Особенности нейтронного поля в гетерогенном реакторе

С отражателем

Активная зона гетерогенного реактора состоит из множества геометрически одинаковых ячеек, каждая из которых представляет собой в общем случае тепловыделяющую сборку твэлов вместе с относящимися к ней замедлителем и другими компонентами активной зоны, располагающимися как внутри ТВС, так и вне ее.

Стало быть, в целом активная зона гетерогенного реактора приблизительно столь же однородна, как и гомогенная, а это значит, что общий закон распределения Ф(r,z) по радиусу и по высоте должен сохраниться тот же, что и в гомогенной активной зоне той же формы и размеров: по радиусу - бесселевский, по высоте - косинусоидальный. Но это совсем не значит, что локальные значения Ф(z,r) в различных точках активной зоны гетерогенного реактора допускается вычислять по формуле (9.3.4), справедливой только для гомогенного реактора с отражателем: от общего закона в локальных частностях распределение Ф(z,r) может отклоняться довольно существенно.

Попробуем сообразить: что может вызвать отклонения в распределении плотности потока тепловых нейтронов, например, по радиусу активной зоны от монотонно-плавной бесселевской кривой? - На этот вопрос мы уже в состоянии дать ответ: раз гетерогенная ячейка отличается от равного объёма гомогенной среды из тех материалов только геометрической композицией материалов в ней, то отклонение от монотонности распределения Ф(r,z) должно диктоваться, во-первых, обоими гетерогенными эффектами - внутренним и внешним.

Например, отклонение радиального распределения Ф(r) от равномерного распределения плотности потока тепловых нейтронов, вызванные радиальной неоднородностью свойств топливной композиции и замедлителя в ячейке. Поэтому, если мы мысленно заменим реальные многозонные ячейки активной зоны эквивалентными им двухзонными ячейками, состоящими из гомогенизированного "топливного блока" и окружающего его замедлителя, радиальное распределение плотности потока тепловых нейтронов в такой активной зоне будет выглядеть приблизительно так, как показано на рис. 9.8.

Так обстоит дело с радиальным распределением плотности потока тепловых нейтронов в однородной гетерогенной активной зоне (то есть составленной из одинаковых ячеек): радиальная гетерогенность свойств каждой ячейки порождает отклонения локальных значений Ф от плавного бесселевского радиального распределения. Но этим дело не исчерпывается.

ЦТВС ТВС ТВС ТВС ТВ С ТВС ТВС ТВС ТВС ТВС ТВС Экраны Корпус

 

Рис.9.8. Распределение плотности потока тепловых нейтронов по радиусу гипотетической активной зоны, составленной из двухзонных гетерогенных одинаковых ячеек. Штриховой линией показан общий (бесселевский) характер радиального распределения Ф(r),на который в пределах каждой ячейки накладываются "провалы", обусловленные внутренним блок-эффектом в гомогенизированных ТВС, и "подъёмы" Ф(r) в замедлителе, возникающие в результате внешнего блок-эффекта. Те же блок-эффекты усложняют картину распределения плотности потока тепловых нейтронов по радиусу отражателя: по толщине стальных экранов отражателя наблюдается "выедание" тепловых нейтронов (за счёт более сильных поглощающих свойств нержавеющей стали, чем воды).

 

Каждая из тепловыделяющих сборок реактора (пусть даже одинаковых) - структура многозонная: она состоит из одинаковых твэлов, охлаждаемых водой; в составе ТВС могут быть стержни выгорающего поглотителя; в ТВС могут использоваться не один, а несколько замедлителей. Каждый из материалов реальной ячейки активной зоны образует свою гомогенную область.

Поэтому внутренний и внешний блок-эффекты будут иметь место не только в пределах ТВС в целом, но и в пределах каждого твэла, каждого стержня с выгорающим поглотителем и каждого из используемых в ячейке замедлителей (рис.9.9). Теперь уже распределение плотности потока тепловых нейтронов, которое на рис.9.8 показывалось сплошной линией и имело для гомогенизированной тепловыделяющей сборки локальный характер, для реальной (не гомогенизированной) тепловыделяющей сборки будет иметь лишь общий, приблизительный характер, а на это общее распределение будут накладываться локальные частности, обусловленные многозонной структурой тепловыделяющей сборки и порождаемым этой многозонностью действием блок-эффектов в отдельных твэлах, стержнях с выгорающим поглотителем, замедлителях и других материалах ячейки.

В силу того, что в каждом твэле и в каждом стержне с выгорающим поглотителем действует внутренний блок-эффект, в пределах радиального сечения каждого твэла (иди стержня с ВП) будет наблюдаться некоторый «провал» в распределении плотности потока тепловых нейтронов, а вне твэла (или стержня с ВП) в воде – вследствие действия внешнего блок-эффекта – некоторое увеличение плотности потока тепловых нейтронов.

Твэл твэл твэл твэл твэл Кожуховая труба

 

 

 

r

 

Рис.9.9. Общий и локальный характер распределения плотности потока тепловых нейтронов по радиусу реальной ячейки ВВР. В пределах каждого твэла имеет место свой внутренний блок-эффект (что выражается "провалом" Ф в их пределах); в воде между твэлами Ф, наоборот, "вспухает" (результат действия внешнего блок-эффекта); циркониевая оболочка твэла (циркониевый сплав Н1 - хороший замедлитель) практически не отклоняет плавное распределение Ф(r) по своей толщине.

 

Но и это ещё не всё. Сами ТВС в активной зоне могут быть (а чаще всего так оно и есть) неодинаковыми: в одних ТВС есть подвижные поглощающие элементы (пэлы), в других - их нет; в одних ТВС есть стержни с ВП, а соседние с ними ТВС могут их не иметь; в одних ячейках есть добавочные замедлители, в других - их нет.

В самом общем случае ячейки активной зоны одинаковых геометрических размеров (что свойственно подавляющему большинству энергетических реакторов) могут отличаться друг от друга:

- количеством топлива и его обогащением;

- количеством поглотителей и их свойствами (например, в пределах одной ТВС могут быть использованы одновременно два ВП - борный и гадолиниевый, причём бор может быть включен в ТВС и как наполнитель отдельных борно-бериллиевых стержней (ББС), и как добавочный поглощающий компонент в нержавеющую сталь кожуховой трубы ТВС);

- количеством и качеством применяемых замедлителей.

При этом влияние на распределение плотности потока тепловых нейтронов каждого из этих факторов (отдельно) нетрудно себе представить:

- чем больше в ТВС ячейки содержится топлива (или чем выше величина его обогащения), тем более глубокий внутренний блок-эффект имеет место в такой ТВС в сравнении с ТВС с меньшим количеством топлива, тем выше значение коэффициента экранировки в такой ТВС и тем ниже величина среднерадиальной плотности потока тепловых нейтронов в такой ТВС (так как ей свойственно более глубокое "выедание" тепловых нейтронов при их диффузии от периферии к оси симметрии ТВС);

- чем больше поглотителей содержит ТВС, тем меньше величина плотности потока тепловых нейтронов в местах их размещения (за счёт внутреннего блок-эффекта);

- чем больше объём, занимаемый замедлителями в ячейке, и чем выше величины их замедляющей способности, тем выше величины локальных плотностей потока тепловых нейтронов в местах их размещения.

Из сказанного следует простой общий вывод:

Общая закономерность распределения плотности потока тепловых нейтронов в гетерогенной активной зоне та же, что в гомогенной активной зоне той же геометрии и состава. Локальные отклонения от общей закономерности обусловлены или локальными гетерогенными эффектами, или неравномерным размещением в объёме активной зоны топлива, замедлителей и поглотителей тепловых нейтронов.

Всё, о чём говорилось ниже, действительно не только для радиальной составляющей поля тепловых нейтронов в активной зоне, но и для распределения плотности потока тепловых нейтронов по её высоте, исключая тот факт, что распределению Ф(z) на любой вертикали активной зоны не свойственны блок-эффекты, и до тех пор, пока по этой вертикали сохраняется однородность свойств среды, через которую она проходит (в топливе твэла, в металле оболочке твэла, в кожуховой трубе ТВС, через воду теплоносителя или через замедлитель), и в её ближней окрестности (в радиусе приблизительно 2¸3 l_tr^аз), - распределение Ф(z) по этой вертикали не отличается от косинусоидального. Но, если на этой вертикали имеет место неоднородность свойств топливной композиции (топливные таблетки неодинакового обогащения в твэле) или по поглощающим свойствам (частично погруженный в активную зону подвижный поглотитель) или даже неодинаковость температур топлива, замедлителя или теплоносителя (что имеет место в любом работающим на мощности энергетическом реакторе), реальное распределение Ф(z) на этой вертикали может существенно отклоняться от косинусоидального.