Вопрос 14

Зашлаковывание ядерного топлива

Шлакование ядерного топлива - процесс накопления в работающем реакторе стабильных

и долгоживущих продуктов деления, участвующих в непроизводительном поглощении нейтронов и, тем самым, снижающих запас реактивности;

Ядерные шлаки, являясь продуктами реакции деления, также накапливаются в твэлах реактора, блокируя доступ нейтронов к делящимся компонентам ядерного топлива, тем самым, затрудняя протекание реакции деления.

Присутствие шлаков уменьшает, главным образом, величину коэффициента использования тепловых нейтронов в реакторе (θ), и несложно показать, что величина потерь реактивности от шлакования связана пропорциональной связью с упомянутой выше величиной относительной доли поглощаемых шлаками нейтронов, причём коэффициентом пропорциональности служит коэффициент использования те-

пловых нейтронов для незашлакованного реактора:

ρш(t) = - qш(t) θ (16.1.3)

Знак “минус” перед правой частью (16.1.3) говорит о том, что речь здесь однозначно ведётся о потерях запаса реактивности от шлакования реактора.

а) Первая группа шлаков (так называемые сильные шлаки) характеризуется величиной микросечения поглощения составляющих группу шлаков, существенно большей величины микросечения поглощения235U:

(σ_aⁱ)1гр >> σ_a⁵

Понятно, что величина показателя степенной функции такого шлака - большая величина, и (с точки зрения математика) степенная функция с очень большим по абсолютной величине отрицательным показателем быстро достигает своего асимптотического значения. Физически это означает, что скорость накопления каждого из шлаков первой группы быстро достигает своего стационарного значения и в дальнейшем не изменяется. Поэтому в основное время кампании активной зоны (при z ≤ 0.35) можно считать скорость роста потерь реактивности от шлакования реактора шлаками первой групп постоянными и равными приблизительно

ρш1гр ≈ - 0.0151 θ ,

и лишь на начальном этапе кампании (0 < z < 0.01) накопление шлаков 1-й группы идёт нелинейным темпом, достигая в этом интервале z указанного значения.

Вторая группа шлаков, характеризуемых величиной микросечения поглощения, по поряд-

ку величины совпадающего с сечением поглощения урана-235:

σ_aⁱ~ σ_a⁵

Концентрации шлаков этой группы, растущие в процессе кампании, строго говоря, по степенному закону, в пределах имеющих физический смысл величин степеней выгорания (z < 0.35) растут настолько медленно, что при реальных величинах степени выгорания урана-235 характер роста потерь запаса реактивности от шлакования реактора шлаками этой группы без особого ущерба для точности можно считать не степенным, а линейным относительно z:

ρш2гр ≈ - 0.0414 z θ (16.2.12)

причём, в течение всей кампании. С позиций математики это объясняется просто тем, что

при величина показателя степенной функции в (16.2.9) приблизительно равна 0, а, значит,

величина в квадратных скобках близка к z в первой степени, то есть зависимость ρш2гр(z) – линей-ная.

в) Шлаки третьей группы (так называемые слабые шлаки) характеризуются величинами

микросечений поглощения нейтронов σаi , существенно меньшими величины микросечения поглощения урана-235:

σai << σa5

Шлаки третьей группы имеют в подавляющем большинстве очень небольшие величины

удельного выхода (γi), но это - самая многочисленная группа шлаков, и этим объясняется их влияние на общую величину потерь реактивности от суммарного шлакования. Степенная функции нарастания концентраций этих шлаков (и потерь реактивности за счёт шлакования реактора этими шлаками) возрастают гораздо медленнее, чем степенная функция шлаков второй группы, она практически неотличима от прямой линии, и с приемлемой точностью описываются линейной за-

висимостью:

ρш3гр ≈ - 0.0114 z θ