определяется тремя процессами: с одной стороны – образование 135Xe в результате 1) 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:
2) распад 135Xe.
Относительное изменение концентрации 135Xe после момента остановки показано на рис. 9.1 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.