Зависимость относительной концентрации Xe135 после останова реактора от времени.

Уменьшение реактивности реактора после его остановки, обусловленное отравлением ксеноном, называется йодной ямой, т.к. причиной этого эффекта является β – распад ¹³⁵I. Максимальная глубина йодной ямы при Ф ~ 5·10¹⁴ н/см²·с достигается через ~ 10 часов после остановки.

Чтобы избежать попадания в йодную яму вновь пускать реактор следует в возможно короткий срок после его остановки и при наличии достаточного запаса реактивности для компенсации отрицательной реактивности.

При отсутствии необходимого запаса реактивности реактор может быть пущен вновь не ранее чем через 20-40 часов (время выхода из йодной ямы, т.е. время распада ¹³⁵Xe до приемлемого уровня), в зависимости от потока нейтронов в реакторе перед его остановкой (от 10¹³ до 10¹⁴ н/см²·с). При потоке менее ~ 5∙10¹² н/см²·с йодная яма практически отсутствует.

Заметим, что существуют специальные режимы работы реактора перед его остановкой, позволяющие значительно уменьшить глубину йодной ямы.

Явление подобно йодной яме, но значительно меньших масштабах и объясняемое тем же самым физическим механизмом, возникает при переходе с большего уровня мощности на меньший. При переходе с меньшей мощности на большую наблюдается эффект обратный йодной яме - концентрация ¹³⁵Xe вначале уменьшается, что объясняется большим его выгоранием на больших потоках нейтронов, и только через некоторое время (~ 10-15 часов) начинает увеличивается.

Изменение концентрации Xe135 в переходных режимах реактора.

10. Процессы в твэлах и их влияние на эксплуатационные режимы.

Суть проблемы.

Важность обеспечения надежности работы твэлов и, в первую очередь, герметичности их оболочек, как известно, связана с тем, что именно в твэлах сосредоточены радиоактивные продукты деления. Це­лостность топливной матрицы (первого физического барьера на пути выхо­да радиоактивности во внешнюю среду) и гарантированная герметичность оболочек (второго барьера) предотвращают ВЫХОД радиоактивных осколков из твэлов и обеспечивают радиационную безопасность АЭС.

Процессы, влияющие на работоспособность твэлов.

В процессе рабо­ты любого реактора в твэлах идут процессы, влияющие на их состояние и работоспособность. Эти процессы приходится учитывать при проектирова­нии твэлов и разработке эксплуатационных режимов энергоблоков. Число разных факторов, влияющих на работоспособность твэлов, достаточно ве­лико. К учитываемым процессам и явлениям относятся:

для циркониевых оболочек - вязкоупругопластическая деформация, анизотропия пластических свойств, термические напряжения, измене­ние механических свойств под действием облучения, накопление корро­зионных повреждении при наличии растягивающего напряжения; для топливного сердечника - вязкоупругопластическая деформация. перестройка структуры, распухание, трещинообразование, изменение механических свойств под действием облучения.

Кроме того, на эти процессы влияет нестационарность температурного поля.

Распухание топлива.

В первую очередь ,необходимо отметить деление ядер горючего и соответственно накопление в топливе осколков деления с большим объемом, чем объем исходного материала. Вследствие этого про­исходит распухание делящегося материна и увеличение его объема. Для диоксида урана это увеличение составляет примерно 3% на каждый про­цент разделившихся ядер. Распухание делящегося материала после дости­жения контакта топлива с оболочкой приводит к возникновению растяги­вающих напряжений в последней, что при определенных накоплениях ос­колков, соответственно росте объема и напряжений, может приводить к де­формации и разрыву оболочки.

При наличии зазора топливный стержень и оболочка пол действием об­лучения, среды и температуры изменяются независимо друг от друга. Когда же топливо и оболочка находятся в тесном контакте, сказывается взаимное влияние. Если оболочка прочная, она может сжать топливо и уменьшить или вообще подавить распухание. При этом осколки деления заполняют поры, существовавшие в топливе. Эти явления особенно четко прослеживаются при температуре топлива выше половины температуры плавления его.

Массоперенос.

Под действием нейтронного облучения и радиально на­правленного теплового потока в сердечнике твэла происходит перестройка его структуры. Макро- и микроструктурные изменения, происходящие в диоксиде урана, зависят от режима облучения - флюенса нейтронов, выго­рания, температурного уровня, температурного градиента по радиусу таб­летки горючего, времени облучения и т.д. Под действием этих факторов может происходить рекристаллизация диоксида урана, полное или частич­ное плавление, перенос массы в радиальном пли осевом направлении. В ча­стности, при высоких градиентах температуры (а в твэлах ВВЭР-1000 они достигают 300-350°С/мм) в компактной спеченной таблетке из диоксида урана возникают радиальные трещины. В результате массопереноса «залечивает­ся» часть образовавшихся трещин и уменьшается или вообще исчезает ра­диальный зазор между оболочкой и топливным стержнем Поэтому исход­ный зазор между ними может исчезнуть еще до контакта из-за распухания стержни, вызванного накоплением осколков деления. Характерное время этого процесса, обычно указываемое в литературе, составляет около 30 су­ток.

Влияние газов и летучих продуктов деления.

На надежность твэлов влияют газообразные и летучие продукты деления. С одной стороны, выход их в газовые зазоры повышает давление под оболочкой, что создает опас­ность ее разрушения. Необходимо помнить также о термическом сопротив­лении зазора между топливом и оболочкой. Выход осколков деления значи­тельно ухудшает теплопроводность газовой прослойки, заполняемой при изготовлении твэлов гелием, из-за накопления в ней слабо проводящих теп­ло газов - ксенона и криптона. Это. в свою очередь, ведет к дальнейшему повышению температуры топлива. Доля газовых осколков, выходящих из топлива, резко возрастает с ростом температуры. Она составляет едини­цы процентов при температурах до 1500-1600 С и более 60% (по другим источникам - до 100%) при температуре плавления. Выход осколков увели­чивается также с ростом выгорания топлива. Поскольку концентрация указанных агрессивных продуктов деления в твэле со временем увеличивается, то коррозионное растрескивание мате­риала оболочки более вероятно при высоких возгораниях топлива.

Режимы работы твэлов

С точки зрения обеспечения работоспособно­сти твэлов, все переходные режимы РУ можно разделить на три основных вида.

- скачок мощности, когда повышение мощности следует за длительным периодом эксплуатации РУ на пониженном уровне мощности и осуще­ствляется со скоростью, намного превышающей скорость релаксации напряжений в топливном сердечнике за счет ползучести диоксида ура­на;

- восстановление мощности после кратковременной работы (меньшей времени «приработке») на пониженном уровне или после остановки ре­актора:

- циклические изменения мощности, характеризующиеся изменением последней в примерно одних и тех же пределах с небольшим по време­ни (меньшим времени «приработки») и одинаковым периодом.