Выгорающий поглотитель


Теперь второй выгорающий поглотитель. Реально их рассматривается всего три. Бор рассматривался как гомогенный поглотитель на атомных лодках, потом гадолиний рассматривался как гетерогенный поглотитель, третий — эрбий – вот эрбий пошел в РБМК. В ВВЭР, по-моему, только с гадолинием твэги, эрбия там нет. Почему в РБМК применен эрбиевый поглотитель? Ведь больших проблем с запасом реактивности на РБМК нет, потому что он работает в режиме ежедневных фактических перегрузок и там не нужно такого большого запаса реактивности на год, как на ВВЭР. Но есть проблемы с безопасностью и одна из них, как мы уже знаем — это положительный температурный коэффициент реактивности графита, по замедлителю.

Вопрос – эрбий только в РБМК используется?

  Только в РБМК, насколько я знаю. В ВВЭР нет необходимости его использовать.

Вопрос – он применяется для снижения температурного эффекта?

Для снижения  температурного эффекта, положительного температурного эффекта. Точнее сказать, для компенсации положительного температурного коэффициента реактивности графитового замедлителя. Вообще, этот эффект можно свести к нулю и даже сделать отрицательным.

Выгорающий поглотительКакая физика этого процесса?  Все дело в микроскопическом сечении эрбия. Построим зависимость сечения эрбия Выгорающий поглотитель от энергии Е (рис. 17.12). Мы говорим эрбий, но на самом деле имеем в виду изотоп 167Er – у эрбия несколько изотопов, но именно изотоп 167Er является тем самым выгорающим поглотителем, который компенсирует положительный температурный коэффициент реактивности графита. Какой вид имеет сечение захвата? У эрбия примерно в точке 0,7 эВ — резонанс в тепловой области. Что же происходит при наличии эрбия в РБМК? Нарисуем на рис. 17.12 еще вторую функцию – спектр тепловых нейтронов Ф(Е). Пусть одна кривая — это, допустим, поток нейтронов Ф(Е) при 300 К, а рядом – поток нейтронов при 600 К. Видно, что спектр Ф(Е) при 600 К сдвинут относительно спектра Ф(Е) при 300 К. Т.е., когда разогревается графит, спектр тепловых нейтронов смещается за счет того, что атомы замедлителя при более высокой температуре начинают двигаться с более высокой скоростью. Если у атомов замедлителя становится более высокая энергия, то и температура нейтронного газа, или средняя энергия тепловых нейтронов будет повышаться так, как будет повышаться температура замедлителя. Т.е. вы видите, спектр, его максимум, смещается в правую сторону, в сторону более высоких энергий. И наползает на вот этот очень сильный резонанс 167Er. Это значит, что количество поглощений в 1 с в эрбии с ростом температуры замедлителя увеличивается. Запишем коэффициент q (все это идет через коэффициент  q)

Выгорающий поглотитель.                                           (17.9)

Так вот, когда температура замедлителя будет возрастать, вот этот член в (17.9) чуть-чуть возрастает, эти будут убывать, а вот этот (Выгорающий поглотитель) сильно возрастает. Т.е. в знаменателе (17.9) появляется сильно возрастающий при увеличении температуры замедлителя член. Т.е. макроскопическое сечение захвата нейтронов эрбием сильно увеличивается и приводит к уменьшению q. Если без эрбия в РБМК q с ростом температуры увеличивалось, то при наличии эрбия q уменьшается. Это означает, что температурный коэффициент реактивности графита стал отрицательным.

Вопрос – наверное, не графита, а замедлителя?

А это для РБМК одно и то же. Другого замедлителя просто нет. Вода, конечно, лучше замедляет нейтроны, чем графит, но ее в РБМК очень мало. Поэтому в РБМК спектр тепловых нейтронов определяется температурой графита, а не воды.

Вопрос – а у РБМК при работе температура 600 К?

 В рабочих условиях даже выше. Я думаю, градусов 500 Цельсия, это ~ 800 К.

Вопрос – а графит тогда не уходит от резонанса?

Нет, 600 К, на самом деле – это еще до резонанса, потому что если вы возьмете максимум для тепловых нейтронов при 300 К – там энергия, соответствующая максимуму — 0,025 эВ. Помните? Если вы удвоите температуру по Кельвину, т.е. возьмете 600 К – это значит, энергия тепловых нейтронов удвоится – будет 0,05 эВ. Это еще много меньше, чем максимум резонанса, т.е. туда эта энергия не доходит. И до 1000 К графит нагреется – все еще будет действовать эффект. Т.е. не переваливает через максимум, а на возрастающей ветви кривой работает.

Кроме того, эрбий, как вообще поглотитель нейтронов еще стабилизирует распределение потока нейтронов по объему активной зоны РБМК (там очень нестабильное поле распределения).

Вопрос – а вот нам говорили, что у эрбия двугорбая кривая поглощения, т.е. при температурном расширении, он доплер-эффект замыкает?

Нет, доплер-эффект здесь малую роль играет, потому что у эрбия резонанс достаточно широкий, вот этот первый резонанс, главную роль играет первый резонанс эрбия. И все определяется температурой замедлителя. Не то, что вот этот эффект колебательного движения. Эффект колебательного движения играет большую роль для узких резонансов, как для 238U.  Если, как у эрбия, первый резонанс очень широкий, то основной эффект идет за счет сдвига, за счет наползания на него спектра максвелла, потока тепловых нейтронов. Вот это основной эффект. А если выше взять (у него же не один резонанс), то те резонансы уже больше зависят не от температуры замедлителя, а от температуры топлива, т.е. они добавляют в доплер-эффект вклад, как на 238U. Это дело другое, т.е. это относится к тому, что 238U дает отрицательный доплер-эффект, и высокие резонансы эрбия тоже  уширяются и тоже дают свой вклад, но это уже относится к температурному коэффициенту топлива, а мы говорим сейчас о компенсации положительного температурного коэффициента замедлителя. Т.е. первый резонанс эрбия –  широкий, поэтому там важно не колебательное движение, как на каком-нибудь остром пике, а налезание спектра.

Ну вот, фактически мы закончили основы физики и динамики реактора и сейчас мы перейдем к практическим применениям этих знаний. В дальнейшем на тренажере а сейчас давайте рассмотрим аварию на 4-м блоке Чернобыльской станции. Прежде чем непосредственно перейти к анализу чернобыльской аварии, давайте рассмотрим тепловую схему первого контура РБМК (рис. 17.13). В РБМК, в общем то, два контура, есть контур КМПЦ и есть контур питательной воды. Найдем зависимость температуры воды, подаваемой в реактор от режима работы.

Выгорающий поглотитель Введем вот такие обозначения на рис. 17.13: реактор (Р), из него выходит пароводяная смесь (ПВС), которая поступает на барабан-сепаратор (БС). От питательного насоса (ПН) идет вода, поступает в ГЦН. Вот эту воду мы назовем котловой водой (КВ). Из реактора выходит пароводяная смесь (ПВ). Реактор РБМК работает в кипящем режиме, генерирует пароводяную смесь, которая поступает в барабан-сепаратор и разделяется на воду и сухой насыщенный пар, который идет на турбину. Там пар конденсируется, делает полезную работу, питательная вода питательным насосом подается в сепаратор и смешивается с сепаратом. Смесь питательной воды и сепарата дает котловую воду.

Давайте теперь обозначим материальные балансы. Пусть будет GПВ
– расход питательной воды, GПВС – расход пароводяной смеси, GП
– расход пара, который равен расходу питательной воды, потому что сколько пара идет на турбину, ровно столько питательной воды должно возвращаться. Запишем  еще расход котловой воды GКВ

GКВ =  GПВ + GС,                                           (17.10)

где GС
– расход сепарата, т.е. воды в пароводяной смеси. Поэтому мы можем записать, что расход пароводяной смеси равен

GПВС
= GП + GС.                                        (17.11)

Вот такие материальные потоки нам будут нужны для анализа.

       Вопрос – а за счет чего там нагнетается давление на турбину?

Питательный насос. А куда же деться? Пар кипит, питательный насос создает давление 70 – 90 атм. Так же, как в ВВЭР работает питательный насос, так и в РБМК, только в ВВЭР питательный насос дает воду в парогенератор, а в РБМК питательный насос подает конденсат обратно в контур в опускные трубопроводы барабан-сепаратора.

          Вопрос – что такое КВ? 

КВ  — котловая вода – то, что подается в реактор, ПВС – пароводяная смесь – то, что выходит из реактора. Естественно, расход котловой воды равен расходу пароводяной смеси, тут никаких потерь нет.

Вопрос – а там, в конденсаторе, там какая смесь? Чем охлаждается?

Там такой же конденсатор, обычный. Правда, там немножко радиоактивная вода, т.е. в конденсатор поступает вода радиоактивная.