Основные регуляторы, влияющие на аварийные переходные процессы

В процессе работы реактор в основном находится в нестационарном состоянии. Эго вызвано либо переходными процессами, связанными с изменением мощности реактора, либо очень малыми колебаниями реактивности под влиянием различных внутренних или внешних факторов.

Оперативное изменение эффективного коэффициента размножения, удержание реактора в критическом и подкритическом состояниях осуществляются системой управления и защиты (СУЗ). В СУЗ входят рабочие органы, механические устройства, детекторы, приборы контроля, усилительные схемы. Можно выделить три основные функции СУЗ [1]:

1) компенсация избыточной реактивности;

2) изменение мощности реактора, включая его пуск и останов, а также регулирование (поддержание) мощности при малых, но достаточно быстрых отклонениях от критичности, вызванных случайными колебаниями параметров;

3) аварийная защита реактора (быстрое и надежное гашение цепной реакции деления).

Основной частью СУЗ являются рабочие органы, представляющие собой поглощающие стержни, которые вводятся в активную зону. Чем глубже в активной зоне находится поглощающий стержень, тем больше захват нейтронов и ниже коэффициент размножения. В качестве поглощающих материалов используют бор, кадмий и др. Наибольшее распространение получил карбид бора В₄С, имеющий необходимую термическую и радиационную стойкость.

В соответствии с функциями СУЗ поглощающие стержни разделяют на три группы: стержни автоматического регулирования (АР), компенсирующие стержни (КС) и стержни аварийной защиты (АЗ).

Стержни АР служат для изменения мощности реактора и поддержания ее на заданном стационарном уровне. Перемещение стержней АР изменяет реактивность активной зоны и тем самым переводит реактор в различные состояния (рис. 4.4): надкритическое (рост мощности); критическое (стационарный уровень мощности) и подкритическое (снижение мощности).

Компенсирующие стержни служат для компенсации запаса реактивности во время работы реактора и создания необходимой подкритичности в остановленном реакторе. В начальный период работы реактора они находятся в крайнем нижнем положении, т.е. полностью введены в активную зону. По мере работы реактора запас реактивности уменьшается и КС постепенно выводятся из активной зоны. Размещение их в крайнем верхнем положении свидетельствует о выработке всего запаса реактивности, о завершении кампании реактора.

Рис. 4.4. Изменение плотности нейтронного потока при различных значениях реактивности

Для продолжения дальнейшей работы реактора требуется замена отработавшего ядерного топлива на свежее.

Введение в активную зону большого числа КС в целях увеличения кампании реактора сопряжено с физическими и техническими трудностями. Поэтому при наличии КС в различные компоненты активной зоны дополнительно вводят выгорающий поглотитель. Во время работы реактора число ядер выгорающего поглотителя непрерывно уменьшается вследствие захвата нейтронов и превращения их в другие нуклиды с низким сечением поглощения.

В реакторах с водяным охлаждением без кипения широкое применение получила система борного регулирования, которая обеспечивает компенсацию медленных изменений реактивности в течение всей кампании. В водный теплоноситель, циркулирующий через активную зону, добавляют определенное количество борной кислоты. Ее концентрация зависит от времени работы реактора и определяется темпом и глубиной выгорания ядерного топлива. Концентрация борной кислоты максимальна (до 1 %) в начале кампании, затем ее постепенно снижают до нуля (в конце кампании). Достоинством системы борного регулирования является то, что она не искажает поле нейтронного потока в активной зоне и приводит к снижению числа компенсирующих стержней в реакторе.

Для прекращения цепной реакции деления при возникновении аварийных ситуаций, требующих немедленного останова реактора, в активную зону с максимальной скоростью вводят стержни аварийной защиты. Стержни АЗ находятся в работающем реакторе вне активной зоны, а при необходимости под действием собственного веса или специальных устройств быстро падают в активную зону, снижая ее реактивность и прекращая цепную реакцию деления.

Рис. 4.6. Схема управления ядерным реактором