Диссертация (1149684), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Указанные эффекты рассматриваются в главе 3.Полученная модель многоточечной кинетики может быть эффективно использована для описания переходных процессов не только в каскадных активных зонах, но и в любых зонах, где наблюдается существенная неоднородностьтопливной композиции, что особенно характерно для трансмутационных установок. В качестве примера сравним результаты расчетов активных зон с однородным и разнородным топливным составом с использованием точечной идвухточечной моделей кинетики.2.4. Сравнение результатов расчетов с использованиемточечной и двухточечной моделей кинетикиДля иллюстрация работы предложенной многоточечной модели приведемрезультаты расчета кинетики однородной и неоднородной активных зон с внешним источником нейтронов при пуске реактора с эф = 1.0013 (см.
рис. 2.2–2.7).Однородная активная зона с топливом235U без замедлителя, при расчетах врамках двухточечной модели делилась на две секции с одинаковым материальным составом. Неоднородная активная зона, состоящая из двух секций: центральной — с топливом235239Pu без замедлителя и периферийной — с топливомU и графитовым замедлителем (отношение концентраций12С/235 U=10). Физические характеристики рассмотренных активных зон представлены в табл. 2.1(индексы 0 соответствует активной зоне в целом, а индексы 1, 2 относятся к соответствующим секциям).
На рис. 2.4 и 2.5 представлены спектры по секциямзон соответственно с однородным и неоднородным материальным составом, ана рис. 2.6 и 2.7 радиальное распределение потока в секциях.На рис. 2.2, 2.3 представлены графики изменения во времени функций, 1 и 2 для однородной и неоднородной активной зоны соответственно сиспользованием точечной и двухточечной модели кинетики.58Из результатов расчетов следует, что для однородных активных зон многоточечная модель кинетики не имеет преимущества перед точечной, однако вслучае активных зон неоднородных по топливному составу наблюдается существенное расхождение кинетики реактора. Это объясняется тем, что усреднениекинетических параметров при использовании многоточечной модели производится более корректно по сравнению с точечной (см.
табл. 2.1).Характеристики Однородная активная зона Неоднородная активная зонаэф1.00131.001310.6250.61320.6100.646эф0.00680.0045эф10.00680.00215эф20.00680.0068, c6.4 · 10−78.5 · 10−61 , c9 · 10−74 · 10−62 , c9 · 10−72 · 10−5Таблица 2.1. Основные физические характеристики рассматриваемых активных зон.Рис. 2.2. Изменение во времени функций , Рис.
2.3. Изменение во времени , 1 и 2 для1 и 2 для однородной активной зоны.неоднородной активной зоны.59Рис. 2.4. Энергетический спектр нейтронов Рис. 2.5. Энергетический спектр нейтроновсекций однородной активной зоны.секций неоднородной активной зоны.Рис. 2.6. Радиальное распределение потока Рис.
2.7. Радиальное распределение потоканейтронов, создаваемого секциями однород нейтронов, создаваемого секциями неоднородной активной зоны.ной активной зоны.60Глава 3Моделирование динамики в подкритическомбланкете ЭЛЯУ с учетом обратных связейВ данной главе рассматриваются вопросы, связанные с принципами управления ЭЛЯУ посредством линейного ускорителя протонов, а также исследования нестационарных процессов в ЭЛЯУ с учетом тепловых обратных связей.3.1.
Управление ЭЛЯУ с помощью ускорителязаряженных частицДинамика подкритического реактора ЭЛЯУ зависит от внутренних и внешних обратных связей. Внутренние обратные связи определяются физическимисвойствами активной зоны, внешние обратные связи отражают связь реактора сэнергетической установкой (расход теплоносителя, температура теплоносителяна входе в реактор). Структурная схема ЭЛЯУ с обратными связями представлена на рис.
3.1.Для устойчивой работы ЭЛЯУ на постоянном уровне мощности активнаязона должна иметь отрицательную обратную внутреннею связь по температуре топлива и теплоносителя и средний отрицательный коэффициент реактивности, что обеспечивает саморегулирование реактора и поддержание среднейтемпературы.Тепловая мощность активной зоны реактора определяется выражением = ,(3.1)где — энергия, выделяемая при делении одного ядра топлива, — среднее количество нейтронов, образующихся в одном акте деления, а — интенсивностьгенерации нейтронов деления, которая в первом приближении определяется по61Рис.
3.1. Структурная схема ЭЛЯУ с обратными связями. вх , вых — температура теплоносителя на входе и выходе соответственно, ср = (вх + вых ) /2, — массовый расходтеплоносителя, T — средняя температура топлива, — ток ускорителя, 0 — интенсивность внешнего источника нейтронов, = (вх − вых ) — тепловая мощность реактора,— удельная теплоемкость теплоносителяследующей формуле: = 1 − эф.эф(3.2)Здесь — интенсивность внешнего источника нейтронов.Как видно из формул (3.1) и (3.2), мощность реактора зависит от значенияэффективного коэффициента размножения эф , которое выбирается из соображений ядерной безопасности и в подкритических системах обычно не превышает значения 0.98, и интенсивности электроядерного источника нейтронов.В традиционных ядерных реакторах (эф = 1) активная зона поддерживается в критическом состоянии системой управления с рабочими органами ввиде стержней из поглощающих нейтроны материалов, которые механически62вводятся и выводятся из активной зоны.В ЭЛЯУ из соображений ядерной безопасности поглощающие стержни неприменяются, что исключает возможность аварий с несанкционированным увеличением эф , а управление реактором осуществляется с помощью ускорителязаряженных частиц.
Эффективный коэффициент размножения эф определяется физическими характеристиками активной зоны и зависит от температуры вреакторе, степени выгорания топлива и накопления продуктов деления. Уменьшение эф вследствие указанных эффектов для реакторов на тепловых нейтронах составляет более 8 % , а для быстрых реакторов 1–3 %. В связи с этимпри работе ЭЛЯУ интенсивность внешнего источника должна варьироваться,чтобы компенсировать возможные изменения эф и, как следствие, мощностиЭЛЯУ.3.1.1.
Нейтронопроизводящая мишеньГлавной особенностью электроядерных установок является наличие мощного внешнего электроядерного источника нейтронов. Работа электроядерногоисточника нейтронов основана на взаимодействии ускоренного пучка заряженных частиц с материалом мишени. Ядерная реакция взаимодействия высокоэнергетичного протона с ядром называется реакцией расщепления (spallationreaction).Интенсивность электроядерного источника нейтронов определяется по следующей формуле:= 0,(3.3)где — средний ток ускорителя, — заряд ускоренной частицы, 0 — коэффициент конверсии, определяемый как среднее количество нейтронов, образовавшихся на одну первичную заряженную частицу при облучении нейтронопроизводящей мишени.Выход нейтронов 0 , в свою очередь, зависит от параметров пучка заря63женных частиц, состава и размеров мишени.
Количество вторичных нейтроновсильно зависит от наличия в веществе мишени изотопов, обычно делящихся подвоздействием нейтронов [63].В связи с этим нейтронопроизводящие мишени удобно условно разделитьна два класса [52]: неразмножающие — на основе неделящихся под воздействиемнейтронов веществ и размножающие — на основе делящихся нейтронопроизводящих веществ.Интенсивность внешнего источника определяется утечкой нейтронов, рожденных под воздействием пучка заряженных частиц, с поверхности мишени.
Вразмножающих мишенях выход нейтронов обычно выше, чем в неразмножающих. На рис. 3.2 представлен график зависимости выхода «спалейшн» нейтронов в мишени из 238 U от энергии пучка протонов [23]. Для сравнения на рис. 3.3приводятся графики зависимости выхода «спалейшн» нейтронов в мишенях изнеразмножающих материалов (Pb, W, Be, Fe) [52]. Расчеты выполнены с использованием программы открытого доступа Geant 4.9.6p.2 [4, 7].Рис. 3.2. Выход нейтронов с поверхности ми Рис. 3.3.
Выход нейтронов с поверхностейшени из238Uнеразмножающих мишеней643.1.2. Линейный ускоритель протоновСовременные успехи в области ускорительных технологий позволяют рассчитывать на получение достаточно мощных источников нейтронов для электроядерных установок. В настоящее время в качестве укорителя-драйвера ЭЛЯУчаще всего предлагается использовать линейные ускорители протонов на энергию до 1 ГэВ и мощностью пучка до 1 МВт [57, 95]. Принципиальная схема ускорителя-драйвера ЭЛЯУ, рассматривавшегося в диссертационной работе представлена на рис.
3.4 [23, 101].Рис. 3.4. Принципиальная схема ЭЛЯУ с предлагаемым линейным ускорителем протонов.Как следует из формулы (3.3) и рис. 3.2 и 3.3, изменение интенсивностиэлектроядерного источника нейтронов может осуществляться как за счет изменения среднего тока пучка, так и энергии заряженных частиц.Увеличение среднего тока возможно за счет увеличения импульсного тока линейного ускорителя и за счет увеличения частоты следования импульсов [101]. Увеличить импульсный ток можно, повышая ток на выходе плазменного источника ионов (например, за счет увеличения эмиссионного отверстия),но при этом возрастает эмиттанс пучка, усложняется система формирования65Iмикроимпульсτмик = 2∙10-10 сT = 2∙10-9 с...tмакроимпульсτмак = 10-4 сРис.
3.5. Качественный характер изменения во времени тока заряженных частиц в линейномускорителе.пучка для инжекции в ускоряющий тракт, система в. ч. питания, изменяютсяпереходные процессы в резонаторах и динамика частиц, т. е. резко усложняется проектирование и настройка всего ускорителя по сравнению со случаемпостоянных выходных параметров пучка. Увеличение мощности внешнего источника нейтронов за счет увеличения частоты посылок импульсов тока является гораздо более простым решением, поскольку при этом динамика частицв ускоряющем тракте не меняется, эффект достигается с помощью системыуправления линиями в. ч. питания и питания инжектора. Для поддержаниямощности ЭЛЯУ на постоянном уровне при уменьшении эф в процессе работыреактора от 0.98 до 0.96 (активная зона на быстрых нейтронах), в соответствиис (3.2), необходимо увеличить средний ток ускорителя в 2 раза (на 100 %) [101].При этом минимальный шаг изменения интенсивности источника нейтроновдолжен составлять порядка одного процента от начальной величины.
При проектировании системы в. ч. питания усилительный тракт системы в. ч. питаниярезонаторов должен быть рассчитан таким образом, чтобы максимальная в. ч.мощность, закачиваемая в резонаторы, соответствовала значению эф = 0.96.Увеличение энергии протонов возможно за счет включения в ускорение66дополнительных резонаторов, расположенных в конце ускорительного тракта.При этом следует отметить, что в случае, когда дополнительные резонаторынаходятся в пассивном (выключенном) состоянии, будут ухудшаться выходныехарактеристики пучка.Таким образом, наиболее удобным способом управления ЭЛЯУ являетсяизменение среднего тока ускорителя за счет варьирования частоты следованияимпульсов тока.При изменении частоты следования импульсов из-за высокой добротностирезонаторов переходные процессы в них будут иметь достаточно большую продолжительность.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
