конспект по экспериментальной реакторной физике 4 курс. котов консп. Лекция 1 введение. Задачи нейтроннофизических экспериментов на реакторах и критических сборках
 Скачать 2.47 Mb.
|
Для оценки точности расчетных спектров, например ВВЭР. Вводится понятие спектрального индекса 𝑆 𝑖𝑗 – отношение активностей двух детекторов. Один имеет сильный резонанс сечения активации Е>E T , а другой . Затем детекторы облучаются как в исследуемом потоке, так и калибровочном потоке. Затем значение индексов сравниваются с расчетными (сначала измеряются, потом считаются). Если результат норм, то точность норм. Оценка спектра быстрых 1 n Используются пороговые детекторы, для которых имеется порог по энергии нейтрона. Работают на реакциях (n,p) (n,α) (n,2n), на пороговых ядрах ( 236 U, 237 Np, 232 Th, 238 U) Лекция №13: Оценка спектров быстрых нейтронов с помощью пороговых детекторов. Определение распределения энерговыделения и мощности реактора Пороговые детекторы – детекторы, имеющие сечение активации имеет порог, меньше которого, оно равно 0. Работают эти детекторы на пороговых реакциях (n,p) (n,α) (n,2n), на пороговых ядрах ( 236 U, 237 Np, 232 Th, 238 U). Зависимость сечения активации от энергии: Е сли 𝐸 𝑛 > 𝐸 эфф → Σ 𝑎 > Σ эфф ; Е сли 𝐸 𝑛 < 𝐸 эфф → Σ 𝑎 = 0. ➔ 𝐴 = 𝐵 ∫ Σ ( 𝐸 ) ∞ 𝐸 порог φ( 𝐸 )𝑑𝐸 = 𝑏 𝐸 эфф ∫ φ( 𝐸 )𝑑𝐸 ∞ 𝐸 порог → 𝑏 − коэффициент связывающий все геометрические характеристики установки. Необзодимо знать спектр 1 n. Σ 𝑎 есть плавная функция от 𝐸 , спектр нейтронов мало отличается от спектра n деления, поэтому 𝐸 эфф и Σ эфф определяют по спектру 1 n деления. Введём величину: 𝐹 𝑖 = 𝐴 𝑖 𝐵 𝑖 ∙Σ эф 𝑖 i-номер детектора, 𝐴 𝑖 − активность 𝐹 𝑖 = ∫ φ (𝐸) 𝑑𝐸 ∞ 𝐸 эфф Берут набор пороговых детекторов и определяют поток 1 n в различных интервалах по энергии. 𝐹 𝑖−1 = ∫ φ (𝐸) 𝑑𝐸 ∞ 𝐸 эфф𝑖−1 ; 𝐹 𝑖 = ∫ φ (𝐸) 𝑑𝐸 ∞ 𝐸 эфф𝑖 𝐹 𝑖−1 − 𝐹 𝑖 = ∫ φ(𝐸)𝑑𝐸 𝐸 эфф𝑖 𝐸 эфф𝑖−1 Берем средний поток: 𝐹 𝑖−1 − 𝐹 𝑖 =< φ > (𝐸 эфф𝑖 − 𝐸 эфф𝑖−1 ) Определим средний поток: < φ >= 𝐹 𝑖−1 −𝐹 𝑖 𝐸 эфф𝑖 −𝐸 эфф𝑖−1 - в виде гистограммы можно подробно оценить спектр 1 n Для точных решений необходимо решать интегральное уравнение. Существует два типа/метода решения данных уравнений: 1) Групповой метод, когда весь интервал энергии разделяют на отдельные участки. В этих участках поток считается постоянным и, соответственно, интегральные уравнения меняем на соответствующие им алгебраические и решаем их методом наименьших квадратов. 2) Можно взять неизвестную функцию φ(𝐸), и проа ппроксимировать степенным рядом или суммой экспонент (очент похоже на приорный метод. Особенность метода пороговых детекторов Не обязательно чтобы продукты реакции или ядра были радиоактивными! Поскольку (n,p) (n,α) (n,2n) можно зарегестрировать по заряженным частицам, которые образуются в результате этих реакций. Характеристики некоторых пороговых детекторов: Они приведены в порядке увеличения пороговой энергии Реакция E порог , Мэв σ реак , нб 237 Np(n,f) 0,87 1200 203 Rh(n,n’) 0,9 1500 232 Th(n, f) 1,4 850 238 U(n, f) 1,55 606 115 In(n, n’) 1,65 350 31 P(n,p) 3,0 140 22 Al(n,p) 5,3 80 24 Mg(n,p) 8,0 200 27 Al(n,α) 8,15 120 65 Cu(n,2n) 11,7 1000 63 Cu(n,2n) 13,2 800 Определение распределений энерговыделения и мощности реактора Энерговыделение – это энергия ИИ в единицы объёма вещества. 𝑊 = 𝛴 ∙ 𝜑 𝑖 ∙ 𝑞 𝑖 𝛴 − Макросечение поглащения 𝜑 𝑖 −Плотность потока 𝑞 𝑖 − Энергия, выделенная при поглащение одной частицы Даже при неизменной мощности реактора 𝑊 будет меняться во времени и пространстве. Почему так нахуй? Во-первых, топливо выгорает неравномерно; Во-вторых, перемещение регуляторов реактивности; В-третьих, накопление продуктов деления. Расчётные методы не позвляют с абсолютной точностью определить 𝑊, погрешность единицы процентов. Поэтому для определения 𝑊 используют и эксперимент и расчеты. Задачи измерения энерговыделения в критических сборках 1-ая Задача – проверить расчётные методы (посчитал, с экспериментом сверь, дибил); 2-ая Задача –выработка рекомендаций по первому пуску реактора (В ПИЯФе про это забыли видимо). Особенность критических сборок У них очень низкая мощность энерговыделения -> нужны очень чувствительные детекторы Цель измерения энерговыделения в АЗ Получение данных для управлением пространственным распределением энерговыделения 𝑊. Основное требование в реакторе к детекторам Возможность безотказной работы в жестких условиях, даже в ущерб точности измерений. Для измерения 𝑊 можно использовать ионизационные камеры, но есть проблема – очень сложная зависимость тока от 𝑊. Для внутриреакторного контроля также используют и косвенные методы измерений. Измеряют величины связанные с 𝑊. Косвенные методы измерения энерговыделения Измеряют: скорость реакции, поток γ – квантов по объёму. При нормальной работе реактора можно изпользовать медленные. Детекторы также могут выгорать в АЗ. Баланс энергии, выделяемой при делении 𝑊 в АЗ и его распределение (энерговыделения) определяется плотностью делений и плотностью потерь энергии 1 n и γ – квантами при их взаимодействии со средой. Основная составляющая энерговыделения в АЗ (90%) - кинетическая энергия осколков деления. В СУЗ энерговыделения идет за счёт B(n,α)Li; Li(n,α)T; Cd(n,γ); Eu(n,γ). Измерение распределения плотности делений А) ИК деления (ионизационная камера) Б) Твёрдотельный детектор (кристаллы, органические, неорганические диэлектрики) (пленки из лавсана) У них высокая плотность по координате В) Активационный метод β/γ. Это неоперативный метод. Необходимо большое время для иденсификации детектора Г) Эмиссионные детекторы 1 n. БЭДН – бэта-эмиссионный детектор нейтронов. Эмиссионный детектор Он состоит из 2 куоксиальных электродов В идеальном случае внешний электрод и диэлектрик не поглащают 1 n, а внутренний электрод (эмиттер (8мм диаметр) – сильный поглатитель 1 n. Внутренний электрод поглащает 1 n и в результате β – распада вылетает электрон. Таким, образом ставим эту хуевину БЭДН в поток 1 n и рано или поздно число 1 n и e совпадет и выравниться. Захват 1 n = образование e. Внешний электрод – коллектор. Коллектора достигают не все e, по скольку они поглащаются в диэлектрике и в эмиттере. Электрон e вылетая от одного электрода к другому пораждает ток, мы мерим его и это значение тока пропорционально кол во распадшихся ядер 𝐼скорость распада ядер𝜑 Особенности Эмиссионного детектора 1) Измеряется число образованных электронов (нет усиления). Поэтому можно работать только при мощном поле 1 n 2) Не требуется внешний источник питания, ток создается β – распадом. Он сам по себе источник тока. Генерируемый ток не зависит от нагрузки в общей цепи. Эмиттер делают как правило из 107 47 Ag или 51 23 V УРА Лекция №14: Измерение распределения энерговыделения (полного и обусловленного гамма излучением). Определение мощности реактора. Калориметрический метод Одним из самых распространенных методов для измерения энерговыделения является калориметрический метод. Измеряют в основном таким методом ПОЛНОЕ энерговыделение. Это единственный прямой метод, позволяющий определить полную энергию поглощенного ИИ, вне зависимости от характеристик излучения. Для уменьшения погрешности рабочее тело детектора (калориметра) стараются сделать равным по составу исследуемой среде (вещество, в котором определяется энерговыделение). У такого метода Минусы отсутствуют, верхний предел измерения поглощённой дозы также отсутствует. Одна из распространенных областей применения – радиационная стойкость материалов, также применение на критических сборках. СХЕМА простейшего калориметра: Нить нужна для того, чтобы передача тепла от образца была минимальна. Пространство между образцом и оболочкой – вакуум. Пренебрегая конвекцией и излучением образца, уравнение теплового баланса простейшего калориметра мб записано в следующем виде: T – температура образца Тоб – температура оболочки Q – энергия, выделяемая в образце в единицу времени К – коэфф. Теплопередачи С – теплоемкость М – масса образца В зависимости от температурного режима оболочки выделяют 2 типа калориметров: 1 ТИП – Адиабатические калориметры. Температура оболочки = температуре образца), тогда уравнение можно представить в следующем виде: Откуда можно определить дельта Т: Здесь измерение Q сводится к измерению температуры. 2 ТИП – Изометрические калориметры. (температура оболочки постоянна). Нужно проинтегрировать уравнение. Предположим, что в начальный момент времени температура образца равна температуре оболочки. Решением в конечном счете будет следующая функция. Константы определяем из начальных условий. ( в момент времени t0 дельтаТ равнялась, отсюда можно найти константу А). запишем финальное выражение для дельтаТ с учетом константыю Отсюда также можно найти Q. Измерение энерговыделения обусловленного гамма-излучением. Ионизационный метод. Для определения энерговыделения, обусловленного гамма-излучением используют ионизационный метод. То есть реально измеряют поглощенную энергию, обусловленную взаимодействием гамма-квантов со средой (комптоновское рассеяние, фотоэффект, образование электрон-позитронных пар). Такие взаимодействия приводят к появлению электронов больших энергий. Эту энергию электроны отдают атомам. Идея метода: Ионизация, проводимая электронами в малой газовой полости может служить мерой энергии, поглощенной в веществе, окружающем эту полость. Малость полости необходима чтобы не искажалось распределение вторичных электронов в веществе, а толщина вещества, окружающего полость должна быть много больше пробега электронов в нем. (1-2 см). тогда энергия поглощенная единицей массы стенок полости будет равна следующей величине: dE/dx – тормозная способность I – средняя энергия, теряемая электроном на образование пары ионов в газе. W – число пар ионов в единице массы газа В реальной жизни газовая полость- ионизационная камера. В стенке измеряют поглощенную энергию. Определение мощности реактора 1 метод – Теплотехнический ( основан на определении расхода теплоносителя) позволяет определит абсолютное значение мощности. Недостаток: метод инерционный, он медленный, ограничен в диапазоне определения мощности, а также сложность определения расхода теплоносителя. 2 метод – Измерение мощности по числу делений ядер топлива. (путем регистрации мгновенных нейтронов, возникающих при делении в единицу времени) основан на определении плотности потока нейтронов. Недостаток и сложность: требует градуировки (никак без прибора с градуировкой). Остановимся на 2 методе. Данный метод не имеет недостатков теплотехнического, не такой инерционый, не нужно определять расход, поэтому более предпочтителен. Запишем мощность в объёме dV: ∑f(E) – сечение деление Фи – плотность потока нейтронов Введем среднее значение потока и сечения, тогда: Таким образом, измеряя поток, можно определить мощность. N – число отсчетов в детекторе за единицу времени ὲ(E) – эффективность регистрации 3 Метод – петлевой метод (основан на измерении активности теплоносителя). Одна из самых популярных реакций записывается так: Плюс данного метода – простота регистрации (высокий порог дискриминации). Детекторы для регистрации гамма-квантов располагаются по всем сторонам трубопровода, соответственно мы измеряем полную активность, соответственно можем связать её с энергией, которая выделилась и определить мощность. Лекция №15: Не взята. Лекция №16: Эффекты реактивности связанные с изменением технологических параметров реактора. Реактивность – это характеристика, которая вам показывает динамику цепной реакции, она связана с коэффициентом размножения нейтронов. Сложность заключается в том что параметры реакторов взаимосвязаны при изменении одного параметра изменяется другой параметр соответственно для того чтобы измерять эффекты реактивности связанные с изменением одного параметра остальные хотелось бы оставлять постоянными. Влияние каждого эффекта на реактивность характеризует соотвествующим коэффициентом реактивности Температурный коэффициент реактивности (ткр) По определению это есть изменения реактивности с изменением температуры Например если температура у нас возрастает активность может уменьшаться Почему Потому что увеличение температуры приводит к тепловому расширению и соответственно уменьшение макро сечения происходит утечка нейтронов и соответственно из-за утечки нейтронов снижается реактивность с одной стороны. Что может происходить с увеличением температуры ещё Например у ядра Урана 238 с увеличением температуры могут расширяться резонансы из за того что резонансы расщираются возрастает сечение поглощения –нейтронов поглощается сильнее чем если бы температура была ниже соответственно эти два процесса у вас это два конкурирующих процесса с одной стороны у вас реактивность уменьшается с другой стороны у вас наоборот происходит более активное поглощение нейтронов становится нейтронов при делении поэтому реактивность возрастает. Получается 2 конкурирующих процессов. Поэтому не очень Ясно как будет изменения температуры влияет на реактивность как будет ТКР у вас в зависимости от температуры. оказалось что через измерение этого ткр выяснилось что всё-равно превалирующим эффектом является уменьшение реактивности то есть РО уменьшается с увеличением температуры, несмотря на уширение резонансов уран 238 РО всё-равно будет снижаться. В частности, это важно для реакторов например на быстрых нейтронах в реакторах на тепловых нейтронах, структура реактора самого реактора более гетерогена, плотность замедлителей топлива меняется по-разному и ТКР будет зависеть не только от состава ну ещё и от конструкции активные зоны. Рассмотрим влияние температуры на реактивность в реакторе типа ВВЭР. температура увеличивается реактивность уменьшается И, вообще говоря, что такое уменьшение реактивности это, другими словами, означает что нейтронов у вас поглощается больше чем рождается при делении. Для ВВЭР ТКР всегда меньше нуля. То есть у вас нейтронов поглощается больше, чем рождается при делении если увеличивать температуру. ТКР в ВВЭР зависит ещё от большого количество вещей например глубины выгорания, типа поглотителя. Расчётные ТКР имеет большую погрешность. Поэтому нужно реально измерять конечно ткр. При измерении необходимо чтобы все части активной зоны имели одинаковую температуру поэтому применяют внешние источники тепла. Поскольку варианты равновесная температура устанавливается не сразу за их такая могут носить для этого нужно использовать внешние источники тепла чтобы температура была равномерным. В частности одним из способов измерить ткр это измерить так называемого асимптотический ТКР. Соответственно это изменения реактивности при равномерном изменении температуры активной зоны. При равномерном изменении температуры активной зоны один из способов измерить ТКР Давайте Вернемся с вами к реактором на быстрых. Для того чтобы измерить ТКР на реакторе на быстрых нейтронах сначала внешним источником тепла разогревает трубопровод второго контура за счёт этого изменяя температуру АЗ на от 200 до 400 градусов (трубопровод второго контура), при этом насос первого контура работают без изменения оборотов соответственно не вносят эффект реактивности. Таким образом мы с вами реализовали так называемый изотермический разогрев где-то 5, 6 градусов в час, очень медленный разогрев происходит. И далее нужно измерить нам с вами ТКР. Чтобы измерить ТКР создают небольшую над критичность и отключают систему авторегулирования, чтобы например не опускались стержни на активность и измеряют температуру и реактивность на низком уровне мощности чтобы исключить неравномерное распределение температуры по реактору. Это один из способов померить. Другой способ, например стабилизировать все параметры реактора при различных значениях температуры. При этих температурах реактор можно стабилизировать на одном и том же уровне мощности при разном положение стержня. Помимо всех этих историй с измерением ТКР, еще очень важный момент для ТКР имеет так называемый доплеровский коэффициент реактивности. Поскольку мы как мы сами уже сказали при увеличении температуры ядра урана начинают двигаться более активнее, быстрее уширяются в них резонансы и соответственно нужно брать в расчёт допплеровское изменение и вывести в наш ТКР допплеровскую составляющую, которая будет у нас зависит от температуры но также будет от неё зависит нелинейно. a – это составляющая ТКР учитывающая все эффекты кроме доплеровского D – доплеровский коэффициент реактивности Т – это абсолютная температура И если мы с вами полагаем что реактор начинаем разогревать начинаем в температуре t0 поможем это дело проинтегрировать и получить а изменение реактивности в следующем виде Т0 – температура, с которой мы начинаем разогревать реактор Вся эта история очень похожа на уравнение Y это есть dp по dT Таким образом измеряя величины дельта ро и дельта т получим множество значений, а затем можно использовать метод наименьших квадратов найти из этих значений a и D Как измерить ткр ВВЭР подробнее При изменении температуры изменяется давление изменяется давление теплоносителя в реакторе соответственно, реактивной изменяются под действием изменения температуры и давления. Например, скажем пусть температуры поменялось на дельта T1 для начала тогда реактивность у нас изменится на следующую величину Мы должны учесть То что реактивность меняется в том числе из-за давления поэтому добавляем сюда вклад добавляем вклад который нам даёт dt1. Что мешает измерить ТКР– слагаемое с давлением. Поэтому мы с вами делаем следующие мы сбрасываем давление |