Reaktivita jaderného reaktoru

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 10. května 2021; kontroly vyžadují 5 úprav .

Reaktivita jaderného reaktoru je bezrozměrná veličina, která charakterizuje chování štěpné řetězové reakce v aktivní zóně jaderného reaktoru a je vyjádřena vztahem:

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

kde označuje efektivní multiplikační faktor neutronů . Reaktivita závisí na tvaru reaktoru, uspořádání materiálů v něm a na neutronových vlastnostech těchto materiálů. Je integrálním parametrem jaderného reaktoru, to znamená, že charakterizuje celý reaktor jako celek. $k_{{ef}}$

V různých případech může být pro usnadnění vyjádřena hodnota reaktivity v procentech, efektivní zlomky zpožděných neutronů , "dolary" (jednotka reaktivity) a jejich setiny centů atd.

Spojení s napájením

V závislosti na znaménku reaktivity se neutronový výkon reaktoru chová odlišně. Například při absenci dalšího vnitřního zdroje neutronů a zpětných vazeb v jaderném reaktoru se rozlišují tři různé stavy.

Pokud , pak se výkon neutronů nemění. Tento stav reaktoru se nazývá kritický . $\rho =0,k_{{ef}}}=1$
Pokud , pak se výkon neutronů po utlumení přechodových jevů zvýší. Tento stav reaktoru se nazývá superkritický . $\rho >0,k_{{ef}}>1$
Pokud , pak se výkon neutronů po zeslabení přechodných procesů sníží. Tento stav reaktoru se nazývá podkritický . $\rho<0,k_{{ef}}<1$

Přesněji řečeno, reaktivita je zahrnuta jako parametr v nejjednodušším přibližném modelu jaderného reaktoru, zapsaném v bodové aproximaci : $\rho$

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

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

Zde N(t) je celkový počet neutronů v reaktoru , neutronů (spontánní rozpad, výchozí zdroj neutronů atd.). $C(t)$ $\beta$ $\lambda ,s^{{-1}}$ $\Lambda (\rho )\,,s$ $Svatý)$

V jaderných energetických reaktorech je chování neutronového pole mnohem složitější než ve výše uvedeném modelu. Neutronové pole závisí na prostorových, úhlových a energetických proměnných, na vlivu různých typů zpětných vazeb , účinků otravy , vyhoření atd. Zohlednění těchto faktorů vede k nelineární integro-diferenciální rovnici neutronového pole, ze které vychází vyplývá, že neexistuje jednoznačný vztah mezi reaktivitou reaktoru a změnou jeho neutronového výkonu v současné době.

Pokud se například neutrony v počátečním okamžiku nacházely v místech, kde je větší pravděpodobnost jejich ztráty, pak dokud nebude ve všech bodech reaktoru stanovena stejná relativní rychlost změny počtu neutronů, bude existovat tendenci snižovat výkon. Platí to i naopak, počáteční rozložení hustoty toku neutronů může být takové, že na začátku procesu se výkon neutronů zvýší s negativní reaktivitou.

Použití v praxi

Reaktivita je v praxi široce používána, protože pomocí tohoto parametru je vhodné charakterizovat míru odchylky reaktoru od jeho kritického stavu. Například vynesením závislosti reaktivity na hloubce ponoření absorpční tyče do aktivní zóny lze určit polohu tyče, při které bude výkon reaktoru konstantní.

Navíc s malými odchylkami od nuly (téměř kritický stav reaktoru) má reaktivita vlastnost aditivity, což umožňuje přiřadit regulačním orgánům odpovídající hodnoty účinnosti (například hmotnost tyč ).

S využitím reaktivity jsou zavedeny pojmy, které v prvním přiblížení charakterizují stabilitu a bezpečnost reaktorové elektrárny: účinky a koeficienty reaktivity .

V praxi provozování jaderných elektráren se účinky a koeficienty reaktivity využívají jako

kontrolní parametry, kterými se posuzuje úroveň bezpečnosti jaderného reaktoru;
benchmarky, které slouží k ověření softwaru pro výpočet reaktoru.

Z těchto důvodů jsou na provozních reaktorových zařízeních prováděna periodická měření účinků a koeficientů reaktivity.

Obecně platí, že navzdory rozšířenému používání termínu reaktivita a jeho derivátů je jejich použití v praxi k predikci skutečného chování jaderného reaktoru značně omezeno podmínkami pro provádění bodové aproximace : fyzikálně malá velikost reaktoru nebo uniformita, malé poruchy.

Jednotky reaktivity

Reaktivita je bezrozměrná veličina , je to jen číslo a k měření reaktivity nejsou potřeba žádné speciální jednotky. V praxi se však k jeho měření používají různé relativní a konvenční jednotky:

1. reaktivitu lze měřit v procentech , tj. v jednotkách rovných jedné setině jednotky vyplývající z definice reaktivity.

2. reaktivita se měří v obrácených hodinách . Tato jednotka se používá pro malou reaktivitu při měření period reaktoru. Reverzní hodina je reaktivita odpovídající periodě reaktoru v ustáleném stavu 1 hodina.

3. reaktivita se měří v jednotkách β (zlomky zpožděných neutronů ) - tzv. dolary a jejich deriváty, centy (za jeden dolar se považuje reaktivita rovna β; centy jsou setiny reaktivity). Protože p = β je mezní hodnota reaktivity reaktoru řízeného zpožděnými neutrony, je pochopitelné, proč se taková hodnota reaktivity bere jako jednotka, zvláště když absolutní hodnota tohoto bloku závisí na typu jaderného paliva. β 239 Pu (0,0021 nebo 0,21 %) je tedy třikrát menší než β 235 U (0,0065 nebo 0,65 %) a reaktivita vyjádřená v absolutních jednotkách ne vždy ukazuje, jak se blíží limitní hodnotě. Reaktivita v centech se vždy vyjadřuje ve zlomcích své mezní hodnoty a takové vyjádření reaktivity je univerzální.

Řízení reaktivity

Reaktivita jaderného reaktoru se mění pohybem v jádru regulačních prvků řetězové reakce - válcových nebo jiných tvarů regulačních tyčí, jejichž materiál obsahuje látky silně pohlcující neutrony ( bór , kadmium atd.). Jedna taková tyč, když je zcela ponořena do aktivní zóny, zavádí negativní reaktivitu, nebo, jak se říká, váže reaktivitu reaktoru na několik tisícin. Hodnota související reaktivity závisí jak na materiálu a velikosti povrchu tyče, tak na místě ponoření do jádra, protože počet absorbovaných neutronů v materiálu tyče závisí na toku neutronů , který je v okrajových oblastech minimální. části jádra. Vyjmutí tyče z aktivní zóny je doprovázeno uvolněním reaktivity, a protože se tyč vždy pohybuje podél své osy, je přírůstek reaktivity charakterizován změnou polohy konce tyče v aktivní zóně. Při úplném ponoření tyče je spojena maximální možná reaktivita, nicméně posunutí tyče o daný zlomek její celkové délky, například o jednu setinu, způsobí nejmenší změnu reaktivity reaktoru, protože konec tyč se pohybuje do oblasti s nejnižším tokem neutronů.

Pokud je tyč napůl ponořená, váže polovinu možné reaktivity, ale nyní je pohyb tyče nahoru o stejný zlomek délky doprovázen maximálním uvolněním reaktivity. V tomto druhém případě uvolněná reaktivita překračuje dvojnásobek průměrné reaktivity spojené se stejnou částí délky tyčinky. Pokud pro jistotu předpokládáme, že celková reaktivita vázaná na tyč je 5⋅10 −3 , pak uvolnění reaktivity při pohybu tyče o jednu setinu její délky nepřesáhne 10 −4 . Výška aktivní zóny reaktoru je obvykle více než metr a poloha konce regulační tyče je fixována s přesností mnohem větší než centimetr. V důsledku toho se ukazuje, že v rozsahu reaktivity od nuly do maxima lze reaktivitu reaktoru řídit s přesností 10 −5 a periody ustáleného stavu , odpovídající tak malé reaktivitě, se měří v hodinách. Při absenci zpožděných neutronů by bylo řízení reaktivity s přesností 10 −5 zjevně nedostatečné.

Viz také

Literatura

A. N. Klimov. Jaderná fyzika a jaderné reaktory. — M.: Atomizdat , 1971. — 384 s.
V. E. Levin. Jaderná fyzika a jaderné reaktory. 4. vyd. — M.: Atomizdat , 1979. — 288 s.
B. V. Petunin. Tepelná energetika jaderných zařízení. — M.: Atomizdat , 1960. — 232 s.
V. E. Žitarev, V. M. Kačanov, G. V. Lebeděv, A. Yu Sergevnin. Otázky atomové vědy a techniky, řada - fyzika jaderných reaktorů, číslo 4, Národní výzkumné centrum "Kurčatov institut", 2013. - 46 s.