Kärnreaktorreaktivitet

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 10 maj 2021; kontroller kräver 5 redigeringar .

Reaktiviteten hos en kärnreaktor är en dimensionslös storhet som kännetecknar beteendet hos en klyvningskedjereaktion i kärnan av en kärnreaktor och uttrycks av relationen:

\rho ={{k_{{ef}}-1} \over k_{{ef}}}

där anger den effektiva neutronmultiplikationsfaktorn . Reaktivitet beror på formen på reaktorn, arrangemanget av material i den och de neutroniska egenskaperna hos dessa material. Det är en integrerad parameter för en kärnreaktor, det vill säga den kännetecknar hela reaktorn som helhet. $k_{{ef}}$

I olika fall, för enkelhetens skull, kan värdet av reaktivitet uttryckas i procent, effektiva fraktioner av fördröjda neutroner , "dollar" (reaktivitetsenhet) och deras hundradelar av cent, etc.

Anslutning med ström

Beroende på tecknet på reaktiviteten beter sig neutronkraften i reaktorn annorlunda. Till exempel, i avsaknad av en ytterligare intern källa för neutroner och återkopplingar i en kärnreaktor, särskiljs tre olika tillstånd.

Om , så ändras inte neutroneffekten. Detta tillstånd av reaktorn kallas kritiskt . $\rho =0,k_{{ef}}=1$
Om , kommer neutroneffekten efter dämpningen av transienterna att öka. Detta tillstånd av reaktorn kallas superkritiskt . $\rho >0,k_{{ef}}>1$
Om , kommer neutroneffekten efter dämpningen av transienta processer att minska. Detta tillstånd i reaktorn kallas subkritiskt . $\rho<0,k_{{ef}}<1$

Mer exakt är reaktivitet inkluderad som en parameter i den enklaste ungefärliga modellen av en kärnreaktor, skriven i en punktapproximation : $\rho$

N'(t)={\frac {\rho -\beta }{\Lambda }}N(t)+\lambda C(t)+S(t),

C'(t)={\frac {\beta }{\Lambda }}N(t)-\lambda C(t).

Här är N(t) det totala antalet neutroner i reaktorn , neutroner (spontant sönderfall, startkälla för neutroner, etc.). $C(t)$ $\beta$ $\lambda ,s^{{-1}}$ $\Lambda (\rho )\,,s$ $S(t)$

I kärnkraftsreaktorer är neutronfältets beteende mycket mer komplext än i modellen som presenteras ovan. Neutronfältet beror på rumsliga, vinkel- och energivariabler, på inverkan av olika typer av återkopplingar , effekter av förgiftning , utbrändhet , etc. Redovisning av dessa faktorer leder till en ickelinjär integro-differentialekvation för neutronfältet, varifrån det följer att det inte finns något entydigt samband mellan reaktorns reaktivitet och förändring i dess neutroneffekt vid den aktuella tidpunkten.

Till exempel, om neutroner vid det första ögonblicket var lokaliserade på platser där de är mer benägna att gå förlorade, kommer det att finnas en relativ förändringshastighet i antalet neutroner vid alla punkter i reaktorn. tendens att minska kraften. Det omvända är också sant, den initiala fördelningen av neutronflödestätheten kan vara sådan att i början av processen kommer neutroneffekten att öka med negativ reaktivitet.

Använd i praktiken

Reaktivitet används ofta i praktiken, eftersom det är bekvämt att karakterisera graden av avvikelse för reaktorn från dess kritiska tillstånd med hjälp av denna parameter. Till exempel, genom att plotta reaktivitetens beroende av nedsänkningsdjupet hos en absorberande stav i härden, kan man bestämma stavens position vid vilken reaktoreffekten kommer att vara konstant.

Dessutom, med små avvikelser från noll (nästan kritiskt tillstånd av reaktorn), har reaktiviteten egenskapen additivitet, vilket gör det möjligt att tilldela motsvarande effektivitetsvärden till tillsynsorganen (till exempel vikten av spö ).

Med användning av reaktivitet introduceras begrepp som kännetecknar, i en första approximation, stabiliteten och säkerheten i en reaktoranläggning: effekter och reaktivitetskoefficienter .

I praktiken att driva kärnkraftverk används effekterna och reaktivitetskoefficienterna som

kontrollparametrar genom vilka säkerhetsnivån för en kärnreaktor bedöms;
riktmärken, som används för att verifiera programvaran för reaktorberäkning.

Av dessa skäl genomförs periodiska mätningar av effekterna och reaktivitetskoefficienterna vid reaktoranläggningar i drift.

I allmänhet, trots den utbredda användningen av termen reaktivitet och dess derivat, är deras användning i praktiken för att förutsäga det verkliga beteendet hos en kärnreaktor allvarligt begränsad av villkoren för att utföra punktapproximationen : reaktorns fysiskt ringa storlek eller uniform, små störningar.

Reaktivitetsenheter

Reaktivitet är en dimensionslös storhet , det är bara ett tal och inga speciella enheter krävs för att mäta reaktivitet. Men i praktiken används olika relativa och konventionella enheter för att mäta det:

1. reaktivitet kan mätas i procent , det vill säga i enheter lika med en hundradel av den enhet som är resultatet av definitionen av reaktivitet.

2. reaktivitet mäts i omvända timmar . Denna enhet används för liten reaktivitet vid mätning av reaktorns perioder. Den omvända timmen är den reaktivitet som motsvarar en stationär reaktorperiod på 1 timme.

3. reaktivitet mäts i enheter av β (fraktioner av fördröjda neutroner ) - de så kallade dollar och deras derivat, cent (en dollar anses vara reaktivitet lika med β; cent är hundradelar av reaktivitet). Eftersom p = β är gränsvärdet för reaktiviteten hos en fördröjd neutronstyrd reaktor, är det förståeligt varför ett sådant reaktivitetsvärde tas som en enhet, särskilt eftersom det absoluta värdet för denna enhet beror på typen av kärnbränsle. Således är β 239 Pu (0,0021 eller 0,21 %) tre gånger mindre än β 235 U (0,0065 eller 0,65 %), och reaktiviteten uttryckt i absoluta enheter indikerar inte alltid hur den är nära gränsvärdet. Reaktivitet i cent uttrycks alltid i bråkdelar av dess gränsvärde, och en sådan representation av reaktivitet är universell.

Reaktivitetskontroll

Reaktiviteten hos en kärnreaktor ändras genom att röra sig i kärnan av kedjereaktionskontrollelementen - cylindriska eller annan form av kontrollstavar, vars material innehåller ämnen som starkt absorberar neutroner ( bor , kadmium , etc.). En sådan stav, när den är helt nedsänkt i kärnan, introducerar en negativ reaktivitet, eller, som de säger, binder reaktorns reaktivitet till några tusendelar. Värdet på den associerade reaktiviteten beror både på stavytans material och storlek och på platsen för nedsänkning i kärnan, eftersom antalet absorberade neutroner i stavmaterialet beror på neutronflödet , vilket är minimalt i den perifera delar av kärnan. Avlägsnandet av staven från den aktiva zonen åtföljs av frigörande av reaktivitet, och eftersom staven alltid rör sig längs sin axel, kännetecknas reaktivitetsökningen av en förändring i läget för änden av staven i den aktiva zonen. När staven är helt nedsänkt är den maximala möjliga reaktiviteten associerad, men att flytta staven med en given bråkdel av dess totala längd, till exempel med en hundradel, orsakar den minsta förändringen i reaktorns reaktivitet, eftersom slutet av staven rör sig till området med det lägsta neutronflödet.

Om staven är halvt nedsänkt binder den hälften av den möjliga reaktiviteten, men att nu flytta staven uppåt med samma bråkdel av längden åtföljs av maximal reaktivitetsfrisättning. I det senare fallet överstiger den frigjorda reaktiviteten två gånger den genomsnittliga reaktiviteten förknippad med samma bråkdel av stavlängden. Om vi för bestämdhetens skull antar att den totala reaktiviteten bunden av staven är 5⋅10 −3 , så överstiger inte frigörandet av reaktivitet när staven rör sig en hundradel av sin längd 10 −4 . Höjden på reaktorkärnan är vanligtvis mer än en meter, och läget för änden av kontrollstaven är fixerad med en noggrannhet som är mycket större än en centimeter. Som ett resultat visar det sig att i reaktivitetsintervallet från noll till maximum kan reaktorreaktiviteten styras med en noggrannhet på 10 −5 , och stationära perioder , som motsvarar en sådan liten reaktivitet, mäts i timmar. I frånvaro av fördröjda neutroner skulle kontroll av reaktivitet med en noggrannhet på 10 −5 vara klart otillräcklig.

Se även

Litteratur

A.N. Klimov. Kärnfysik och kärnreaktorer. — M.: Atomizdat , 1971. — 384 sid.
V. E. Levin. Kärnfysik och kärnreaktorer. 4:e uppl. — M.: Atomizdat , 1979. — 288 sid.
B.V. Petunin. Termisk kraftteknik av kärnkraftsanläggningar. — M.: Atomizdat , 1960. — 232 sid.
V. E. Zhitarev, V. M. Kachanov, G. V. Lebedev, A. Yu. Sergevnin. Frågor om atomvetenskap och teknik, serier - kärnreaktorers fysik, nummer 4, National Research Center "Kurchatov Institute", 2013. - 46 sid.