кинетика реактора с учетом запаздывающих нейтронов

Кинетика реактора с учетом запаздывающих нейтронов

Файл: 12 Кинетика реактора с учетом запаздывающих нейтронов.doc

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлена: 09.02.2021

Просмотров: 165

Скачиваний: 3

Тема 12. КИНЕТИКА РЕАКТОРА С УЧЁТОМ ЗАПАЗДЫВАЮЩИХ НЕЙТРОНОВ

Рис.12.1. Мгновенный скачок положительной и отрицательной реактивности.

Дело в том, что для изучения общих закономерностей поведения плотности нейтронов n(t) надо, чтобы величина вводимой реактивности во времени изменялась одинаковым образом, общим для всех случаев сообщения реактору конкретной величины реактивности, независимо от её величины и знака. Поэтому и способ сообщения реактору реактивности избран общим: мгновенный скачок.

Рис.12.2. Характер реального процесса сообщения реактору положительной и отрицательной реактивности во времени за счёт перемещения подвижного стержня-поглотителя в реакторе из критического положения.

Рассмотрение случая сообщения реактивности реактору мгновенным скачком обусловлено ещё и тем, что любые иные реальные способы воздействия на реактор более безопасны.

Система дифференциальных уравнений кинетики реактора с учётом

шести групп запаздывающих нейтронов.

Очевидно, что плотность тепловых нейтронов, полученных в результате замедления в любом микрообъёме активной зоны в любой момент времени всегда равна сумме плотностей тепловых нейтронов, полученных в результате замедления мгновенных и запаздывающих нейтронов.

Из этой очевидности вытекает и другая: так как производная суммы двух функций одного аргумента равна сумме их производных, то

Примечание. Впредь, говоря о плотности тепловых нейтронов, получаемых в результате замедления мгновенных (или запаздывающих) нейтронов, будем выражаться кратко: “плотность мгновенных (запаздывающих) нейтронов”, оговаривая лишь случаи, когда использование таких кратких выражений приводит к двусмысленному пониманию их.

но, как уже неоднократно отмечалось, величина k_э в практике управления реальными энергетическими реакторами мало когда отличается от единицы более чем на 0.002, поэтому величина k_э без заметного ущерба для точности может быть принята равной единице

Если бы эти быстрые запаздывающие нейтроны со стопроцентной достоверностью избегали утечки и резонансного захвата при замедлении, то в каждом единичном объёме активной зоны в среднем из них рождалось бы столько же тепловых нейтронов за 1 с, но если учесть, что из всех их только (р _з j )-ая часть остаётся в активной зоне, то фактически в каждом единичном объёме активной зоны ежесекундно будет рождаться l _i C _i p _з j тепловых нейтронов, получаемых из запаздывающих нейтронов i-ой группы. Общая же скорость генерации тепловых нейтронов из запаздывающих нейтронов всех шести групп будет равна

Таким образом, с учётом выражений (12.5) и (12.4) исходное уравнение для скорости изменения плотности нейтронов в реакторе (12.1) приобретает вид:

Поэтому искомое дифференциальное уравнение для скорости изменения действительной концентрации предшественников i-ой группы будет :

а если, руководствуясь формулой (12.6), перейти к эффективным концентрациям предшественников любой группы, и полагая, что, как и в предыдущем выводе, k _э » 1, то:

Таков общий вид шести дифференциальных уравнений для скоростей изменения эффективных концентраций предшественников запаздывающих нейтронов шести групп.

Таким образом полная замкнутая система семи дифференциальных уравнений кинетики реактора с учётом запаздывающих нейтронов имеет вид:

n(t) = n _o exp (t / T) (12.12) и

Но, коль скоро эти выражения являются решениями системы уравнений кинетики, то подстановка их самих и их производных:

dn / dt = [n _o exp (t / T)] / T = n(t) / T (12.14)

dc _i / dt = [c _io exp (t / T)] / T = c _i (t) / T (12.15)

в исходную систему уравнений должна обратить последние в тождества.

В этих выражениях параметр Т имеет физический смысл периода соответствующих экспоненциальных процессов.

Примечание. Впредь ради краткости записи функции n(t) и c_i(t) будем обозначать просто n и c_i.

Подставим вначале (12.15) только в левую часть уравнения (12.11):

Далее выражения (12.16) и (12.14) подставляются в уравнение (12.10):

Умножив обе части полученного равенства на (l / n), получаем:

и приведя выражение под знаком суммы к общему знаменателю, несложно получить:

r = (l / T) + S b _эi / (1 + l _i T) (12.18)

Уравнение (12.18) по отношению к уравнению (12.10) является характеристическим и называется уравнением обратных часов.

Замечание. Получена, строго говоря, приближённая форма уравнения обратных часов, поскольку в процессе его вывода было принято одно допущение: предполагалось, что величина эффективного коэффициента размножения k_э очень мало отличается от единицы, в связи с чем допускалось, что r » d k_э. Эта натяжка незначительно влияет на точность решения и не меняет качественного характера решения системы дифференциальных уравнений кинетики реактора, но даёт возможность при этом значительно сократить объём математических преобразований при выводе уравнения обратных часов. Если бы мы не прибегали к указанному допущению, в результате более громоздкого вывода можно было бы получить более точное выраже ние для уравнения обратных часов (сравните):

r = l /(T + l) + [T /(T + l)] S b _эi / (1 + l _i T) (12.18а)

Уравнение обратных часов настолько важно и для анализа решений системы дифференциальных уравнений кинетики реактора, и для практической деятельности оператора реакторной установки, что мы временно прервём ход решения дифференциальных уравнений кинетики и остановимся на нём более подробно.

а ) Уравнение обратных часов как характеристическое уравнение системы дифференциальных уравнений кинетики реактора. Развёрнутый вид уравнения обратных часов:

В разделе математики “Решение дифференциальных уравнений” говорится, что вид, величины и знаки корней характеристического уравнения определяют вид решения дифференциальных уравнений. В частности, если характеристическое уравнение имеет действительные корни, то решение дифференциального уравнения (или системы дифференциальных уравнений) имеет экспоненциальный вид. Это побуждает нас заняться анализом корней уравнения обратных часов.

Источник

Тема 12. Кинетика реактора с учётом запаздывающих нейтронов

Рис.12.1. Мгновенный скачок положительной и отрицательной реактивности.

Дело в том, что для изучения общих закономерностей поведения плотности нейтронов n(t) надо, чтобы величина вводимой реактивности во времени изменялась одинаковым образом, общим для всех случаев сообщения реактору конкретной величины реактивности, независимо от её величины и знака. Поэтому и способ сообщения реактору реактивности избран общим: мгновенный скачок.

Рис.12.2. Характер реального процесса сообщения реактору положительной и отрицательной реактивности во времени за счёт перемещения подвижного стержня-поглотителя в реакторе из критического положения.

Рассмотрение случая сообщения реактивности реактору мгновенным скачком обусловлено ещё и тем, что любые иные реальные способы воздействия на реактор более безопасны.

Система дифференциальных уравнений кинетики реактора с учётом

шести групп запаздывающих нейтронов.

Очевидно, что плотность тепловых нейтронов, полученных в результате замедления в любом микрообъёме активной зоны в любой момент времени всегда равна сумме плотностей тепловых нейтронов, полученных в результате замедления мгновенных и запаздывающих нейтронов.

Из этой очевидности вытекает и другая: так как производная суммы двух функций одного аргумента равна сумме их производных, то

Примечание.Впредь, говоря о плотности тепловых нейтронов, получаемых в результате замедления мгновенных (или запаздывающих) нейтронов, будем выражаться кратко: “плотность мгновенных (запаздывающих) нейтронов”, оговаривая лишь случаи, когда использование таких кратких выражений приводит к двусмысленному пониманию их.

Дифференциальное уравнение скорости изменения плотности нейтронов. Используя один из простейших приёмов математической физики, величину эффективного коэффициента размножения нейтронов в реакторе можно представить как сумму двух слагаемых, каждое из которых словно бы отдельно ответственно за размножение мгновенных и запаздывающих нейтронов:

Примечание. Из (12.3), строго говоря, следует, что

но, как уже неоднократно отмечалось, величина k_эв практике управления реальными энергетическими реакторами мало когда отличается от единицы более чем на 0.002, поэтому величина k_эбез заметного ущерба для точности может быть принята равной единице

Если бы эти быстрые запаздывающие нейтроны со стопроцентной достоверностью избегали утечки и резонансного захвата при замедлении, то в каждом единичном объёме активной зоны в среднем из них рождалось бы столько же тепловых нейтронов за 1 с, но если учесть, что из всех их только (р_з j)-ая часть остаётся в активной зоне, то фактически в каждом единичном объёме активной зоны ежесекундно будет рождаться l_iC_i p_з j тепловых нейтронов, получаемых из запаздывающих нейтронов i-ой группы. Общая же скорость генерации тепловых нейтронов из запаздывающих нейтронов всех шести групп будет равна

называется эффективной концентрацией предшественников i-ой группы. Эта величина, введенная в обиход из соображений чистого удобства (компактности записи), имеет смысл некоторой условной эквивалентной концентрации тех же предшественников, из которых ежесекундно получалось бы реальное количество тепловых запаздывающих нейтронов i-ой группы в случае, когда утечка и резонансный захват замедляющихся нейтронов в реакторе отсутствовали бы.

Таким образом, с учётом выражений (12.5) и (12.4) исходное уравнение для скорости изменения плотности нейтронов в реакторе (12.1) приобретает вид:

12.1.2.Дифференциальные уравнения скоростей изменения эффективных концентраций предшественников запаздывающих нейтронов шести групп. Логический вид этих шести уравнений одинаков:

Со вторым слагаемым этого уравнения дело значительно проще: в соответствии с известным законом радиоактивного распада скорость b-распада предшественников i-ой группы определяется только наличной в данный момент времени концентрацией их С_i, то есть равна l_iC_i.

Поэтому искомое дифференциальное уравнение для скорости изменения действительной концентрации предшественников i-ой группы будет :

а если, руководствуясь формулой (12.6), перейти к эффективным концентрациям предшественников любой группы, и полагая, что, как и в предыдущем выводе, k_э » 1, то:

Таков общий вид шести дифференциальных уравнений для скоростей изменения эффективных концентраций предшественников запаздывающих нейтронов шести групп.

Таким образом полная замкнутая система семи дифференциальных уравнений кинетики реактора с учётом запаздывающих нейтронов имеет вид:

Решение системы дифференциальных уравнений кинетики. Одинаковый вид всех дифференциальных уравнений кинетики подсказывает, что их решения можно отыскать в форме выражений:

n(t) = n_o exp (t / T) (12.12) и

Но, коль скоро эти выражения являются решениями системы уравнений кинетики, то подстановка их самих и их производных:

dn / dt = [n_o exp (t / T)] / T = n(t) / T (12.14)

в исходную систему уравнений должна обратить последние в тождества.

В этих выражениях параметр Т имеет физический смысл периода соответствующих экспоненциальных процессов.

Примечание. Впредь ради краткости записи функции n(t) и c_i(t) будем обозначать просто n и c_i.

Подставим вначале (12.15) только в левую часть уравнения (12.11):

Далее выражения (12.16) и (12.14) подставляются в уравнение (12.10):

Умножив обе части полученного равенства на (l / n), получаем:

и приведя выражение под знаком суммы к общему знаменателю, несложно получить:

Уравнение (12.18) по отношению к уравнению (12.10) является характеристическим и называется уравнением обратных часов.

Замечание. Получена, строго говоря, приближённая форма уравнения обратных часов, поскольку в процессе его вывода было принято одно допущение: предполагалось, что величина эффективного коэффициента размножения k_эочень мало отличается от единицы, в связи с чем допускалось, чтоr»dk_э. Эта натяжка незначительно влияет на точность решения и не меняет качественного характера решения системы дифференциальных уравнений кинетики реактора, но даёт возможность при этом значительно сократить объём математических преобразований при выводе уравнения обратных часов. Если бы мы не прибегали к указанному допущению, в результате более громоздкого вывода можно было бы получить более точное выражение для уравнения обратных часов (сравните):

r = l /(T + l) + [T /(T + l)] S b_эi / (1 + l_i T) (12.18а)

Уравнение обратных часов настолько важно и для анализа решений системы дифференциальных уравнений кинетики реактора, и для практической деятельности оператора реакторной установки, что мы временно прервём ход решения дифференциальных уравнений кинетики и остановимся на нём более подробно.

Уравнение обратных часов.

а ) Уравнение обратных часов как характеристическое уравнение системы дифференциальных уравнений кинетики реактора. Развёрнутый вид уравнения обратных часов:

В разделе математики “Решение дифференциальных уравнений” говорится, что вид, величины и знаки корней характеристического уравнения определяют вид решения дифференциальных уравнений. В частности, если характеристическое уравнение имеет действительные корни, то решение дифференциального уравнения (или системы дифференциальных уравнений) имеет экспоненциальный вид. Это побуждает нас заняться анализом корней уравнения обратных часов.

или в более краткой форме:

Знаки корней уравнения обратных часов наиболее наглядно видны, если показать его решение в графическом виде (см. рис.12.3).

Рис,12.1. График зависимости корней уравнения обратных часов при положительных и отри- цательных реактивностях разной величины.

На этом графике показано решение уравнения обратных часов в зависимости не от величины самого периода Т, а от обратной ему величины 1 / Т: так удобнее выполнять решение уравнения аналитически.

При этом знаки всех семи корней уравнения обратных часов определяются самым наглядным образом: в точках пересечения соответствующих участков графика с горизонтальной прямой, отсекающей на оси ординат рассматриваемое значение реактивности r.

Если же величина сообщаемой реактору реактивности отрицательна, то все семь корней уравнения обратных часов отрицательны (лежат в левой, отрицательной, полуплоскости).

Что касается величин самих корней, то они, как следует из графика, определяются только величиной сообщаемой реактору реактивности r.

Теперь о знаках постоянных интегрирования (А_о ¸ А₆). Здесь не приводится полный (и очень громоздкий) аналитический вывод общего выражения для любой из постоянных интегрирования, которое имеет вид:

А_i = __________________________ (12.20)

б) Самостоятельное практическое значение решения уравнения обратных часов.

Анализ знаков корней уравнения обратных часов и постоянных интегрирования безусловно важен, так как он даёт возможность выявить качественную структуру и дать физическое толкование характеру переходных процессов при сообщении реактору реактивности того или иного знака.

Рис. 12.2. Две наглядные формы взаимосвязи реактивности реактора rи установившегося периода удвоения мощности реактора Т₂, вытекающие из решения уравнения обратных часов.

Пользуясь приведенными таблицей или графиком, оператор имеет возможность быстро оценить величину реактивности реактора по измеренному периоду удвоения мощности или предсказать величину установившегося периода разгона реактора по величине реактивности, которую он собирается сообщить реактору.

Переходные процессы при сообщении реактору отрицательной

Характер переходных процессов n(t) при r i = 1

Рис.12.3. Экспоненциальные составляющие переходного процесса n(t) при скачкообразном сообщении критическому реактору отрицательной реактивности.

Теперь смысл названия установившегося периода Т_о должен быть окончательно ясен.

Зависимость любого (переходного) периода Т_iпри отрицательной величине сообщаемой реактору реактивности имеет обратный характер: чем больше абсолютная величина сообщаемой реактору отрицательной реактивности, тем меньше абсолютная величина любого из корней уравнения обратных часов Т_i(что очень наглядно иллюстрирует график решения уравнения обратных часов). Следовательно, крутизна переходных процессов n(t) в реакторе определяется только величиной сообщаемой реактору отрицательной реактивности: чем больше абсолютная величина отрицательной реактивности, тем более круто идёт спад плотности нейтронов n(t), причём, и на стадии начального скачка, и на стадии последующего экспоненциального спада.

Можно сказать и иными словами: чем больше абсолютная величина сообщаемой реактору отрицательной реактивности, тем больше абсолютная величина начального скачка.

Нелинейный характер начальной стадии переходного процесса ещё более наглядно иллюстрируется графиком зависимости, построенным в полулогарифмической системе координат для различных значений отрицательной реактивности.(рис.12.4):

Рис.12.4. Качественный вид переходных процессов n(t) в натуральной и полулогарифмической системах координат.

Примечание. Обратим внимание с самого начала на эту “несуразицу”: при любом значении сообщаемой реактору отрицательной реактивности концентрации предшественников запаздывающих нейтронов устремляются к нулю, то есть, в соответствии с известным правилом, через (4¸5) периодов Т_iвеличины концентраций С_iдолжны обратиться в практический ноль. Объяснение этому будет дано при рассмотрении кинетики подкритического реактора с независимым источником нейтронов.

И лишь тогда, когда скорость снижения n(t) ”вплотную” снизится до скорости b-распада предшественников самой долгоживущей (первой) группы, переходный процесс n(t) плавно переходит во вторую (чисто экспоненциальную) стадию уменьшения плотности нейтронов с установившимся периодом Т_о.

Из рис.12.4. мы уже видели, что плотность нейтронов (или нейтронная мощность реактора) при сообщении реактору отрицательной реактивности уменьшается тем более высоким темпом, чем большая величина отрицательной реактивности воздействует на реактор. Величина начального скачка тоже находится явно в прямой зависимости от величины сообщаемой реактору отрицательной реактивности. Вопрос заключается в том, каков характер этой зависимости.

Договоримся считать условной величиной начального скачка Dn¢ разницу величин начальной плотности нейтронов n_o и постоянной интегрирования А_о старшей экспоненты А_оexp(-t/T_o):

Конечно, (см. рис.12.3) истинная величина начального скачка (Dn) несколько больше, чем величинаDn¢, но даже такое приближение позволяет качественно оценить предельные величины начальных скачков. Из графика рис.12.3. следует, что приближенная величина начального скачка есть не что иное как сумма всех постоянных интегрирования, кроме А_о:

Для большей общности попытаемся найти зависимость от реактивности величины относительного начального скачка:

Подставляя сюда общее выражение для постоянной интегрирования А_i (12.20), после нескольких простейших преобразований можно получить выражение:

Примечание. В числителе выражения для Т6 стоит величина времени жизни мгновенных нейтронов l, в отличие от прочих выражений, в числителях которых стоят единицы. Считаю своим долгом предупредить об этом, поскольку эти два символа близки по начертанию, и их можно перепутать.

Если подставить эти значения в формулу (12.26), можно получить величину предельного относительного начального скачка при отрицательной реактивности

Из этого следует не слишком весёлый для оператора реакторной установки плакатный вывод:

Источник

Тема 12. Кинетика реактора с учётом запаздывающих нейтронов

Рис.12.1. Мгновенный скачок положительной и отрицательной реактивности.

Дело в том, что для изучения общих закономерностей поведения плотности нейтронов n(t) надо, чтобы величина вводимой реактивности во времени изменялась одинаковым образом, общим для всех случаев сообщения реактору конкретной величины реактивности, независимо от её величины и знака. Поэтому и способ сообщения реактору реактивности избран общим: мгновенный скачок.

Рис.12.2. Характер реального процесса сообщения реактору положительной и отрицательной реактивности во времени за счёт перемещения подвижного стержня-поглотителя в реакторе из критического положения.

Рассмотрение случая сообщения реактивности реактору мгновенным скачком обусловлено ещё и тем, что любые иные реальные способы воздействия на реактор более безопасны.

Система дифференциальных уравнений кинетики реактора с учётом

шести групп запаздывающих нейтронов.

Очевидно, что плотность тепловых нейтронов, полученных в результате замедления в любом микрообъёме активной зоны в любой момент времени всегда равна сумме плотностей тепловых нейтронов, полученных в результате замедления мгновенных и запаздывающих нейтронов.

Из этой очевидности вытекает и другая: так как производная суммы двух функций одного аргумента равна сумме их производных, то

Примечание. Впредь, говоря о плотности тепловых нейтронов, получаемых в результате замедления мгновенных (или запаздывающих) нейтронов, будем выражаться кратко: “плотность мгновенных (запаздывающих) нейтронов”, оговаривая лишь случаи, когда использование таких кратких выражений приводит к двусмысленному пониманию их.

Дифференциальное уравнение скорости изменения плотности нейтронов. Используя один из простейших приёмов математической физики, величину эффективного коэффициента размножения нейтронов в реакторе можно представить как сумму двух слагаемых, каждое из которых словно бы отдельно ответственно за размножение мгновенных и запаздывающих нейтронов:

Примечание. Из (12.3), строго говоря, следует, что

но, как уже неоднократно отмечалось, величина k_э в практике управления реальными энергетическими реакторами мало когда отличается от единицы более чем на 0.002, поэтому величина k_э без заметного ущерба для точности может быть принята равной единице

Если бы эти быстрые запаздывающие нейтроны со стопроцентной достоверностью избегали утечки и резонансного захвата при замедлении, то в каждом единичном объёме активной зоны в среднем из них рождалось бы столько же тепловых нейтронов за 1 с, но если учесть, что из всех их только (р_з j)-ая часть остаётся в активной зоне, то фактически в каждом единичном объёме активной зоны ежесекундно будет рождаться l_iC_i p_з j тепловых нейтронов, получаемых из запаздывающих нейтронов i-ой группы. Общая же скорость генерации тепловых нейтронов из запаздывающих нейтронов всех шести групп будет равна

называется эффективной концентрацией предшественников i-ой группы. Эта величина, введенная в обиход из соображений чистого удобства (компактности записи), имеет смысл некоторой условной эквивалентной концентрации тех же предшественников, из которых ежесекундно получалось бы реальное количество тепловых запаздывающих нейтронов i-ой группы в случае, когда утечка и резонансный захват замедляющихся нейтронов в реакторе отсутствовали бы.

Таким образом, с учётом выражений (12.5) и (12.4) исходное уравнение для скорости изменения плотности нейтронов в реакторе (12.1) приобретает вид:

12.1.2.Дифференциальные уравнения скоростей изменения эффективных концентраций предшественников запаздывающих нейтронов шести групп. Логический вид этих шести уравнений одинаков:

Со вторым слагаемым этого уравнения дело значительно проще: в соответствии с известным законом радиоактивного распада скорость b-распада предшественников i-ой группы определяется только наличной в данный момент времени концентрацией их С_i, то есть равна l_iC_i.

Поэтому искомое дифференциальное уравнение для скорости изменения действительной концентрации предшественников i-ой группы будет :

а если, руководствуясь формулой (12.6), перейти к эффективным концентрациям предшественников любой группы, и полагая, что, как и в предыдущем выводе, k_э » 1, то:

Таков общий вид шести дифференциальных уравнений для скоростей изменения эффективных концентраций предшественников запаздывающих нейтронов шести групп.

Таким образом полная замкнутая система семи дифференциальных уравнений кинетики реактора с учётом запаздывающих нейтронов имеет вид:

Решение системы дифференциальных уравнений кинетики. Одинаковый вид всех дифференциальных уравнений кинетики подсказывает, что их решения можно отыскать в форме выражений:

n(t) = n_o exp (t / T) (12.12) и

Но, коль скоро эти выражения являются решениями системы уравнений кинетики, то подстановка их самих и их производных:

dn / dt = [n_o exp (t / T)] / T = n(t) / T (12.14)

в исходную систему уравнений должна обратить последние в тождества.

В этих выражениях параметр Т имеет физический смысл периода соответствующих экспоненциальных процессов.

Примечание. Впредь ради краткости записи функции n(t) и c_i(t) будем обозначать просто n и c_i.

Подставим вначале (12.15) только в левую часть уравнения (12.11):

Далее выражения (12.16) и (12.14) подставляются в уравнение (12.10):

Умножив обе части полученного равенства на (l / n), получаем:

и приведя выражение под знаком суммы к общему знаменателю, несложно получить:

Уравнение (12.18) по отношению к уравнению (12.10) является характеристическим и называется уравнением обратных часов.

Замечание. Получена, строго говоря, приближённая форма уравнения обратных часов, поскольку в процессе его вывода было принято одно допущение: предполагалось, что величина эффективного коэффициента размножения k_э очень мало отличается от единицы, в связи с чем допускалось, что r » dk_э. Эта натяжка незначительно влияет на точность решения и не меняет качественного характера решения системы дифференциальных уравнений кинетики реактора, но даёт возможность при этом значительно сократить объём математических преобразований при выводе уравнения обратных часов. Если бы мы не прибегали к указанному допущению, в результате более громоздкого вывода можно было бы получить более точное выражение для уравнения обратных часов (сравните):

r = l /(T + l) + [T /(T + l)] S b_эi / (1 + l_i T) (12.18а)

Уравнение обратных часов настолько важно и для анализа решений системы дифференциальных уравнений кинетики реактора, и для практической деятельности оператора реакторной установки, что мы временно прервём ход решения дифференциальных уравнений кинетики и остановимся на нём более подробно.

Уравнение обратных часов.

а ) Уравнение обратных часов как характеристическое уравнение системы дифференциальных уравнений кинетики реактора. Развёрнутый вид уравнения обратных часов:

В разделе математики “Решение дифференциальных уравнений” говорится, что вид, величины и знаки корней характеристического уравнения определяют вид решения дифференциальных уравнений. В частности, если характеристическое уравнение имеет действительные корни, то решение дифференциального уравнения (или системы дифференциальных уравнений) имеет экспоненциальный вид. Это побуждает нас заняться анализом корней уравнения обратных часов.

или в более краткой форме:

Знаки корней уравнения обратных часов наиболее наглядно видны, если показать его решение в графическом виде (см. рис.12.3).

Рис,12.1. График зависимости корней уравнения обратных часов при положительных и отри- цательных реактивностях разной величины.

На этом графике показано решение уравнения обратных часов в зависимости не от величины самого периода Т, а от обратной ему величины 1 / Т: так удобнее выполнять решение уравнения аналитически.

При этом знаки всех семи корней уравнения обратных часов определяются самым наглядным образом: в точках пересечения соответствующих участков графика с горизонтальной прямой, отсекающей на оси ординат рассматриваемое значение реактивности r.

Если же величина сообщаемой реактору реактивности отрицательна, то все семь корней уравнения обратных часов отрицательны (лежат в левой, отрицательной, полуплоскости).

Что касается величин самих корней, то они, как следует из графика, определяются только величиной сообщаемой реактору реактивности r.

Теперь о знаках постоянных интегрирования (А_о ¸ А₆). Здесь не приводится полный (и очень громоздкий) аналитический вывод общего выражения для любой из постоянных интегрирования, которое имеет вид:

А_i = __________________________ (12.20)

б) Самостоятельное практическое значение решения уравнения обратных часов.

Анализ знаков корней уравнения обратных часов и постоянных интегрирования безусловно важен, так как он даёт возможность выявить качественную структуру и дать физическое толкование характеру переходных процессов при сообщении реактору реактивности того или иного знака.

Пользуясь приведенными таблицей или графиком, оператор имеет возможность быстро оценить величину реактивности реактора по измеренному периоду удвоения мощности или предсказать величину установившегося периода разгона реактора по величине реактивности, которую он собирается сообщить реактору.

Переходные процессы при сообщении реактору отрицательной

Характер переходных процессов n(t) при r i = 1

Рис.12.3. Экспоненциальные составляющие переходного процесса n(t) при скачкообразном сообщении критическому реактору отрицательной реактивности.

Теперь смысл названия установившегося периода Т_о должен быть окончательно ясен.

Зависимость любого (переходного) периода Т_i при отрицательной величине сообщаемой реактору реактивности имеет обратный характер: чем больше абсолютная величина сообщаемой реактору отрицательной реактивности, тем меньше абсолютная величина любого из корней уравнения обратных часов Т_i (что очень наглядно иллюстрирует график решения уравнения обратных часов). Следовательно, крутизна переходных процессов n(t) в реакторе определяется только величиной сообщаемой реактору отрицательной реактивности: чем больше абсолютная величина отрицательной реактивности, тем более круто идёт спад плотности нейтронов n(t), причём, и на стадии начального скачка, и на стадии последующего экспоненциального спада.

Можно сказать и иными словами: чем больше абсолютная величина сообщаемой реактору отрицательной реактивности, тем больше абсолютная величина начального скачка.

Нелинейный характер начальной стадии переходного процесса ещё более наглядно иллюстрируется графиком зависимости, построенным в полулогарифмической системе координат для различных значений отрицательной реактивности.(рис.12.4):

Рис.12.4. Качественный вид переходных процессов n(t) в натуральной и полулогарифмической системах координат.

Примечание. Обратим внимание с самого начала на эту “несуразицу”: при любом значении сообщаемой реактору отрицательной реактивности концентрации предшественников запаздывающих нейтронов устремляются к нулю, то есть, в соответствии с известным правилом, через (4 ¸ 5) периодов Т_i величины концентраций С_i должны обратиться в практический ноль. Объяснение этому будет дано при рассмотрении кинетики подкритического реактора с независимым источником нейтронов.

И лишь тогда, когда скорость снижения n(t) ”вплотную” снизится до скорости b-распада предшественников самой долгоживущей (первой) группы, переходный процесс n(t) плавно переходит во вторую (чисто экспоненциальную) стадию уменьшения плотности нейтронов с установившимся периодом Т_о.

Из рис.12.4. мы уже видели, что плотность нейтронов (или нейтронная мощность реактора) при сообщении реактору отрицательной реактивности уменьшается тем более высоким темпом, чем большая величина отрицательной реактивности воздействует на реактор. Величина начального скачка тоже находится явно в прямой зависимости от величины сообщаемой реактору отрицательной реактивности. Вопрос заключается в том, каков характер этой зависимости.

Договоримся считать условной величиной начального скачка Dn¢ разницу величин начальной плотности нейтронов n_o и постоянной интегрирования А_о старшей экспоненты А_оexp(-t/T_o):

Конечно, (см. рис.12.3) истинная величина начального скачка (Dn) несколько больше, чем величина Dn¢, но даже такое приближение позволяет качественно оценить предельные величины начальных скачков. Из графика рис.12.3. следует, что приближенная величина начального скачка есть не что иное как сумма всех постоянных интегрирования, кроме А_о:

Для большей общности попытаемся найти зависимость от реактивности величины относительного начального скачка:

Подставляя сюда общее выражение для постоянной интегрирования А_i (12.20), после нескольких простейших преобразований можно получить выражение:

Примечание. В числителе выражения для Т6 стоит величина времени жизни мгновенных нейтронов l, в отличие от прочих выражений, в числителях которых стоят единицы. Считаю своим долгом предупредить об этом, поскольку эти два символа близки по начертанию, и их можно перепутать.

Если подставить эти значения в формулу (12.26), можно получить величину предельного относительного начального скачка при отрицательной реактивности

Из этого следует не слишком весёлый для оператора реакторной установки плакатный вывод:

Источник