Особенности процессов в активной зоне работающего реактора рбмк – 1000.

Размножение нейтронов при делении одних ядер создаёт условие для деления других. Если после каждого деления ядра испускается 2 нейтрона, то один нейтрон в 50-ом поколении размножится до 2⁵⁰нейтронов. В действительности не все нейтроны вызывают деление. Часть нейтронов идёт на радиационный захват, другая часть вылетает из активной зоны. Эти потери влияют на ход цепной реакции. Делящиеся изотопы наиболее интенсивно поглощают тепловые нейтроны, концентрация которых велика благодаря упругому рассеянию нейтронов на ядрах атомов замедлителя. Сечение деления на тепловых нейтронах в РБМК в сотни раз превышает сечение деления на быстрых нейтронах.

Цепную реакцию на тепловых нейтронах осуществляют в размножающих системах, в состав которых входят делящиеся изотопы и замедлители. Так, в системе цепная реакция протекает при концентрациях, равных ≈ 3 ∙ 10^-5(N₅/N­c). Во время замедления часть нейтронов захватывается на резонансах, другая их часть теряется в замедлителе. Поэтому чем выше концентрация уранав системе, тем выше коэффициент использования тепловых нейтронов (тепловые нейтроны неспособны вызвать делениеи при поглощении этим изотопом теряются для реакции). Нейтроны также могут захватываться ядрами примесей, конструкционных материалов и в гораздо меньшей степени – ядрами замедлителя, на которых они быстро теряют свою энергию.

Отношение числа нейтронов, участвующих в делении на некоторой стадии ядерной реакции, к числу нейтронов предыдущего поколения на такой же стадии называют коэффициентом размножения нейтронов. Самоподдерживающиеся и развивающиеся цепные реакции возможны при условии, что этот коэффициент K≥1. Принято называть системы в зависимости от величиныKподкритическими (K<1, реакция гаснет), критическими (K=1, реакция идёт с постоянной скоростью). И надкритическими (K>1, реакция ускоряется). Массу делящегося изотопа и размеры (объём) системы называют критическими. Система на тепловых нейтронах имеет самый большой критический объём и минимальную критическую массу.

Цепным процессом в реакторах управляют с помощью стержней, содержащих элементы, сильно поглощающие нейтроны (B,Cd, в основном). Поглощение нейтронов происходит в реакциях (n,γ), (n,α), (n,f) и др., поэтому сечение поглощения σ_aпредставляют как сумму парциальных сечений:σ_a= σ_γ+ σ_α+ σ_f, где σ_γ– сечение радиационного захвата (n, γ), σ_α– сечение реакции (n, α), σ_f– сечение деления (n,f). У большинства изотопов наблюдается только радиационный захват нейтронов σ_α= σ_γ. Однако для изотопа( и некоторых других), характерна реакция (n,α), когда σ_a≈ σ_α, а у изотопа уранарадиационный захват конкурирует с делением ядра (σ_a≈ σ_γ+ σ_f), (табл. 4):

Таблица 4.

Сечения реакций (барн) для тепловых нейтронов

Сечение поглощения для большинства изотопов ~1/ν: σ_a=c/ν; где ν – скорость нейтронов,c– постоянная, равнаяc= σ_ao∙ ν_o­; ν_o= 2200 м/с – скорость нейтронов приE_n= 0,025 эВ; σ_ao– сечение поглощения тепловых нейтронов. Подставив это значение константы, получаеми, учитывая, что кинетическая энергия нейтрона[эВ], имеем:

В промежуточной области энергии нейтронов кривая изменения сечения поглощения у тяжелых элементов имеет резонансный характер (), т.е. при некоторых интервалах энергий нейтронов сечение сначала резко возрастает, достигает максимального значения при резонансной энергии, а затем также резко падает. Эффективность резонансного захвата нейтронов зависит от концентрациии взаимного расположения урана и замедлителя.

Вводя стержни-поглотители нейтронов в активную зону, замедляют размножение нейтронов (и наоборот). При этом следует иметь ввиду также такие процессы, как выгорание топлива и поглотителя, что приводит к изменению K. Обычно делящиеся изотопы в свежем горючем в избытке и стержни-поглотители нейтронов опущены в работающем реакторе (затем постепенно вытаскиваются). Со временем изменяется и качество управляющих стержней (): при этомKвозрастает. Под действием нейтронов изменяются также свойства замедлителя (например,;), изменяются свойства материалов несущих конструкций, системы охлаждения (стальные трубы и т.п.). Поэтому выбирают для них такие материалы, которые наименее подвержены воздействию нейтронов. И тем не менее избежать этого полностью нельзя. Происходит «отравление» реактора. При делениив 1 из 15 случаев среди прочих осколков деления образуется теллур, который быстро превращается в йод, а тот – в ксенон. Ксенон-135 сильно (~ в миллион раз сильнее чемU-238) поглощает нейтроны (σ_a≈ 3,5 ∙ 10⁶барн приE_n= 0,025 эВ). Около 5%Xe-135 образуется непосредственно после деления, а 95%– в цепочке:

.

Период полураспада теллура около 2 мин, поэтому после деления он практически сразу переходит в I-135. Периоды полураспадаI-135 иXe-135 равны соответственно ~6,6 и ~9,4 ч , т.е. ксенон «живёт» примерно в 1,4 раза больше, чем йод. УбыльI-135 происходит из-за радиоактивного распада и радиационного захвата нейтронов (вклад последнего намного меньше вклада распада). Через некоторое время работы реактора скорости образования и убыли йода в активной зоне будут равны между собой. Равновесная концентрация йода в ядерном топливе пропорциональна потоку нейтронов.

Убыль ксенона при потоке нейтронов >10¹⁴см^-2∙ с^-1происходит, главным образом, при радиационном захвате тепловых нейтронов в ксеноне. Сечение поглощения ксенона резко падает в области энергий нейтронов ,больших 1 эВ. Поэтому накоплениеXe-135 (ксеноновое «отравление») приводит к затуханию цепной реакции. Если реактор работает с постоянной мощностью «отравления» не происходит (наблюдается равновесие между образованиемXe-135 и его убылью при захвате нейтронов и переходе¹³⁵Xe→¹³⁵Cs).Но если мощность реактора быстро упадёт, потоки нейтронов уменьшатся и «отравление» ксеноном возрастёт. При этом выгораниеXe-135 уменьшится, а накопившийсяI-135 будет продолжать переходить вXe-135. Если через какое-то время цепной процесс усилится,Xe-135 вскоре выгорит иKвозрастёт ещё больше. Т.о. кратковременное падение мощности (при котором реактор попадёт в «йодную яму») сильно затруднит управление реактором. Опасны и очень быстрые процессы увеличения мощности, когда параметры реакции изменяются в течение секунд.

Среди вторичных нейтронов есть мгновенные (появляющиеся сразу (t~10^-22c) при делении ядра) и запаздывающие, появляющиеся через 1 с – 10 с и до десятков секунд. Благодаря запаздывающим нейтронам, доля которых длявсего 0,0065 (β = 0,0065), реакцию можно заставить развиваться медленнее. Для этогоKне должен превышать 1,0065 (K<1,0065). В таком случае величинаKна одних мгновенных нейтронах всегда будет меньше 1,0 (K_мгн<1) и быстрое нарастание мощности исключается.

Обычно используется более удобный показатель-реактивность (ρ): , гдеK, по-прежнему, коэффициент размножения нейтронов. Если ρ=0 – цепной процесс идёт на постоянном уровне; если реактивность положительна, реакция ускоряется, а отрицательна – затухает.

При ускорении реакции может повыситься температура активной зоны, что приводит к увеличению скорости нейтронов, к расширению материалов в реакторе и т.п. Всё это может сказаться на ходе реакции, привести к изменению K(или ρ). В результате система может стать не саморегулирующейся, а саморазгоняющейся, и даже быстрое опускание стержней-поглотителей может не предотвратить опасные последствия.