определение нейтронно-физических параметров реактора

При проектировании и эксплуатации УГР учитывают ряд следующих особенностей:
 возможность использования в сочетании с графитом различных теплоносителей, в том числе высокотемпературных;
 большее воспроизводство топлива, чем в ВВЭР;
 возможность перегрузки топлива без остановки реактора;
Так же у УГР имеются недостатки:
 относительно малая замедляющая способность и большая длина замедления приводит к большим размерам и соответственно низкой плотности теплосъема активной зоны;
 длительные радиационные воздействия приводят к изменению физико-механических свойств и размеров графита;
 пористость графита приводит к просачиванию теплоносителя, что приводит к изменению реактивности.
Используемые в работе экспериментальные параметры реактора
УГР с водяным теплоносителем соответствуют реальным значениям реактора РБМК-1000 с поправками на полученное условие и представлены в таблице 1 [1, 2, 3].
Таблица 1 - Экспериментальные параметры реактора

Параметр Значение
Тепловая мощность, МВт 1500
Ядерное топливо (ЯТ) UO2
Загрузка топлива, т 192
Обогащение, % 1,5
Плотность топлива, г/см3 10,9
Материал оболочки Al
Плотность оболочки, г/см3 2,7
Температура теплоносителя на входе в ТК, °С 90
Температура теплоносителя на выходе из ТК, °С 190
Высота активной зоны, м 7
Диаметр активной зоны, м 11,8
Число каналов (испарительных), шт 1693
КПД, % 31,3
Число ТВЭЛ, шт 18
Диаметр внутренний оболочки ТВЭЛ, мм 11,7
Диаметр внешней оболочки ТВЭЛ, мм 13,6
Диаметр топливной таблетки, мм 11,52

1.2 Материалы ядерного реактора
1.2.1 Диоксид урана

Диоксид урана используется в качестве топлива в УГР. UO2 обладает
низкой теплопроводностью, тем самым, по сечению топливной таблетки
проявляются большие градиенты температур, что влияет на прочность твэл.
Предельно допустимая температура такого сердечника равна 2800 °С и
соответствует точке плавления UO2. До температуры плавления диоксид урана не имеет никаких фазовых переходов. У диоксида урана меньше плотность и меньшее процентное содержание урана чем в металлическом топливе.
Таблетки изготавливаются из порошка UO2 методом спекания в форме
цилиндров размером по высоте 2-3 диаметра, и имеют центральное отверстие диаметром 1,4-1,6 мм, которое служит дополнительным объемом для скопления газообразных продуктов деления и снижает температуру в центре.
1.2.2 Теплоноситель легкая вода

Вода является распространенным теплоносителем. Прежде чем
использовать воду как теплоноситель из нее удаляют газы, так как
присутствующие в воде примеси и газы делают ее химически активной с
металлами.
Радиоактивная вода циркулирует в первом контуре. Воду фильтруют для
снижения концентрации примесей. Под действием нейтронов на ядрах
кислорода идут реакции которых образуются О^18 (n,γ) О^19 и О^16 (n,p) N^16, в которых образуются радиоактивные ядра О^19 с T_(1/2)=29,4с и N^16 c T_(1/2)=4с
Повышением давления в первом контуре устраняют такой недостаток
как низкая температура кипения. Поглощение тепловых нейтронов водой
компенсируют обогащением урана
1.2.3 Материалы оболочек тепловыделяющих элементов

К твэлам предъявляются серьезные требования, так как они находятся
под воздействием максимальных температур по реактору:
небольшое сечение поглощения нейтронов;
сохранение формы под воздействием температуры и радиации;
большая теплопроводность;
стойкость к коррозии и эррозии под воздействием теплоносителя, и
совместимость с материалом топлива;
Толщина для оболочек, выполненных из алюминия составляет 0,4 –0,8 мм.
II Результаты работы
1 Расчет площадей активной зоны

Расчет площадей элементов активной зоны производится по формулам:
S_ЯТ=N_ТВЭЛ⋅π⋅R_ТТ^2=18⋅π⋅〖0,576〗^2=18,752 [〖см〗^2 ]
R_(ТК внутр)=R_(ТК внеш)-Δ_ТК=4,4-0,4=4 [〖см〗^2 ]
S_(ТК внеш)=π∙R_(ТК внеш)^2=π∙〖4,4〗^2=60,790 [〖см〗^2 ]
S_(ТК внутр)=π∙R_(ТК внутр)^2=π∙4^2=50,240 [〖см〗^2 ]
S_ТК=S_(ТК внеш)-S_(ТК внутр)=60,790-50,240=10,550 [〖см〗^2 ]
S_(ТВЭЛ внеш)=π∙R_(ТВЭЛ внеш)^2=π∙〖0,68〗^2=1,452 [〖см〗^2 ]
S_(ТВЭЛ внутр)=π∙R_(ТВЭЛ внутр)^2=π∙〖0,585〗^2=1,075 [〖см〗^2 ]
S_ТВЭЛ=S_(ТВЭЛ внеш)-S_(ТВЭЛ внутр)=1,452-1,075=0,377 [〖см〗^2 ]
S_КМ=S_ТК+S_ТВЭЛ∙N_ТВЭЛ=10,550+0,377∙18=17,343 [〖см〗^2 ]
S_ЯЧ=a_ЯЧ∙b_ЯЧ=25∙25=625 [〖см〗^2 ]
S_ТН=S_(ТК внутр)+S_(ТК внеш)∙N_ТВЭЛ=50,240-60,790∙18=24,105 [〖см〗^2 ]
S_ЗАМ=S_ЯЧ-S_(ТК внеш)=625-60,790=564,210 [〖см〗^2 ] (1.1)
Проверка верности расчета площадей элементов АЗ заключалась в справедливости равенства S_общ>S_ЯЧ:
S_общ=S_ЯТ+S_КМ+S_ЗАМ+S_ТН=624,409 [〖см〗^2 ] (1.2)
где S_ЯТ-площадь ядерного топлива;
N_ТВЭЛ-число ТВЭЛ в сборке;
R_ТТ-радиус топливной таблетки;
R_(ТК внутр)-внутренней радиус ТК;
R_(ТК внеш)-внешний радиус ТК;
S_(ТК внеш)-внутренняя площадь ТК;
S_(ТК внутр)- внешняя площадь ТК;
S_ТК-площадь ТК;
R_(ТВЭЛ внеш)-внешний радиус ТВЭЛ;
R_(ТВЭЛ внутр)-внутренней радиус ТВЭЛ;
S_(ТВЭЛ внеш)-внешняя площадь ТВЭЛ;
S_(ТВЭЛ внутр)-внутренняя площадь ТВЭЛ;
S_ТВЭЛ- площадь ТВЭЛ;
S_КМ-площадь конструкционных материалов;
S_ЯЧ-площадь ячейки одного ТВС;
S_ТН-площадь теплоносителя;
S_ЗАМ-площадь замедлителя;
S_общ-общая площадь ячейки;
a_ЯЧ,b_ЯЧ-длина и ширина ячейки,соответственно.

2 Расчет концентраций материалов активной зоны

Для расчета концентраций элементов АЗ использовались формулы определения ядерных концентраций (для нуклидов ЯТ, ЗАМ, ТН) и формула определения концентрации смешанных материалов (для конструкционных материалов):
N(M)=N_a⋅ρ(M)/μ(M) [〖см〗^(-3) ] (2.1)
М – рассматриваемая молекула;
Na - число Авогадро (6,023 ∙10^23,〖моль〗^(-1));
ρ(M) - плотность молекулы, г/см3;
μ(M) - массовая доля молекулы.
N(Х_z^А )=N(M)⋅C(Х_z^А ) (2.2)
N(Х_z^А ) – ядерная концентрация;
N(M) - концентрация молекулы;
C(Х_z^А ) - массовое содержание;
N_i=C_i⋅(Na⋅ρ_смеси)/μ_i (2.3)
ρ_смеси – плотность смеси, г/см3 ;
C_i - массовое содержание;
μ_i - молярная масса атома;
i – химический элемент.

2.1 Расчет концентрации нуклидов ядерного топлива, замедлителя, теплоносителя

В исследуемом реакторе УГР топливом является диоксид урана (UO2) с обогащением C(U235) = 1,5%.
N(〖UO〗_2 )=N_а∙ρ(〖UO〗_2 )/μ(〖UO〗_2 ) =6,023 ∙10^23∙10,9/270==2,432∙ 10^22 [〖см〗^(-3) ] ,(2.1.1)
N(U^235 )= N(〖UO〗_2 )∙ С(U^235 )= 2,432 ∙〖10 〗^22 ∙ 0,015== 3,648 ∙10^20 [〖см〗^(-3) ],(2.1.2)
N(U^238 )= N(〖UO〗_2 )∙(1-C(U^235 ))=2,432*10^22∙(1-0,015)=
=2,395∙10^22 [〖см〗^(-3) ],(2.1.3)
N(O)=N(〖UO〗_2 )∙2=2,432∙10^22∙2=4,863∙10^22 [〖см〗^(-3) ],(2.1.4)