Ниже — сжатое, но технически полное перечисление возможных причин постепенного снижения активности цепной реакции при неизменном количестве топлива и мер против них.
Причины (физические и инженерные)
- Изменение нейтронной экономики из‑за изменения состава топлива:
- Выгорание делящихся изотопов: уменьшение количества ${}^{235}$U (и других делящихся ядер) снижает полезную реактивность; одновременно образуется ${}^{239}$Pu, но баланс обычно даёт потерю реактивности по ходу работы.
- Введение поглотителей (см. ниже) и перераспределение изотопов влияют на эффективный множитель нейтронов $k_{\text{eff}}$ и реактивность $\rho$: $\rho =\frac{k_{\text{eff}}-1}{k_{\text{eff}}}$.
- Накопление ядер‑поглотителей (отравление):
- Ксенон(135): цепочка ${}^{135}\text{I}\stackrel{\beta }{}{}^{135}\text{Xe}$ даёт сильный временный поглотитель. Периоды: $t_{1/2}{(}^{135}\text{I})\approx 6.57\text{ч}$, $t_{1/2}{(}^{135}\text{Xe})\approx 9.14\text{ч}$. Накопление Xe может снизить реактивность заметно.
- Самарий(149) — стабильный мощный поглотитель, накапливается при выгорании и даёт долговременное снижение реактивности.
- Активация и накопление примесей / продуктов коррозии (CRUD):
- Оксиды, коррозионные продукты и активированные примеси (например, из конструкционных материалов) осаждаются на тепловыделяющих элементах и увеличивают поглощение нейтронов.
- Радиационные повреждения материалов и геометрические изменения:
- Набухание, ползучесть топлива и оболочки, деградация структуры замедлителя/отражателя приводят к изменению зазоров, плотности замедлителя или плотности топлива → изменение нейтронного спектра и потерь.
- Окисление или изменение состава оболочки увеличивает паразитное поглощение.
- Тепломассоперенос и гидравлика:
- Снижение расхода теплоносителя или локальное ухудшение охлаждения → повышение температуры топлива/охлаждающей среды; при отрицательном температурном коэффициенте реактивность падает (самопротективный эффект).
- Изменение плотности/вакуумности теплоносителя (пузырение/вспенивание) меняет замедление нейтронов и поглощение (эффект пустотности); в тепловых реакторах обычно приводит к уменьшению реактивности.
- Управление и контрольные элементы:
- Смещение/просадка БА (burnable absorbers), частичное вытеснение растворённого поглотителя (в PWR — бор), ослабление работы приводов стержней, постепенное изменение калибровки датчиков нейтронного потока.
- Операционные факторы:
- Изменения химии теплоносителя (ионная концентрация, pH) и скрытый бор («hideout») на поверхности топлива уменьшают нейтронную экономику.
- Неравномерное выгорание и перекладка топлива (без релизов) может привести к снижению интегральной мощности на отсечённых участках и общему падению активности.
Как это предотвращается в современных проектах
- Проектирование с положительными/отрицательными коэффициентами безопасности:
- Современные реакторы рассчитывают отрицательные температурные и, где необходимо, отрицательные пустотные коэффициенты, чтобы повышение температуры/образование пузырей уменьшало реактивность (саморегуляция).
- Управление выгораемостью и нейтронной экономией:
- Использование сжигающих добавок (burnable absorbers, напр., гадолиний) и оптимизация загрузок топлива (энричмент, перезагрузка, шифтовка пазов) для сглаживания потерь реактивности.
- Применение материалов с малым сечением захвата (Zr‑сплавы для оболочек, чистые конструкционные материалы).
- Бор и регуляторы:
- В PWR регулируют концентрацию растворённого бора и используют ступенчатое обогащение топлива; в BWR — регуляция стержнями и насосным потоком.
- Борьба с отравлением (Xe, Sm) и CRUD:
- Операционное планирование для минимизации неприятных ксеноновых переходных режимов (плавные изменения мощности, преднамеренные переразгрузки при смене мощности).
- Жёсткий водно-химический контроль, фильтрация, системы удаления коррозионных продуктов, добавление цинка для уменьшения коррозии и адгезии депозита.
- Материаловедение и инспекции:
- Сплавы и покрытия, устойчивые к радиационному повреждению; программы наблюдения материала (surveillance specimens), плановая замена и ремонт.
- Термогидравлические системы и защита потока:
- Надёжные циркуляционные насосы, аварийные системы охлаждения, датчики расхода и температуры, автоматические алгоритмы поддержания расхода.
- Мониторинг и автоматизация:
- Многоуровневые нейтронные датчики, постоянный расчёт и прогноз ксеноновых/самариевых влияний, автоматизированные системы подстройки стержней и растворённого бора.
- Тактические меры эксплуатации:
- Ротация/перестановка ТВЭЛов при перегрузках, частичная выгрузка и дозагрузка, планирование ремонтных циклов и учёт накопленной радиационной деградации.
Ключевое итоговое замечание: постепенное снижение активности чаще всего объясняется изменением состава (выгорание, ксеноновое/самариевое отравление и накопление поглотителей) и изменениями в охлаждении/модерации; современные проекты решают это сочетанием оптимальной схемы загрузки топлива, материалов с малым поглощением, управления химией теплоносителя, систем контроля и расчётной стратегии эксплуатации.