2.9 Распределение потока нейтронов в активной зоне реактора

В первую очередь рассмотрим распределение потока нейтронов в активной зоне реактора, содержащей твэлы.

2.9.1 Грубое представление

В большинстве случаев активная зона реактора имеет грубую форму цилиндра (рис. 2.16). Если мысленно провести через центр активной зоны СМ (от англ, core middle) в каком-либо направлении прямую Сив каждой точке прямой G измерить поток нейтронов Ф, то получим в грубом виде типичную ("косинусную") форму с максимумов центре активной зоны и круто спускающимися фронтами к краю цилиндра (чем ближе нейтроны к краю активной зоны, тем больше у них шансов покинуть ее; поэтому поток там будет меньше).

В соответствии с этим ходом потока нейтронов твэлы, находящиеся ближе к краю, выгорают меньше, чем в центре активной зоны. Для большей равномерности выгорания и повышения вероятности избежать утечки Р вокруг активной зоны помещают оболочку - отражатель. Отражатель представляет собой слой материала, задача которого - вернуть в активную зону (отразить) покинувшие ее нейтроны.

На рис. 2.17 показано распределение потока нейтронов вдоль прямой G для «квадратной» активной зоны окруженной отражателем. Поток вблизи края активной зоны намного выше, чем без отражателя, т.е. ход потока по активной зоне стал более равномерным.

Р ис. 2.16. (Грубый) характер потока вдоль прямой G по центру активной зоны СМ (активная зона без отражателя).

Р ис. 2.17. (Грубый) характер потока вдоль прямой G по центру активной зоны СМ (активная зона окружена отражателем)

(------- распределение потока в отсутствии отражателя)

Горбы кривой потока в отражателе объясняются тем, что со стороны отражателя исчезло поглощение нейтронов топливными стержнями (там может скопиться относительно больше нейтронов, чем в смежной области активной зоны).

В ВВР и ВК отражатель не является самостоятельным компонентом, а образуется слоем воды, в котором не находится топливо.

2.9.2 Точное представление

Грубая картина хода потока нейтронов по активной зоне, рассмотренная в предыдущем разделе, уточняется тонкой структурой, обусловленной гетерогенным строением активной зоны.

Быстрые нейтроны генерируются в топливных стержнях и замедляются в воде, переходя в тепловые. Соответствующим образом поток быстрых нейтронов (взятый сам по себе) обнаруживает структуру с максимумами в топливных стержнях и минимумами в замедлителе (рис. 2.18).

Прямо противоположную тонкую структуру находим для потока тепловых нейтронов; они генерируются как тепловых нейтроны торможением быстрых в замедлителе и поглощаются топливными стержнями. Соответствующим образом тонкая структура их хода обнаруживает минимумы в топливных стержнях и максимумы между ними (рис. 2.18). Картину на рис. 2.18 можно получить наложением рис. 2.10 и рис. 2.16.

Управляющий стержень, содержащий в основном материал (бор, кадмий, Ag, In, Cd и т.п.) поглощающий тепловые нейтроны, изменяет структуру потока быстрых нейтронов лишь несущественно, но производит в ходе теплового потока глубокий сток (рис. 2.19).

Приведенные здесь общие рассуждения относительно распределения потока быстрых и тепловых нейтронов хотя и верны, но деление всего энергетического спектра нейтронов (от примерно 0,01 эВ до нескольких МэВ) только на две группы (быстрые и тепловые нейтроны) является слишком грубым, чтобы достаточно полно отразить действительную ситуацию. Особенно в областях средних энергий (примерно от 1 эВ и выше) характер изменения большинства сечений весьма сложен, так что привести здесь простые рассуждения о тонкой структуре не представляется возможным.

Однако необходимо понять, что именно неравномерность распределения потока нейтронов в активной зоне и других элементах реактора является основным лимитирующим фактором при повышении мощности реактора. Ее, в частности, следует учитывать при организации охлаждения активной зоны (см. п. 1.8).

В заключение раздела 2 рассмотрим процедуры загрузки активной зоны реактора перед началом его работы. Загрузка активной зоны изготовленного реактора (ВВР или ВК) представляет собой построение размножающей сборки (среды).

Р ис. 2.18. Условная тонкая структура быстрого (вверху) и теплового (внизу) потоков по измерительному участку вдоль ряда топливных стержней активной зоны.

Рис. 2.19. Условная тонкая структура быстрого и теплового потоков по измерительному участку вдоль управляющего стержня и твэлов активной зоны.