И дифференциальной эффективности

При изменении степени погружения стержня-поглотителя в активную зону его эффективность меняется. Закономерность изменения эффективности поглотителя с высотой определяется следующим правилом теории возмущений:

При частичном погружении однородного стержня-поглотителя в активную зону его дифференциальная эффективность изменяется пропорционально квадрату плотности потока тепловых нейтронов в том месте невозмущённой активной зоны, где находится нижний конец стержня.

 

В стационарной невозмущённой активной зоне на любой её вертикали до введения в неё стержня устанавливается строго определённое распределение плотности потока тепловых нейтронов Ф_r(Н). Этому распределению соответствует столь же строго определённое распределение квадрата плотности потока тепловых нейтронов по высоте на рассматриваемой вертикали Ф_r²(Н).

Из правила следует, что величина дифференциальной эффективности стержня-поглотителя пропорционально отслеживает по высоте активной зоны локальную величину квадрата плотности потока тепловых нейтронов. Поэтому график изменения дифференциальной эффективности поглотителя по высоте активной зоны dr/dH = a_н(Н) = f(H), кратко называемый кривой дифференциальной эффективности поглотителя, формально выглядит для стержня полной длины как график распределения квадрата плотности потока тепловых нейтронов по высоте активной зоны, выполненный по оси ординат в другом масштабе.

a _н =

 

0 Н

(НКВ) Н^* H_аз(ВКВ)

r_сп(Н)

 

 

Физический вес

поглотителя

 

 

Н

НКВ Н^* ВКВ

 

Рис.21.5. Иллюстрация закономерности изменения величин дифференциальной и интегральной эффективности однородного стержня-поглотителя полной длины по высоте активной зоны.

Поскольку в нижней и верхних частях активной зоны величины плотности потока тепловых нейтронов невелики, небольшой оказывается и величина дифференциальной эффективности стержня в этих областях; в центре активной зоны (или вблизи его при несимметричном распределении Ф(Н)), где величины плотности потока тепловых нейтронов имеют наибольшие значения, наибольшей оказывается и дифференциальная эффективность поглотителя (рис.21.5).

Кривая интегральной эффективности поглотителя может быть просто перестроена по известной кривой дифференциальной эффективности, поскольку, как отмечалось выше, величина интегральной эффективности любого поглотителя в любом положении Н представляет собой интеграл функции дифференциальной эффективности в пределах от низа активной зоны до данного положения. В соответствии с этим переменный угол наклона касательной к графику функции r(Н) в верхней и нижней частях активной зоны мал, а в центре активной зоны, где величина плотности потока тепловых нейтронов максимальна, - максимален и угол наклона касательной. Более того, точка максимума Н^* на кривой дифференциальной эффективности всегда соответствует точке перегиба на кривой интегральной эффективности.

Таков «классический» вид кривых дифференциальной и интегральной эффективности для однородного стержня поглотителя полной длины в случае симметричного (например, косинусоидального) распределения плотности потока тепловых нейтронов по высоте активной зоны.

Если вертикальное распределение плотности потока тепловых нейтронов в реакторе не симметрично (а так оно и есть практически всегда), то и формы кривых эффективности поглотителя будут меняться в соответствии с распределением Ф(Н). Если максимум распределения Ф(Н) сдвинут ниже середины высоты активной зоны, ровно настолько же сдвигается и максимум дифференциальной эффективности поглотителя; если максимальное значение Ф лежит выше центра активной зоны, точка максимума дифференциальной эффективности также находится выше центра (рис.21.6).

a _н(Н)

 

0 Н

 

r(Н)

 

0 Н

НКВ ВКВ

Рис.21.6. Кривые дифференциальной и интегральной эффективности поглотителя при несимметричном распределении Ф(Н) в реакторе.

В большинстве транспортных реакторов максимум вертикального распределения Ф(Н) смещён ниже середины высоты активной зоны. Реакторам АЭС свойственно, наоборот, распределение Ф(Н) с сильно сдвинутым вверх максимумом (зачастую совсем «вытесненным» за пределы активной зоны). В соответствии с этим и кривые дифференциальной эффективности могут иметь «неклассическую» форму, без максимума. На рис.21.7 показана для примера одна из таких характеристик – кривая интегральной эффективности рабочей (10-ой) группы поглотителей для реакторов типа ВВЭР-1000.

 

r (Н), %

 

0.60

 

0.50

 

0.40

 

0.30

 

0.20

 

0.10

 

 

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Н, %Н_аз

 

Рис. 21.7. Кривая интегральной эффективности 10-ой группы ВВЭР-1000 в начале кампании.

21.8. Изменение реактивности реактора при перемещении стержня

Если стержень, находившийся в исходном положении Н₁, перемещается по высоте активной зоны на некоторое расстояние DН в новое положение Н₂ (т.е.DН = Н₂ – Н₁), то изменение реактивности реактора составит величину, находимую по формуле:

(21.8.1)

то есть находится как разность интегральных эффективностей поглотителя в конечном и начальном его положениях.

При всей своей простоте эта формула является универсальной, поскольку знак получаемого изменения реактивности Dr учитывается автоматически: если стержень перемещается вверх (DН = Н₂ – Н₁ > 0), то r(Н₂) > r(Н₁) и получаемое изменение реактивности Dr > 0, то есть в результате перемещения стержня реактору сообщается положительная реактивность; если же стержень перемещается вниз (DН < 0), то и величина Dr < 0, то есть перемещение стержня приводит к сообщению реактору отрицательной реактивности.

Для «тяжёлых» поглотителей при малых их перемещениях по высоте активной зоны формула (21.8.1) для расчёта изменений реактивности не годится: снять с кривой интегральной эффективности начальное и конечное значения интегральной эффективности практически очень трудно (они близки друг к другу и на графике почти неотличимы). В этом случае для более или менее точного определения изменения реактивности пользуются кривой дифференциальной эффективности по формуле:

(21.8.2)

где величину дифференциальной эффективности (dr/dH) снимают с кривой дифференциальной эффективности поглотителя при начальном его положении Н₁. То есть в данном случае используется известный в математике приём линеаризации функции: несмотря на то, что кривая интегральной эффективности нелинейная, в небольших интервалах изменения аргумента её можно с достаточной для практических целей точностью считать линейной. А это значит, что величину дифференциальной эффективности в малом интервале можно считать постоянной и равной её значению на одном из концов интервала.

В практических расчётах операторы ВВЭР при перемещениях стержней (или групп стержней) не более 5 – 6 см пользуются формулой (21.8.2), а при больших перемещениях (когда нелинейностью интегральной эффективности пренебрегать нельзя) – формулой (21.8.1).