Реактивность реактора. 
Ядерные технологии

Реактивность ядсрного реактора, г — величина, характеризующая динамику цепной реакции в активной зоне ядерного реактора. Реактивность выражается через коэффициент размножения нейтронов: r=(k-i)/k. Используется при описании некритических состояний реакторов. Поскольку к обычно мало отличается от единицы, г~к-1, то реактивность показывает превышение к над единицей. В критическом реакторе г=о, в надкритическом реактивность положительна, в подкритическом — отрицательна. Если какое-либо явление приводит к снижению коэффициента размножения, то оно порождает отрицательную реактивность. Если в результате некоторого эффекта к увеличивается, то появляется положительная реактивность.

Если плотности нейтронов различных поколений равны, то реактор критичен: средняя плотность нейтронов п в нём в любой момент времени постоянна и уровень мощности реактора — не изменяется. Если плотность нейтронов от поколения к поколению возрастает, то реактор надкритичен: плотность нейтронов в нём в любой момент времени — функция возрастающая, а, следовательно, мощность реактора во времени растёт. Если же плотность нейтронов последовательно сменяющих друг друга поколений уменьшается, то реактор подкритичен, и его мощность со временем падает.

Величина:

представляющая собой отношение чисел нейтронов рассматриваемого и непосредственно предшествующего ему поколений нейтронов, называется эффективным коэффициентом размножения нейтронов в реакторе. В критическом реакторе K_ej= 1, в надкритическом реакторе К_е/> 1, а в подкритическом — Ket< 1, а величина эффективного коэффициента размножения (по тому, насколько она отклоняется от единицы) позволяет оценить интенсивность нарастания или убывания мощности реактора (большие значения ведут к атомному взрыву).

Реактивность — отклонение коэффициента размножения от единицы, отнесенное к коэффициенту' размножения.

При г=о состояние стационарно. В критическом реакторе величины избыточного коэффициента размножения и реактивности равны ну’лю, в надкритическом реакторе они положительны, а в подкритическом — отрицательны. Каждому значению г отвечает определённая скорость изменения мощности с характерным временем 7V (период реактора), устанавливающаяся после некоторого переходного этапа. При го — растёт. Если |г|<�р период реактора полностью определяется временем жизни мгновенных нейтронов t" и не зависит от временных параметров запаздывающих нейтронов:

Если г>>р, то происходит быстрый (аварийный) разгон ядерного реактора на мгновенных нейтронах.

Количество актов деления зависит от впемени по закону:

где i — полное число актов деления, произошедших за время г с начала реакции, N₀ — число ядер, претерпевших деление в первом поколении, к — коэффициент размножения нейтронов, т_ПОк — время «смены поколений», т. е. среднее время между последовательными актами деления, характерное значение которого составляет ю*⁸ сек.

В процессе работы ядерного реактора происходят изменения реактивности: быстрые, связанные с изменением температуры реактора в переходных режимах, и медленные, при изменении состава активной зоны за счёт выгорания ядерного горючего и накопления осколков. Эффект реактивности бывает температурным или мощностностным.

В температурный эффект значительный вклад вносит плотностной эффект — изменение при нагреве плотности замедлителя или теплоносителя (в единице объёма уменьшается количество ядер замедлителя). При нагреве топлива наблюдается допплеровский эффект — увеличение диапазона энергий нейтрона, при которых происходит резонансный захват на ядрах ²з⁸и. Температурный эффект характеризуется температурным коэффициентом а, который показывает изменение реактивности при нагревании реактора на один градус. Зависимость реактивности от температуры представляется в виде линейной функции:

где 0_О и 0 — начальная и текущая температуры реактора.

Отрицательный температурный коэффициент обеспечивает устойчивую работ>^г реактора в стационарном режиме. Если мощность реактора причинам увеличится, за этим последует повышение температуры реактора. Тогда реактивность реактора становится отрицательной, и мощность понижается, возвращаясь к исходному уровню. При снижении уровня мощности реактор охлаждается до температуры ниже начальной, вследствие чего появляется положительная реактивность, и заданная мощность восстанавливается. Таким образом, реактор с отрицательным температурным коэффициентом саморегулируется. Совершенно по-другому ведёт себя реактор с положительным температурным коэффициентом. Случайное повышение мощности ведёт к появлению положительной реактивности и дальнейшем}' рост}' мощности реактора, а понижение мощности — к выключению реактора. Реакторы с положительным температурным коэффициентом неустойчивы в работе и плохо регулируются. Поэтому стремятся иметь реактор с отрицательным коэффициентом в области рабочих температур. Особо высок (4−10−4) отрицательный температурный коэффициент в водо-водяных реакторах, для водо-графитовых реакторов он значительно ниже.

Мощностной коэффициент реактивности равен изменению реактивности при изменении мощности на единицу, а также температурным коэффициентом реактивности, равным отношению изменения реактивности к температуре теплоносителя (при постоянной мощности). Значения коэффициентов реактивности изменяются с мощностью, а также в процессе выгорания горючего. Порядок величины асимптотических коэффициентов реактивности: мощностного — ю^-5 МВт¹, температурного — ю^-5 К¹.

Изменение реактивности осуществляется движением регулирующих стержней по показаниям технологических датчиков. Если К*ф-кг] (г- доля запаздывающих нейтронов, время жизни которых -14,4 с), то ядерная цепная реакция будет развиваться только при участии запаздывающих нейтронов за время порядка минут, т. е. будет хорошо регулируемой.