Лабораторная работа. Реакторов
 Скачать 0.68 Mb.
|
|
Задание 1. Задать цилиндрический реактор, заполненный предложенным вариантом однородной смеси топлива UO 2 и замедлителя. Радиус основания и разбавление реактора выбрать оптимальными в соответствии с 25 результатами работы 3. Разбить заданную систему по радиусу на 3 равнообъемные пространственные зоны. Обогащение Замедлитель 1.5% 2.0% 2.4% 3.6% 4.4% H 2 O 1 2 3 4 5 C 6 7 8 9 10 D 2 O 11 12 13 14 15 D 2 O+0.25% H 2 O 16 17 18 19 20 2. Провести расчет среднего потока тепловых нейтронов в каждой зоне реактора (расчет при нулевой толщине отражателя). Добавить четвертую зону – отражатель нейтронов, состоящий из материала замедлителя. Толщину отражателя 1,2,3 Ф ∞ Δ выбрать равной 3 длинам диффузии замедлителя (минимальная толщина, соответствующая физически бесконечному отражателю, когда увеличение толщины отражателя не приводит к значимому снижению размера активной зоны). Уменьшить величину активной зоны до прежнего уровня величины K ∞ (без отражателя) и оценить эффективную добавку отражателя. Произвести расчет средних потоков тепловых нейтронов по активной зоне для различной толщины отражателя. Результаты представить в виде таблицы. Толщина отражателя, см аз R , см 1 Ф 2 Ф 3 Ф 1 Ф Ф Σ 0 0.5 = ∞ Δ ∞ Δ = 26 3. В одной координатной плоскости построить гистограммы средних потоков нейтронов в активной зоне реактора без отражателя и с отражателем толщиной ∞ Δ Контрольные вопросы 1. Как изменяется вероятность утечки нейтрона из активной зоны реактора при появлении отражателя? 2. Как изменяется вероятность утечки нейтрона из активной зоны реактора при увеличении толщины отражателя? 3. Как зависит альбедо от атомной массы ядер отражателя? 4. Как изменится ∞ Δ отражателя из легкой воды при замене на тяжелую воду? 5. Как изменится ∞ Δ легководного отражателя, если в качестве замедлителя использовать тяжелую воду вместо легкой воды? 6. Как зависит эффективная добавка отражателя от 2 κ активной зоны? 7. В реакторах каких размеров использование отражателя приносит больший эффект? 8. Чему приближенно равна эффективная добавка тонкого отражателя? 9. Чему приближенно равна эффективная добавка бесконечно толстого отражателя? 10. Как зависит материальный параметр активной зоны от толщины отражателя? 11. Как изменяется поток нейтронов в центре активной зоны при появлении отражателя у реактора больших размеров? 12. Как изменяется среднее энерговыделение в реакторе при появлении отражателя? 27 13. Коэффициент неравномерности поля нейтронов при появлении отражателя снизился на 20%. Как изменился средний поток нейтронов в реакторе? 14. Какой отражатель при одинаковой толщине имеет большее альбедо в цилиндрическом реакторе: боковой или торцевой? 15. От какой физической величины зависит ∞ Δ ? 16. К двум реакторам, активные зоны которых имеют одинаковый объем и представляют собой сферу и половину сферы, добавляют отражатель фиксированной толщины. В каком реакторе eff K изменится сильнее? 17. В цилиндрический реактор помещается стальной стержень на различном расстоянии от центра. Где должен находится стержень, чтобы достичь максимально возможного eff K реактора? 18. В цилиндрический реактор помещается стержень из U 235 на различном расстоянии от центра. Где должен находится стержень, чтобы достичь максимально возможного eff K реактора? 19. Где выше поток тепловых нейтронов вблизи границы между активной зоной и отражателем: в активной зоне или в отражателе? 20. Где выше поток быстрых нейтронов вблизи границы между активной зоной и отражателем: в активной зоне или в отражателе? 21. Размер активной зоны реактора без отражателя составляет 4 длины диффузии отражателя. Чему равен размер активной зоны реактора с отражателем, если отражатель толстый, а его длина диффузии равна ? L 22. Толщина отражателя составляет три длины диффузии его материала. Что экономически более выгодно для повышения eff K : утолщение отражателя или увеличение обогащения топлива? 23. Размер активной зоны составляет 20 длин диффузии ее материала. Что экономически более выгодно для повышения eff K : создание отражателя или увеличение обогащения топлива? 28 29 24. В каком месте по высоте бокового отражателя цилиндрического реактора эффективнее сделать съемную часть для воздействия на критичность реактора? 25. Для каких сторон призматического реактора с размерами a ×2a×3a создание отражателя наиболее эффективно? ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5. Размножающие свойства решетки реактора корпусного типа Подавляющее большинство существующих реакторов имеют гетерогенную структуру активной зоны. Это связано как с нейтронно- физическими аспектами (возможностью улучшения размножающих свойств за счет гетерогенного размещения топлива, замедлителя, теплоносителя и конструкционных материалов), так и с материально-техническими (изготовление тепловыделяющих элементов, теплофизическими возможностями конструкции, стержней регулирования и т.п.). Таким образом, наиболее распространенные модели активных зон ядерных реакторов связаны с описанием гетерогенных структур. Самым простейшим случаем такой структуры (элементарной ячейкой) является одиночный топливный стержень (твэл) в оболочке, окруженный водой, которая выполняет функции замедлителя и теплоносителя, как это имеет место в корпусных реакторах (ВВЭР, PWR, BWR). Разумеется, активная зона корпусного реактора набирается из тепловыделяющих сборок (ТВС), каждая из которых содержит сотни таких твэлов, органов управления, регулирования и т.д. Пример ТВС с набором характерных размеров показан на рисунке 4. Рис. 4. Схема ТВС корпусного реактора ВВЭР с необходимыми размерами Однако, в силу того, что вода является приличным поглотителем тепловых нейтронов, размножающие свойства корпусного реактора можно рассматривать на моделях элементарной ячейки с определенными граничными условиями. Самой упрощенной из таких моделей как раз и является одиночный твэл, окруженный водой. Таким образом, в качестве расчетной модели для данной работы предлагается ячейка, изображенная на рисунке 5. Рис. 5. Элементарная ячейка решетки водо- водяного реактора Практические задачи, требующие нейтронно-физических расчетов ячейки, бывают самые различные, касающиеся размеров, выгорания, отравления, нестационарных процессов и т.п. Поэтому задачи, относящиеся к работе реактора на мощности, рассматриваются в последующих работах, а данная работа посвящена выбору оптимальных параметров элементарной ячейки. Диаметр твэла и толщина его оболочки зависят также от необходимых теплофизических параметров, поэтому с точки зрения 30 размножающих свойств основным изменяемым параметром является шаг решетки, определяющий количество воды, приходящееся на один твэл. Очевидно, что главная цель – определение такого шага решетки (фактически, величины R) , при котором коэффициент размножения будет наибольшим. Задание 1. Задать свой вариант (см. таблицу с диаметром твэла и толщиной оболочки) ячейки водо-водяного реактора (см. рис.5) со следующими параметрами: радиус ячейки 5 мм, топливо – UO 2 с обогащением 3.6%, материал оболочки – цирконий, замедлитель – вода с плотностью 0.7 г/см 3 Граничные условия – полное отражение нейтронов на границе ячейки. , мм d Т δ , мм 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 0.4 1 2 3 4 5 0.5 6 7 8 9 10 0.6 11 12 13 14 15 0.7 16 17 18 19 20 2. Произвести ряд расчетов коэффициента размножения ячейки и необходимых макроскопических сечений при различном радиусе ячейки (шаге решетки), определить оптимальный шаг решетки. Повторить расчеты для обогащения топлива 4.4%. Результаты представить в виде таблицы. Обогащение 3.6%, 4.4%. Шаг решетки, мм K ∞ ϑ ϕ зам a Σ , см -1 топ a Σ , см -1 ( ) f f топ ν Σ , см -1 10 … опт d … 31 3. В одной координатной плоскости изобразить графики зависимости коэффициента размножения ячейки от шага решетки для двух значений обогащения топлива. Контрольные вопросы 1. Почему решетка корпусного водяного реактора является тесной? 2. Какова зависимость K ∞ решетки корпусного водяного реактора от толщины твэла? 3. Какова зависимость K ∞ решетки корпусного водяного реактора от толщины оболочки твэла? 4. Какова зависимость K ∞ решетки корпусного водяного реактора от шага решетки? 5. Как изменится K ∞ решетки корпусного водяного реактора с толстыми твэлами, если топливо UO 2 заменить на металлический уран при том же обогащении? 6. Как изменится K ∞ решетки корпусного водяного реактора, если вместо воды будет водород с такой же ядерной концентрацией? 7. Что происходит с коэффициентами формулы 4-х сомножителей, если вода в решетке корпусного реактора закипит? 8. Что произойдет с K ∞ тесной решетки водяного реактора, если вместо легкой воды окажется тяжелая вода? 9. Как изменится макросечение поглощения замедлителя в решетке корпусного водяного реактора при увеличении шага решетки? 10. Твэл решетки корпусного водяного реактора круглого сечения переделали в твэл с квадратным сечением с сохранением объема. Как изменятся все коэффициенты формулы 4-х сомножителей? 11. Оказывает ли чехол ТВС значимое влияние на K ∞ центральных твэлов ТВС? 32 12. Твэл решетки корпусного водяного реактора разделили на 3 таких же твэла с сохранением объема. Как изменятся все коэффициенты формулы 4-х сомножителей? 13. В ячейку к твэлу решетки корпусного водяного реактора поместили еще 2 таких же твэла. Как изменятся все коэффициенты формулы 4-х сомножителей? 14. В центре тонкого твэла корпусного водяного реактора сделали сквозное отверстие, не повлиявшее на объем топлива. Как изменился K ∞ ячейки с этим твэлом? 15. В ячейке корпусного водяного реактора с оптимальным шагом решетки вдвое уменьшили шаг решетки и вдвое увеличили диаметр твэла. Как изменился K ∞ ? 16. В ячейке корпусного водяного реактора с оптимальным диаметром твэла вдвое увеличили шаг решетки и вдвое увеличили диаметр твэла. Как изменился K ∞ ? 17. Каково разбавление ячейки водяного корпусного реактора с твэлом диаметром 8 мм, оболочкой 0.5 мм, шагом решетки 12 мм? 18. Какова объемная доля топлива ячейки водяного корпусного реактора с твэлом диаметром 8 мм, оболочкой 0.5 мм, шагом решетки 12 мм? 19. Какова объемная доля замедлителя ячейки водяного корпусного реактора с твэлом диаметром 8 мм, оболочкой 0.5 мм, шагом решетки 12 мм? 20. Каков должен быть шаг решетки водяного корпусного реактора, если диаметр твэла 8 мм, толщина оболочки 0.5 мм, а необходимое разбавление равно 5? 21. Каков должен быть диаметр твэла водяного корпусного реактора, если шаг решетки 15 мм, толщина оболочки 0.5 мм, а необходимое разбавление равно 5? 33 34 22. Сколько твэлов с диаметром 8 мм должна содержать гексагональная ТВС размером «под ключ» 300 мм, если шаг решетки равен 15 мм? 23. Каков должен быть размер «под ключ» гексагональной ТВС, если она содержит 330 твэлов диаметром по 7.5 мм каждый с шагом решетки 12 мм? 24. Сколько твэлов с диаметром 8 мм должна содержать квадратная ТВС размером 300 мм, если шаг решетки равен 15 мм? 25. Каков должен быть размер «под ключ» квадратной ТВС, если она содержит 200 твэлов диаметром по 7 мм каждый с шагом решетки 10 мм? ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6. Размножающие свойства решетки реактора канального типа Активная зона канального реактора представляет собой совокупность топливных каналов – пространственно разделенных труб, где течет теплоноситель и размещается ТВС. Такая конструкция применяется, как правило, в случае использования тяжелой воды или графита в качестве замедлителя (РБМК, CanDU). Давление в таком реакторе несет не корпус, а отдельные каналы, что дает такой конструкции ряд преимуществ, заключающихся, главным образом, в возможности проведения перегрузок топлива и замены негерметичных ТВС без остановки реактора. Геометрия же ячеек канальных реакторов несколько сложнее, чем корпусных, где можно свести задачу к отдельно взятому твэлу. Ячейка канального реактора является структурой с двойной гетерогенностью: первый уровень – твэлы, омываемые теплоносителем, второй уровень – каналы с ТВС, размещенные в блоках замедлителя, причем, как правило, квадратное размещение блоков требует определения диаметра эквивалентного кругового сечения из условия сохранения площади сечения. Схема ячейки канального реактора с набором характерных размеров показана на рисунке 6. Рис. 6. Схема ячейки канального реактора с характерными размерами Необходимо отметить, что сборка канального реактора может иметь различное число рядов твэлов (на рис. 6 показано 2 ряда) и диаметры этих топливных «колец» также необходимо знать. В программном описании такая геометрия носит название кластера, и описывается по-разному. Среди основных способов выделяются два. Первый основан на преобразовании всей ячейки в набор концентрических колец, заполненных топливом, теплоносителем и замедлителем в зависимости от конструкции конкретной сборки. То есть, каждый ряд твэлов превращается в кольцо. Однако, такой способ недостаточно точен, так как изменяет реальную геометрию системы и, что самое важное, в расчетной модели некорректно представляется эффект экранировки внутреннего ряда твэлов. Другой способ основа на задании полиячейки, набранной из элементарных ячеек различных типов. Эти элементарные ячейки представляют собой отдельно взятый твэл и канал с блоком, заполненным теплоносителем. Затем задается, так называемая, матрица перетечек, показывающая, какова доля нейтронов, переходящая из элементарных ячеек одного типа в ячейки другого, то есть задается принцип обмена нейтронами между ячейками. 35 Отметим, что при расчетах целой ТВС или групп ТВС для корпусных реакторов также применяется полиячеечный метод. Также важно, что для программ расчета, основанных на методе вероятностей первых столкновений протяженные области, заполненные одним типом материала (графитовый блок) рекомендуется разбивать на несколько зон с целью повышения точности расчета. Начальная цель расчетных исследований ячейки канального реактора такая же, как и для корпусного реактора: для различных начальных параметров ячейки найти оптимальный шаг решетки, соответствующий максимальному коэффициенту размножения. Задание 1. Задать вариант (см. таблицу с диаметром твэла и толщиной оболочки) ячейки канального реактора, как это показано на примере, со следующими параметрами: 18 твэлов, радиус ТВС 50 мм, толщина оболочки ТВС 2.5 мм, топливо – UO 2 с обогащением 2.0%, шаг решетки 12 см, материал оболочек – цирконий, замедлитель – графит, теплоноситель – легкая вода с плотностью 0.7 г/см 3 . Граничные условия – полное отражение нейтронов на границе ячейки. , мм d Т δ , мм 10.0 11.0 12.0 12.5 13.0 0.5 1 2 3 4 5 0.6 6 7 8 9 10 0.7 11 12 13 14 15 0.8 16 17 18 19 20 2. Произвести ряд расчетов коэффициента размножения ячейки и необходимых макроскопических сечений при различном радиусе ячейки (шаге решетки), определить оптимальный шаг решетки. Повторить расчеты, заменив замедлитель и теплоноситель на тяжелую воду и топливо с обогащением 0.71%. Результаты представить в виде таблицы. 36 Замедлитель – графит, тяжелая вода Шаг решетки, см K ∞ ϑ ϕ зам a Σ , см -1 топ a Σ , см -1 ( ) f f топ ν Σ , см -1 12 … опт d … 3. В одной координатной плоскости изобразить графики зависимости коэффициента размножения ячейки от шага решетки для двух рассматриваемых типов замедлителей. Контрольные вопросы 1. Почему решетка канального реактора с графитовым или тяжеловодным замедлителем является широкой? 2. Зачем в канальных тяжеловодных реакторах замедлитель и теплоноситель (тяжелая вода) разделяются между собой? 3. Как изменится коэффициент размножения решетки канального графитового реактора, если графит заменить тяжелой водой? 4. Почему в тяжеловодных реакторах в качестве теплоносителя не используют легкую воду? 5. Имеется два канальных реактора с оптимальным шагом решетки – тяжеловодный и графитовый. В каком из них уменьшение шага решетки приведет к более существенному изменению реактивности? 6. Имеется два канальных реактора с оптимальным шагом решетки – тяжеловодный и графитовый. В каком из них увеличение шага решетки приведет к более существенному изменению реактивности? 7. Как изменится коэффициент размножения ячейки канального графитового реактора, если вместо теплоносителя использовать тяжелую воду вместо легкой? 37 38 8. В ячейке канального графитового реактора, имеющей оптимальный шаг, вместо 18 твэлов поставили 36 с сохранением объемной доли топлива. Как изменится коэффициент размножения ячейки? 9. Как изменяется оптимальный шаг решетки канального реактора при увеличении обогащения топлива? 10. Как изменится коэффициент размножения канального реактора, если вместо UO 2 использовать металлический уран того же обогащения? 11. Из сборки канального графитового реактора, содержащей 18 твэлов, симметрично убирают 3, из сборки корпусного водяного реактора, содержащей 300 твэлов, также симметрично убирают 50. В каком случае изменение коэффициента размножения будет больше? 12. Из ТВС канального графитового реактора и канального тяжеловодного реактора, содержащих по 18 твэлов, симметрично убирают 3. В каком случае изменение коэффициента размножения будет больше? 13. Как изменится коэффициент размножения решетки канального графитового реактора при закипании теплоносителя – легкой воды? 14. Где процесс закипания теплоносителя (легкой воды) окажет более существенное влияние на реактивность – в решетке канального реактора или в решетке корпусного? 15. Как изменится коэффициент размножения ячейки тяжеловодного реактора, если теплоноситель и чехол ТВС равномерно гомогенизировать по замедлителю? 16. Как изменится коэффициент размножения ячейки графитового реактора, если теплоноситель и чехол ТВС равномерно гомогенизировать по замедлителю? 17. Как изменится коэффициент размножения ячейки графитового реактора, если 18 твэлов в сборке разместить не кольцами, а рядами? 39 18. В каком случае потеря теплоносителя из ячейки окажет большее влияние на реактивность – при тяжеловодном замедлителе или при графитовом? 19. Почему в ТВС РБМК нет твэла в центре? 20. Почему в реакторах CanDU целесообразно использовать 3 ряда твэлов вместо двух, как в РБМК? 21. Как изменяется коэффициент пространственной неравномерности поля энерговыделения канального реактора при увеличении обогащения топлива? 22. Какова объемная доля топлива в канальном графитовом реакторе с шагом решетки 25 см, имеющем сборку с 18 твэлами диаметром 13 мм (толщина оболочки 0.7 мм)? 23. Какова объемная доля D 2 O в канальном тяжеловодном реакторе с шагом решетки 28 см, имеющем сборку диаметром 14 см (толщина оболочки сборки 2.0 мм) с 36 твэлами диаметром 10 мм? 24. Каков должен быть шаг решетки канального графитового реактора, имеющего сборку (толщина оболочки сборки 2.0 мм) с 18 твэлами диаметром 13 мм (толщина оболочки 0.7 мм) и стержнем в центре такого же размера, чтобы разбавление активной зоны равнялось 250? 25. Каков должен быть шаг решетки канального тяжеловодного реактора, имеющего сборку (толщина оболочки сборки 2.0 мм) с 36 твэлами диаметром 13 мм (толщина оболочки 0.7 мм), чтобы разбавление активной зоны равнялось 200? |