Теория ядерных реакторов - Белл Д.
Скачать (прямая ссылка):
9.5.5. ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ
Экспериментальный реактор-размножитель. Представляют интерес два примера измеренных передаточных функций, которые указывают на возможность появления неустойчивости реактора при достаточно высокой мощности. Первый пример связан с одним из первых быстрых реакторов— экспериментальным реактором-размножителем EBR-I. Определение передаточной функции в 1955 г. было одним из первых таких измерений на реакторе. Осцилляции мощности в определенных условиях наблюдались в активной зоне Mark II. Передаточная функция последовательно определялась в широком диапазоне условий с использованием метода осциллирующего стержня.
Некоторые из результатов изображены на рис. 9.17. Они относятся к трем рабочим мощностям при постоянном расходе теплоносителя 21,6 мя/ч [57]. В согласии с аргументами, представленными ранее, реактор устойчив при низкой умеренной мощности, HO при более высокой мощности появляется выраженный резонанс, подтверждающий приближение к неустойчивости.
Осцилляции мощности, предшествующие появлению неустойчивости, неудобны при эксплуатации реактора, но не обязательно опасны. Для реактора EBR-I частота резонанса была равна 0,2 рад/сек, как легко видеть на рис. 9.17. Следовательно, период составлял приблизительно 30 сек. С осцилляциями такой
407
частоты можно легко справиться с помощью управляющих стержней, особенно если это делается автоматически.
Физические причины резонансов (или неустойчивости) в реакторе EBR-I не были полностью объяснены, но известно, что этот реактор имел положительный мгновенный топливный коэффициент обратной связи и большой по величине отрицательный запаздывающий коэффициент. Как указано в разд. 9.4.5, эта ситуация может привести к неустойчивости при достаточно высокой рабочей мощности. Полагают, что мгновенный положительный коэффициент был вызван
Рис. 9.18. Экспериментальные л расчетные передаточные функции для реактора EBWR [61].
1 5 10 50 100
Чq cm ота, сек'1
смещением топливных стержней к центру реактора, где поток нейтронов и температура были выше средних значений. Запаздывающая отрицательная связь, с другой стороны, имела место, вероятно, благодаря механическим движениям плиты, поддерживающей топливные стержни [58]. Так как деформация топливных элементов может наблюдаться в реакторе любого типа, как быстрого, так и теплового, необходимо принять меры предосторожности для ее уменьшения.
Нужно отметить, что частичное расплавление активной зоны Mark II реактора EBR — I происшедшее в 1956 г., не было следствием неустойчивости, о которой говорилось выше. Перегрева, имевшего место во время экспериментального изменения мощности и вызванного стечением обстоятельств, можно было избежать [59]. Тем не менее из-за расплавления не было возможности проверить механизм обратных связей в этом случае.
Экспериментальный кипящий водяной реактор. Образование паровых пузырей в кипящих водяных реакторах является важным механизмом обратных связей, посредством которого мощность реактора влияет на реактивность. В ранних исследованиях таких реакторов [60] считалось, что они должны быть сконструированы так, чтобы образование паровых полостей уменьшало реактивность. Тем не менее опасались, что из-за наличия временного интервала, существующего между процессами генерации мощности и образованием пузырей, реактор может стать неустойчивым или иметь осцилляции мощности (см. разд. 9. 4. 7).
Измерения передаточной функции были проведены на экспериментальном кипящем водяном реакторе EBWR — гетерогенном реакторе с замедлителем и теплоносителем в виде обычной воды и с естественной циркуляцией. Некоторые результаты, полученные при рабочем давлении около 40атм, показаны на рис. 9.18. Имеются признаки резонанса при мощности, близкой к 20 Memr и он очень заметен при мощности 50 Мет. Очень хорошее согласие с наблюдаемыми передаточными функциями было получено из расчетов, основанных на
408
механизмах обратных связей от различных эффектов, включая образование паровых полостей [611.
Резонансы на рис. 9.18 имеют место при частотах в районе 10 сек'1. Период осцилляции составляет, следовательно, от 0,5 до 1 сек и может быть слишком короток с точки зрения управления реактором. Поэтому конструкция или условия работы реактора должны быть выбраны такими, чтобы избежать неустойчивости [621. К счастью, можно так сконструировать кипящие водяные реакторы, что эта неустойчивость не появится даже при высокой мощности, и в настоящее время такие реакторы работают при уровнях мощности до 1000 Мет.
Следует отметить, что спонтанные осцилляции мощности малой амплитуды наблюдались в реакторе EBWR при почти тех же частотах. Однако они не предствляют опасности во время работы и не очень важны в современных кипящих водяных реакторах.
9.6. БОЛЬШИЕ НЕЙТРОННЫЕ ВСПЫШКИ
9.6.1. МОДЕЛЬ ФУКСА —ХАНСЕНА
Большие нейтронные вспышки интересны в различных ситуациях, как реальных, так и гипотетических [631, а именно: а) в импульсных реакторах, таких, как «Годива», TREAT и TRIGA; б) при специально устраиваемых больших скачках реактивности, как в экспериментах на реакторах SPEPT, BORAX и KEWB; в) при анализе специально организованных аварий реакторов. Во всех этих случаях система быстро приводится в надкритическое на мгновенных нейтронах состояние, так что общее количество нейтронов начинает возрастать с большой скоростью. Обычное охлаждение не может снять все выработанное тепло, и температура в реакторе растет, пока не начнут действовать компенсирующие факторы, уменьшающие реактивность до нуля и, следовательно, прекращающие вспышку. На практике факторы, уменьшающие реактивность, зависят от конструкции реактора и от скорости возрастания мощности. Поэтому точечная модель реактора не всегда подходит для расчета уменьшения реактивности. Тем не менее некоторые полезные выводы нетрудно сделать на основе такого приближения, в котором уменьшение реактивности рассматривается в рамках простой модели обратной связи. Этот подход иногда называют моделью Фукса — Хансена [641, хотя подобные исследования были сделаны независимо [651.
