В практике удобнее пользоваться не коэффициентом размножения, а производной от него величиной - реактивностью.

Определение: Реактивность - это отклонение коэффициента размножения от единицы отнесенное к коэффициенту размножения.

При увеличении коэффициента размножения Кэф, говорят о внесенной положительной реактивности, при уменьшении - говорят о внесенной отрицательной реактивности.

Для обеспечения безопасной работы реактора, увеличение реактивности в реакторе не должно превышать долю запаздывающих нейтронов.

где - доля запаздывающих нейтронов.

Возможность управления реактором характеризуется скоростью увеличения (уменьшения) мощности, она должна быть такова, чтобы системы и механизмы управления успевали реагировать на это изменение. Для определения управляемости реактора введена величина периода реактора.

Определение: Период реактора - это время в течении которого мощность изменяется в е раз (е = 2.718 ).

По правилами безопасности, при нормальной работе реактора, его период не должен быть менее 15-20 секунд.

Пример: Мы внесли реактивность = 0.014 в реактор, где доля запаздывающих нейтронов = 0.007. Для мгновенных нейтронов составляет 1- = 0.993. Коэффициент размножения в этом случае составит:

Кэф = 1/(1-) = 1.0142. Коэффициент размножения на мгновенных нейтронах через 1 с., при времени жизни мгновенных нейтронов 10-3 с., мы получим увеличение количества мгновенных нейтронов, а значит и мощности в 1.00711000 = 1181 раз.

Если мы внесем в реактор положительную реактивность, больше доли запаздывающих нейтронов, то мы получим разгон на мгновенных нейтронах. Период реактора будет определяться временем жизни мгновенных нейтронов, который, как было сказано, составляет тысячные доли секунды.

Правила ядерной безопасности жестко ограничивают величину единовременно вносимой реактивности.

Практическая реализация управления реактором.

В современных энергетических реакторах управление цепной реакцией осуществляется путем введением в активную зону веществ поглощающих нейтроны. Помещая в активную зону стержень, содержащий поглощающий элемент, например бор, мы уменьшаем коэффициент размножения (вводим отрицательную реактивность), за счет того, что часть нейтронов, поглощаясь на ядрах бора, выбывает из цепной реакции. Если вернутся к формуле четырех сомножителей, мы уменьшаем величину 5 - вероятность нейтронов поглотится в 235U. Вытаскивая стержень, мы увеличиваем 5, следовательно, увеличиваем коэффициент размножения.

Последовательность действий при увеличении мощности работающего реактора.

Выводится поглощающий стержень (вносится положительная реактивность). Коэффициент размножения становится больше 1, количество нейтронов и реакций деления растет, увеличивается мощность;

Выдерживается до требуемого значения время, необходимое для увеличения мощности;

Поглощающий стержень возвращается в исходное состояние (вносится отрицательная реактивность). Коэффициент размножения становится равным 1. Количество нейтронов во всех поколениях одинаково, мощность стабилизируется на новом уровне.

Поглощающий стержень, в данном случае, является органом регулирования реактивности.

Кроме регулирующего стержня на реактивность оказывают влияние другие факторы, например: изменение плотности теплоносителя, изменение температуры и т.д. Знание и учет этих явлений являются важными аспектом безопасности при проектировании и эксплуатации атомных реакторов.

Основы физики реактора.

В предыдущем разделе мы рассмотрели цепную реакцию деления и возможности по управлению реактором, мы ввели понятие реактивность, которое связано с коэффициентом размножения в делящейся среде. Рассмотрим подробнее, что может влиять на реактивность реактора.

Эффекты реактивности.

Если в делящейся среде происходят изменения температуры, ядерного состава, плотности, то они неизбежно приводят к изменению коэффициента размножения. Например: при поднятии температуры среды замедление на горячем замедлителе может ухудшиться и изменится вероятность избежать резонансного захвата 8. В процессе работы реактора количество ядер делящегося изотопа урана уменьшается, следовательно, уменьшится вероятность поглощения в 235U, 5. Поэтому, в начале работы должен присутствовать запас по количеству ядер 235U на выгорание. В физике ядерного реактора все эффекты принято подразделять на следующие типы:

Температурный эффект - разность реактивности в горячем и холодном состоянии.

В температурный эффект значительный вклад вносит плотностной эффект - изменение при нагреве плотности замедлителя или теплоносителя (в единице объема уменьшается количество ядер замедлителя).

При нагреве топлива наблюдается так называемый доплеровский эффект - увеличение диапазона энергий нейтрона при которых происходит резонансный захват на ядрах 238U.

Мощностной эффект - изменение реактивности при изменении мощности ректора.

При изменении мощности происходит изменение теплового потока от топлива к теплоносителю и изменяется температура топлива. При этом так же наблюдается доплеровский эффект.

При росте мощности увеличивается количество пузырьков пара в кипящем теплоносителе. Если в реакторе вода является одновременно замедлителем и теплоносителем, то замедление нейтронов ухудшается - отрицательный паровой эффект. В реакторе РБМК при увеличении количества пара в воде снижается поглощение нейтронов на ядрах водорода и количество нейтронов увеличивается, а изменение в замедлении незначительно, поскольку основной замедлитель графит - возникает положительный паровой эффект.

В результате деления после цепочек, образуется целый спектр различных ядер некоторые из них, особенно изотоп ксенона 135Xe и изотоп самария 149Sm сильно поглощают нейтроны. Уменьшение коэффициента размножения при накоплении в реакторе изотопов поглощающих нейтроны называется - эффектом отравления реактора.

Рассмотрим, изменение реактивности в процессе пуска реактора

Физические процессы при пуске реактора.

В начальный момент времени - после первой загрузки топливом, цепная реакция деления в реакторе отсутствует, реактор находится в подкритическом состоянии Кэф<1. Температура теплоносителя значительно меньше рабочей. Вывод реактора на мощность осуществляется в несколько этапов. С помощью органов регулирования реактивности реактор переводится в надкритическое состояние Кэф>1 и происходит рост мощности реактора до уровня 1-2 % от номинальной. На этом этапе производится разогрев реактора до рабочих параметров теплоносителя, причем скорость разогрева ограничена. В процессе разогрева органы регулирования поддерживают мощность на постоянном уровне. Затем производится пуск циркуляционных насосов и вводится в действие система отвода тепла. После этого мощность реактора можно повышать до любого уровня в интервале от 2 - 100 % номинальной мощности.