Положительный паровой коэффициент реактивности

Положительный паровой коэффициент реактивности — это физическая величина, характеризующая изменение реактивности ядерного реактора при образовании пара в теплоносителе (обычно в воде). В ядерной физике и энергетике данный коэффициент определяется как производная реактивности по паросодержанию (доле пара в объёме теплоносителя) и выражается в единицах реактивности (например, в долях β — доли запаздывающих нейтронов). Положительное значение коэффициента означает, что увеличение паросодержания (например, при кипении воды) приводит к росту реактивности, то есть к усилению цепной ядерной реакции. Это свойство считается нежелательным и потенциально опасным, так как может способствовать неконтролируемому разгону реактора.

Физическая природа

Паровой коэффициент реактивности (ППКР) связан с изменением замедляющих и поглощающих свойств теплоносителя при фазовом переходе из жидкого состояния в газообразное. Вода в ядерных реакторах выполняет две основные функции: замедлителя нейтронов (снижает их энергию до теплового уровня) и теплоносителя (отводит тепло от активной зоны). При кипении плотность воды резко падает (примерно в 1000 раз при переходе в пар), что изменяет нейтронно-физические характеристики активной зоны.

Эффект замедления

Вода является эффективным замедлителем нейтронов благодаря высокому содержанию водорода. При образовании пара количество атомов водорода в единице объёма уменьшается, что снижает замедляющую способность среды. Для реакторов на тепловых нейтронах это приводит к двум противоположным эффектам:

• Снижение замедления увеличивает вероятность утечки быстрых нейтронов из активной зоны, что уменьшает реактивность.
• Уменьшение поглощения нейтронов водородом (сечение захвата тепловых нейтронов у водорода составляет 0,33 барна) может увеличить количество доступных нейтронов для деления.

В зависимости от конструкции реактора и состава активной зоны баланс этих эффектов может быть как положительным, так и отрицательным.

Эффект поглощения

Пар, в отличие от воды, имеет значительно меньшую плотность, что снижает количество ядер-поглотителей (в первую очередь водорода и кислорода) в активной зоне. Это уменьшает паразитное поглощение нейтронов, что способствует росту реактивности. В реакторах с водяным замедлением данный эффект может быть доминирующим, особенно при высоком обогащении топлива.

Типы реакторов и знак ППКР

Знак и величина парового коэффициента реактивности зависят от типа реактора, его конструкции, состава топлива и режима работы. В мировой практике выделяют несколько основных типов:

Реакторы типа РБМК

Реакторы большой мощности канальные (РБМК) — советские/российские уран-графитовые реакторы с водяным теплоносителем. В них паровой коэффициент реактивности имеет положительное значение, что стало одной из ключевых причин аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году. В РБМК вода выполняет роль теплоносителя, а замедлителем служит графит. При кипении воды в каналах уменьшается поглощение нейтронов водородом, что приводит к росту реактивности. Положительный ППКР в РБМК составляет около 0,1–0,2 β (по разным оценкам). После аварии были внесены конструктивные изменения (увеличение числа поглощающих стержней, изменение состава топлива), снизившие положительный эффект, но полностью устранить его не удалось.

Реакторы типа ВВЭР

Водо-водяные энергетические реакторы (ВВЭР) — российские реакторы с водой под давлением. В них вода одновременно является и замедлителем, и теплоносителем. В ВВЭР паровой коэффициент реактивности отрицателен, что считается безопасным свойством. При образовании пара в активной зоне снижается замедление нейтронов, что приводит к уменьшению реактивности. Это создаёт естественную отрицательную обратную связь, препятствующую разгону реактора. Величина ППКР в ВВЭР составляет от −0,1 до −0,5 β в зависимости от режима.

Реакторы PWR и BWR

Западные аналоги ВВЭР — реакторы с водой под давлением (PWR) и кипящие реакторы (BWR). В PWR, как и в ВВЭР, паровой коэффициент отрицателен. В BWR, где кипение является штатным режимом, конструкция спроектирована так, чтобы ППКР был отрицательным или слабоположительным, но с компенсацией другими механизмами (например, температурным эффектом топлива). В современных BWR (например, ABWR) паровой коэффициент отрицателен.

Реакторы на быстрых нейтронах

В реакторах на быстрых нейтронах (БН-600, БН-800, БН-1200 в России) теплоносителем обычно служит жидкий натрий или свинец. Паровой коэффициент реактивности в них не рассматривается, так как вода не используется в качестве теплоносителя. Однако при аварийных ситуациях с попаданием воды в натриевый контур возможны химические реакции, но не паровой эффект реактивности.

Влияние на безопасность

Положительный паровой коэффициент реактивности считается одним из наиболее опасных свойств ядерного реактора, так как он может привести к положительной обратной связи: образование пара увеличивает реактивность, что усиливает энерговыделение, что вызывает ещё большее парообразование. Такой процесс может перерасти в неконтролируемый разгон реактора с разрушением активной зоны.

Авария на Чернобыльской АЭС

Крупнейшая авария в истории ядерной энергетики (26 апреля 1986 года) произошла на реакторе РБМК-1000, который имел положительный паровой коэффициент реактивности. В ходе эксперимента по снижению мощности произошёл резкий скачок реактивности, вызванный парообразованием в каналах. Положительный ППКР, наряду с другими конструктивными недостатками (например, «концевым эффектом» регулирующих стержней), привёл к тепловому взрыву и выбросу радиоактивных веществ. После аварии в конструкцию РБМК были внесены изменения, снизившие положительный ППКР, но полностью сделать его отрицательным не удалось.

Современные требования

Международные стандарты безопасности (МАГАТЭ) и национальные регуляторы (в России — Ростехнадзор) требуют, чтобы для реакторов с водяным теплоносителем паровой коэффициент реактивности был отрицательным во всех режимах работы, включая аварийные. Для реакторов, где это невозможно (например, РБМК), предусматриваются дополнительные системы безопасности, ограничивающие скорость роста реактивности.

Методы измерения и расчёта

Паровой коэффициент реактивности определяется экспериментально на физических стендах и в процессе эксплуатации реактора. Используются методы:

• Периодические измерения реактивности при изменении паросодержания в активной зоне.
• Расчётные модели на основе нейтронно-физических кодов (например, MCU, MCNP, SERPENT).
• Анализ динамики реактора при переходных процессах.

В расчётах учитываются:

• Сечения захвата и рассеяния нейтронов для воды и пара.
• Геометрия активной зоны.
• Температурные зависимости плотности воды и пара.

Исторический контекст

Положительный паровой коэффициент реактивности был известен с 1950-х годов, когда разрабатывались первые графито-водные реакторы. В СССР в 1960-х годах при проектировании РБМК инженеры осознавали наличие положительного ППКР, но считали его допустимым при условии быстродействующей аварийной защиты. После Чернобыльской аварии этот подход был пересмотрен. В западной практике с 1970-х годов действовало требование отрицательного ППКР для всех новых реакторов.

См. также

• Температурный коэффициент реактивности
• Пустотный коэффициент реактивности
• Реактивность ядерного реактора
• Безопасность ядерных реакторов

Источники

1. Атомная энергия. Том 60, выпуск 4, 1986. — Статьи о физике РБМК.
2. INSAG-7. Отчёт Международной консультативной группы по ядерной безопасности (МАГАТЭ). — Анализ аварии на Чернобыльской АЭС, 1992.
3. Доллежаль Н.А., Емельянов И.Я. Канальный ядерный реактор. — М.: Атомиздат, 1980.
4. Петрунин В.В. Нейтронно-физические характеристики реакторов ВВЭР. — М.: Энергоатомиздат, 2005.
5. Нормы и правила в области использования атомной энергии (НП-001-15). — Ростехнадзор, 2015.