WO2010151178A2 - Nuclear reactor control method - Google Patents

Nuclear reactor control method Download PDF

Info

Publication number
WO2010151178A2
WO2010151178A2 PCT/RU2010/000357 RU2010000357W WO2010151178A2 WO 2010151178 A2 WO2010151178 A2 WO 2010151178A2 RU 2010000357 W RU2010000357 W RU 2010000357W WO 2010151178 A2 WO2010151178 A2 WO 2010151178A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
reactor
neutrons
delayed
nuclear
neutron
Prior art date
Application number
PCT/RU2010/000357
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Other versions
WO2010151178A3 (en
Inventor
Ларион Александрович ЛЕБЕДЕВ
Валерий Иванович РАЧКОВ
Леонид Ирбекович УРУЦКОЕВ
Дмитрий Витальевич ФИЛИППОВ
Original Assignee
Lebedev Larion Aleksandrovich
Rachkov Valeriy Ivanovich
Urutskoev Leonid Urbekovich
Filippov Dmitriy Vitalevich
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lebedev Larion Aleksandrovich, Rachkov Valeriy Ivanovich, Urutskoev Leonid Urbekovich, Filippov Dmitriy Vitalevich filed Critical Lebedev Larion Aleksandrovich
Publication of WO2010151178A2 publication Critical patent/WO2010151178A2/en
Publication of WO2010151178A3 publication Critical patent/WO2010151178A3/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C7/00Control of nuclear reaction
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21DNUCLEAR POWER PLANT
    • G21D3/00Control of nuclear power plant
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Definitions

  • the invention relates to the field of nuclear physics, in particular to the physics of the processes of energy production in nuclear fission reactors.
  • the problem that is solved by the invention is to improve the environmental friendliness, energy efficiency of the fuel cycle, safety and controllability of the process of nuclear fission using neutrons. It can find application in the field of nuclear reactor engineering to create reactors operating both on thermal and fast neutrons.
  • the proposed developments are variants of known types of reactors: slow, intermediate or fast neutrons.
  • slow, intermediate or fast neutrons For example, in a nuclear reactor (see RF patent N2 2075116), the selection and directional return of thermal neutrons to the region of thermal neutrons of the fission zone are carried out.
  • the fuel composition is circulated in two circuits, one of the circuits passing through the region of thermal neutrons and the cooling zone, and the other through the region of fast neutrons and the cooling zone, and the substance of their fuel compositions is interchanged.
  • Another known method is to collect the nuclear mass of the core to subcritical state and its preparation for supercriticality, which is carried out by increasing the role of leakage neutrons in their overall balance, creating voids in the core and optimizing the increment of the effective neutron multiplication coefficient (k e ⁇ ) as a function of the ratio of the volume occupied by voids to the entire active volume zones.
  • a stream of high-energy particles is directed into the chamber for interaction with the heavy nuclei contained in the chamber for producing high-energy neutrons, the neutrons thus obtained are propagated under subcritical conditions by the process of reproduction and division, wherein said process of reproduction and division is carried out inside the chamber.
  • the technical result of the invention consists in increasing the fraction of delayed neutrons, as well as simplifying the regulation of the reactor and increasing its safety.
  • the occurrence of delayed neutrons during fission of uranium nuclei is the determining physical effect that made it possible to create a nuclear reactor, and underlies the regulation of the operation of reactors of all types. Especially significant is the effect of delayed neutrons on the behavior of a reactor with circulating fuel [1].
  • the fraction of delayed neutrons of each individual emitter core does not depend on external conditions, and only a change in the average fraction of delayed neutrons that occurs during the reactor campaign due to a change in the chemical composition of the core [2-4].
  • An object of the present invention is to provide a method for controlling a nuclear reactor based on a change in the fraction of delayed neutrons.
  • n is the density of all neutrons in the reactor core
  • Y is the density of all nuclei of emitting delayed neutrons in the core, including those emitters whose decay did not lead to the formation of a neutron (this value is significantly different from that of the density of emitting nuclei that is used in classical kinetics equations, where only nuclei tested decay with the birth of a neutron);
  • is the multiplication factor for instant neutrons - the ratio of the rate of creation of instant neutrons to the absorption rate of all neutrons (the ratio of the number of instant neutrons produced per unit time in a unit volume to the number of all absorbed neutrons in the same volume at the same time);
  • R is the ratio of the number of generated nuclei-emitters of delayed neutrons to the number of generated instantaneous neutrons;
  • G is the effective lifetime of the generation of instant neutrons such that nT x is, by definition, the rate of production of instant neutrons (the number of instant neutrons produced per unit time in a unit volume);
  • X n is the decay constant of delayed neutron emitting nuclei along the ⁇ -decay channel with neutron production, that is, X n Y is, by definition, the rate of creation of delayed neutrons
  • is the total decay constant of delayed-neutron emitting nuclei over all channels in which the emitting nucleus decays into a nucleus that is not a delayed-neutron emitter ( ⁇ -decays that led to the birth of a new delayed-neutron emitting nucleus are not taken into account - it is believed that the nucleus remains in the composition of nuclei described by density Y).
  • the first term describes the production of instant neutrons
  • the second describes the absorption of neutrons
  • the third describes the creation of delayed neutrons.
  • the first term describes the birth, and the second, the disappearance of delayed neutron emitting nuclei.
  • regulation is carried out by means of control rods, and the reactor itself is carried out with a reactivity margin [5].
  • the regulation of the reactor is carried out without the use of control rods, therefore, it is necessary that the initial reactivity of the reactor is guaranteed to be negative.
  • the relative change in X n (during ionization or when an external superstrong magnetic field is applied to an atom) is much larger than the relative change in ⁇ [6–8, 10, 11].
  • the neutron density n When the effect in question is turned on ( ⁇ > 0), the neutron density n will increase with an increment of k + (9), and when the exposure is subsequently turned off, the growth of n will stop. Since the power released in the reactor is proportional to the neutron density p [1 ⁇ 4], thus, acting on the reactor core using external superstrong magnetic fields or ionization, its power can be changed. In the proposed method, the reactor is controlled without a complex control system for the control rods. Thus, a technical result is achieved - simplification of reactor control.
  • equations (7) and (12) are applicable for ⁇ > ⁇ 0 and p> ⁇ , respectively, and in a superstrong magnetic field, the fraction of magnetic fields can increase by several times [8]. It is well known that if in the classical case (12) the reactivity becomes larger than the fraction of delayed neutrons p> ⁇ , then the signs of the roots of k + (14) are reversed and the large increment of that is, the reactor begins to "accelerate" on instant neutrons and, thus, becomes uncontrollable. In the case under consideration (7), always ⁇ > 0 and the sign of the root k_ ⁇ T ⁇ ] (8) can never change (9).
  • the reactor will never be accelerated by instant neutrons (with a large increment of os 7 " 1 ), but always its power will increase with an increment proportional to ⁇ , that is, inversely proportional to the lifetime of the emitting nuclei of delayed neutrons.
  • the technical result is achieved - increasing the safety of the reactor due to the fundamental impossibility of accelerating the reactor using instant neutrons.
  • Nuclear fuel circulates in a closed loop of a sufficiently large length of constant cross section.
  • an external effect is imposed (for example, ionization or superstrong magnetic field), which leads to an increase in the probability of ⁇ -decay of delayed neutron emitting nuclei and the fraction of delayed neutrons in accordance with formula (4).
  • the regulation can be carried out, for example, by changing the speed of the fuel, with a constant intensity of exposure.
  • the reactor works if the speed of the fuel lies in the interval between two critical velocities, the values of which are determined by the intensity and type of impact on the core.
  • the reactor power decreases.
  • the presence of a second critical speed gives an additional guarantee of the safety of this method of regulation.
  • the reactor is created initially subcritical, and turns on and works when externally acting on the core.
  • FIG. 1 - depicts a generalized diagram of a nuclear reactor.
  • FIG. 2 - depicts a generalized diagram of a nuclear reactor with a circulation of fuel.
  • a nuclear reactor contains a fuel core 1 having an initial negative reactivity margin; system 2 for the selection of heat from the core 1 by means of a coolant; a system 3 for converting thermal energy of a heat carrier, for example, into electrical energy; control system 4 and exposure system 5, capable of creating ionization or superstrong magnetic fields in the whole or part of the volume of the reactor core (for example, with using femtosecond lasers [12]).
  • the initial stock of negative reactivity can be obtained, for example, due to the structural design of the reactor or the composition of nuclear fuel.
  • the process of regulation of the reactor consists, as noted earlier, in switching on and off the action in the reactor core 1, leading to a change in the fraction of delayed neutrons.
  • a nuclear reactor may also include a fuel circulation system 6 through the core 1 and a circulation speed change system 7 associated with the control system 4.
  • the process of regulating the reactor consists in simultaneously acting at the fuel inlet to the reactor core 1 and changing the speed of fuel circulation through the core 1.
  • Figure 1 shows by shading that the effect is on the entire active zone, and in figure 2 - at the inlet of the circulating fuel into the active zone.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Abstract

The method can be used for creating safe thermal neutron and fast neutron reactors. The reactor is controlled by altering the amount of delayed neutrons through the application of a superstrong magnetic field to the core region of the reactor, which has a negative initial reactivity coefficient, thereby leading to an increase in the probability of β decay in the delayed neutron emitters.

Description

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЯДЕРНЫМ РЕАКТОРОМ METHOD FOR NUCLEAR REACTOR MANAGEMENT
Изобретение относится к области ядерной физики, в частности к физике процессов получения энергии в ядерных реакторах деления. Задача, которая решается изобретением, заключается в повышении экологичности, энергетической эффективности топливного цикла, безопасности и управляемости процесса деления ядер с помощью нейтронов. Может найти применение в области ядерного реакторостроения для создания реакторов, работающих как на тепловых, так и на быстрых нейтронах.The invention relates to the field of nuclear physics, in particular to the physics of the processes of energy production in nuclear fission reactors. The problem that is solved by the invention is to improve the environmental friendliness, energy efficiency of the fuel cycle, safety and controllability of the process of nuclear fission using neutrons. It can find application in the field of nuclear reactor engineering to create reactors operating both on thermal and fast neutrons.
Вопросам создания экономичных, экологически чистых и безопасных ядерных реакторов во всем мире уделяется огромное внимание. Ежегодно разрабатывается большое число новых конструкций и вариантов ядерных реакторов и различных способов управления реакторами.Great attention is paid to the issues of creating economical, environmentally friendly and safe nuclear reactors all over the world. A large number of new designs and variants of nuclear reactors and various reactor control methods are developed annually.
Как правило, предлагаемые разработки являются вариантами известных типов реакторов: на медленных, промежуточных или быстрых нейтронах. Например, в ядерном реакторе (см. патент РФ N2 2075116), проводят селектирование и направленный возврат тепловых нейтронов в область тепловых нейтронов зоны деления. Циркуляцию топливной композиции осуществляют по двум контурам, причем один из контуров проходит через область тепловых нейтронов и зону охлаждения, а другой через область быстрых нейтронов и зону охлаждения, и вещество их топливных композиций взаимо- обменивают.As a rule, the proposed developments are variants of known types of reactors: slow, intermediate or fast neutrons. For example, in a nuclear reactor (see RF patent N2 2075116), the selection and directional return of thermal neutrons to the region of thermal neutrons of the fission zone are carried out. The fuel composition is circulated in two circuits, one of the circuits passing through the region of thermal neutrons and the cooling zone, and the other through the region of fast neutrons and the cooling zone, and the substance of their fuel compositions is interchanged.
Другой известный способ (см. патент РФ N° 2167456) заключается в наборе ядерной массы активной зоны до подкритического состояния и подготовке ее к надкритичности, которую осуществляют за счет повышения роли нейтронов утечки в общем их балансе, создавая пустоты в активной зоне и оптимизируя приращение эффективного коэффициента размножения нейтронов (kэψ) как функции отношения объема, занятого пустотами, ко всему объему активной зоны.Another known method (see RF patent N ° 2167456) is to collect the nuclear mass of the core to subcritical state and its preparation for supercriticality, which is carried out by increasing the role of leakage neutrons in their overall balance, creating voids in the core and optimizing the increment of the effective neutron multiplication coefficient (k e ψ) as a function of the ratio of the volume occupied by voids to the entire active volume zones.
Также известен способ выработки энергии из ядерного топлива (см. патент РФ N° 2178209), содержащегося в камере, с помощью процесса воспроизводства делящегося элемента из воспроизводящего элемента и топлива через β-предшественник указанного делящегося элемента и деления делящегося элемента. В камеру направляют поток частиц высокой энергии для взаимодействия с содержащимися в камере тяжелыми ядрами для производства нейтронов высокой энергии, полученные таким образом нейтроны размножают в докритических условиях с помощью процесса воспроизводства и деления, причем указанный процесс воспроизводства и деления проводят внутри камеры.Also known is a method of generating energy from nuclear fuel (see RF patent N ° 2178209) contained in the chamber, using the process of reproduction of a fissile element from a reproducing element and fuel through a β-predecessor of said fissile element and division of the fissile element. A stream of high-energy particles is directed into the chamber for interaction with the heavy nuclei contained in the chamber for producing high-energy neutrons, the neutrons thus obtained are propagated under subcritical conditions by the process of reproduction and division, wherein said process of reproduction and division is carried out inside the chamber.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в увеличении доли запаздывающих нейтронов, а также упрощении регулирования реактора и повышении его безопасности.The technical result of the invention consists in increasing the fraction of delayed neutrons, as well as simplifying the regulation of the reactor and increasing its safety.
Возникновение запаздывающих нейтронов при делении ядер урана является определяющим физическим эффектом, позволившим создать ядерный реактор, и лежит в основе регулирования работы реакторов всех типов. Особенно существенно влияние запаздывающих нейтронов на поведение реактора с циркулирующим топливом [1]. В настоящее время при описании кинетики реактора считается, что доля запаздывающих нейтронов каждого отдельного ядра-излучателя не зависит от внешних условий, а учитывается только изменение средней доли запаздывающих нейтронов, возникающее в ходе реакторной кампании из-за изменения химического состава активной зоны [2-4].The occurrence of delayed neutrons during fission of uranium nuclei is the determining physical effect that made it possible to create a nuclear reactor, and underlies the regulation of the operation of reactors of all types. Especially significant is the effect of delayed neutrons on the behavior of a reactor with circulating fuel [1]. At present, when describing the kinetics of the reactor, it is considered that the fraction of delayed neutrons of each individual emitter core does not depend on external conditions, and only a change in the average fraction of delayed neutrons that occurs during the reactor campaign due to a change in the chemical composition of the core [2-4].
Задачей настоящего изобретения является создание способа регулирования ядерного реактора, основанного на изменении доли запаздывающих нейтронов.An object of the present invention is to provide a method for controlling a nuclear reactor based on a change in the fraction of delayed neutrons.
Мощность, выделяемая в реакторе пропорциональна плотности нейтронов п. Хорошо известно [1—4], что для качественного описания влияния запаздывающих нейтронов на динамику реактора можно пользоваться уравнениями кинетики в рамках однородной гомогенной изотропной модели. Для качественного анализа поведения реактора при изменении постоянных β-распада λ будем пользоваться распространенным приближением одной эффективной группы запаздывающих нейтронов. Определим следующие переменные: п — плотность всех нейтронов в активной зоне реактора;The power released in the reactor is proportional to the neutron density n. It is well known [1–4] that for a qualitative description of the effect of delayed neutrons on the dynamics of the reactor, kinetic equations can be used within the framework of a homogeneous homogeneous isotropic model. For a qualitative analysis of the behavior of the reactor when the β decay constants λ change, we will use the widespread approximation of one effective group of delayed neutrons. We define the following variables: n is the density of all neutrons in the reactor core;
Y- плотность всех ядер-излучателей запаздывающих нейтронов в активной зоне, включая и те излучатели, распад которых не привел к образованию нейтрона (эта величина значительно отличается от той плотности ядер-излучателей, которая используется в классических уравнениях кинетики, где учитываются только ядра, испытавшие распад с рождением нейтрона); χ — коэффициент размножения по мгновенным нейтронам - отношение скорости рождения мгновенных нейтронов к скорости поглощения всех нейтронов (отношение количества мгновенных нейтронов, произведенных в единицу времени в единице объема к количеству всех поглощенных нейтронов в том же объеме в то же время); R - отношение количества рожденных ядер-излучателей запаздывающих нейтронов к количеству рожденных мгновенных нейтронов;Y is the density of all nuclei of emitting delayed neutrons in the core, including those emitters whose decay did not lead to the formation of a neutron (this value is significantly different from that of the density of emitting nuclei that is used in classical kinetics equations, where only nuclei tested decay with the birth of a neutron); χ is the multiplication factor for instant neutrons - the ratio of the rate of creation of instant neutrons to the absorption rate of all neutrons (the ratio of the number of instant neutrons produced per unit time in a unit volume to the number of all absorbed neutrons in the same volume at the same time); R is the ratio of the number of generated nuclei-emitters of delayed neutrons to the number of generated instantaneous neutrons;
Г- эффективное время жизни поколения мгновенных нейтронов такое, что пTx - по определению скорость рождения мгновенных нейтронов (количество мгновенных нейтронов, произведенных в единицу времени в единице объема);G is the effective lifetime of the generation of instant neutrons such that nT x is, by definition, the rate of production of instant neutrons (the number of instant neutrons produced per unit time in a unit volume);
Xn — постоянная распада ядер-излучателей запаздывающих нейтронов по каналу β-распада с рождением нейтрона, то есть XnY - по определению скорость рождения запаздывающих нейтроновX n is the decay constant of delayed neutron emitting nuclei along the β-decay channel with neutron production, that is, X n Y is, by definition, the rate of creation of delayed neutrons
(количество запаздывающих нейтронов, произведенных в единицу времени в единице объема); λ - полная постоянная распада ядер-излучателей запаздывающих нейтронов по всем каналам, при которых ядро-излучатель распадается в ядро, не являющееся излучателем запаздывающих нейтронов (β-распады, приведшие к рождению нового ядра- излучателя запаздывающих нейтронов не учитываются - считается, что ядро остается в составе ядер, описываемых плотностью Y).(the number of delayed neutrons produced per unit time in a unit volume); λ is the total decay constant of delayed-neutron emitting nuclei over all channels in which the emitting nucleus decays into a nucleus that is not a delayed-neutron emitter (β-decays that led to the birth of a new delayed-neutron emitting nucleus are not taken into account - it is believed that the nucleus remains in the composition of nuclei described by density Y).
В указанных обозначениях уравнениями баланса нейтронов и ядер-излучателей запаздывающих нейтронов будут следующие:In the indicated notation, the equations of balance of neutrons and nuclei emitting delayed neutrons will be as follows:
dt T χ Т 'dt T χ T '
^ = R^-XY dt T^ = R ^ -XY dt T
В правой части первого уравнения первый член описывает рождение мгновенных нейтронов, второй - поглощение нейтронов, третий - рождение запаздывающих нейтронов. В правой части второго уравнения первый член описывает рождение, а второй исчезновение ядер-излучателей запаздывающих нейтронов. В известных реакторах регулирование осуществляют посредством регулирующих стержней, а сам реактор выполняют с запасом реактивности [5]. В заявляемом техническом решении регулирование реактора осуществляется без использования регулирующих стержней, поэтому необходимо, чтобы начальная реактивность реактора была гарантированно отрицательной.On the right side of the first equation, the first term describes the production of instant neutrons, the second describes the absorption of neutrons, and the third describes the creation of delayed neutrons. On the right side of the second equation, the first term describes the birth, and the second, the disappearance of delayed neutron emitting nuclei. In known reactors, regulation is carried out by means of control rods, and the reactor itself is carried out with a reactivity margin [5]. In the claimed technical solution, the regulation of the reactor is carried out without the use of control rods, therefore, it is necessary that the initial reactivity of the reactor is guaranteed to be negative.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что к активной зоне реактора с заданной отрицательной реактивностью прикладывают внешнее воздействие, слабо влияющее на процесс вынужденного деления и поглощения нейтронов, но увеличивающее вероятности β-распадов (например - ионизация [6, 7] или сверхсильное магнитное поле [8]). В этом случае в уравнениях (1) изменятся только коэффициенты λп и λ, а остальные останутся без изменений. Хорошо известно, что β-распады ядер-излучателей запаздывающих нейтронов, приводящие к рождению нейтрона (происходящие на возбужденные уровни промежуточных ядер), имеют существенно меньшие энергии распада, чем β-распады без рождения нейтрона [6, 9]. Следовательно, относительное изменение Xn (при ионизации или при наложении на атом внешнего сверхсильного магнитного поля) значительно больше относительного изменения λ [6-8, 10, 11]. При рассматриваемом воздействии на активную зону происходит изменение вероятностей β-распада: λ = λo + Δλ , λя = λя0 + Δλл .The essence of the proposed method lies in the fact that an external action is applied to the reactor core with a given negative reactivity that weakly affects the process of forced fission and absorption of neutrons, but increases the probability of β decays (for example, ionization [6, 7] or an ultrahigh magnetic field [ 8]). In this case, in equations (1) only the coefficients λ p and λ will change, and the rest will remain unchanged. It is well known that β-decays of delayed-neutron emitting nuclei leading to neutron production (occurring at excited levels of intermediate nuclei) have significantly lower decay energies than β-decays without neutron production [6, 9]. Therefore, the relative change in X n (during ionization or when an external superstrong magnetic field is applied to an atom) is much larger than the relative change in λ [6–8, 10, 11]. Under the considered effect on the active zone, the β-decay probabilities change: λ = λ o + Δλ, λ i = λ i0 + Δλ l .
ТогдаThen
Δλw Δλ T^ > 1Г - (2) Определим η - долю запаздывающих нейтронов следующим образом:
Figure imgf000007_0001
тогда рассматриваемое изменение вероятностей β-распада приводит к увеличению доли запаздывающих нейтронов η = ηo + Δη (η0 - невозмущенная доля запаздывающих нейтронов):
Δλ w Δλ T ^ > 1Г - (2) We define η - the fraction of delayed neutrons as follows:
Figure imgf000007_0001
then the considered change in the probabilities of β decay leads to an increase in the fraction of delayed neutrons η = η o + Δη (η 0 is the unperturbed fraction of delayed neutrons):
Figure imgf000007_0002
Реактивность реактора χ - i
Figure imgf000007_0002
Reactor Reactivity χ - i
P = - + Лo . (5)P = - + Lo. (5)
1 Из системы (1) получим в новых обозначениях1 From system (1) we obtain in the new notation
dt T - dL - R-п χγ (6) dt Tdt T - d L - R- p χγ (6) dt T
Рассмотрим поведение реактора, который в невозмущенном состоянии работает в стационарном режиме, то есть р = 0. Пусть изменения Δλ и Δλn происходят мгновенно (за время « T).Consider the behavior of a reactor which, in an unperturbed state, operates in a stationary mode, that is, p = 0. Let the changes Δλ and Δλ n occur instantly (in time "T).
Рассмотрим поведение реактора с новыми независящими от времени λ = λ0 +Δλ и Xn - XnQ +Δλn. Из (6) получаем уравнение:
Figure imgf000007_0003
которое описывает поведение реактора при отклонении от равновесного состояния. Если равновесие достигалось при некотором воздействии на активную зону (при возмущенных значениях λ и η), то отклонение от этого равновесия будет при отключении воздействия (снятии возмущения). Таким образом, в общем случае в (7) можно рассматривать как положительные Δλ и Δη (при включении воздействия), так и отрицательные (при выключении).
Consider the behavior of a reactor with new time-independent λ = λ 0 + Δλ and X n - X n Q + Δλ n . From (6) we obtain the equation:
Figure imgf000007_0003
which describes the behavior of the reactor when deviating from the equilibrium state. If equilibrium was achieved with some effect on the core (with perturbed values of λ and η), then a deviation from this equilibrium will occur when the effect is turned off (removal of the perturbation). Thus, in the general case in (7) we can consider both positive Δλ and Δη (when the exposure is turned on) and negative (when turned off).
Несложно найти собственные решения полученного уравнения, анализируя собственные значения инкремента к, из соответствующего характеристического уравнения:It is easy to find the eigenvalues of the resulting equation by analyzing the eigenvalues of the increment k from the corresponding characteristic equation:
Figure imgf000008_0001
Figure imgf000008_0001
В приближении λT« β0 получаем:
Figure imgf000008_0002
причем данное решение (9) применимо и при малых Δη « η и при больших Δη > η возмущениях.
In the approximation λT «β 0 we get:
Figure imgf000008_0002
moreover, this solution (9) is applicable for small Δη «η and large Δη> η perturbations.
При включении рассматриваемого воздействия (Δη > 0) плотность нейтронов п будет расти с инкрементом к+ (9), а при последующем выключении воздействия рост п прекратится. Так как мощность, выделяемая в реакторе пропорциональна плотности нейтронов п [1→4], то таким образом, воздействую на активную зону реактора с помощью внешних сверхсильных магнитных п олей или ионизации, можно менять его мощность. В предлагаемом способе управление реактором осуществляется без сложной системы управления регулирующими стержнями. Тем самым достигается технический результат - упрощение регулирования реактора.When the effect in question is turned on (Δη> 0), the neutron density n will increase with an increment of k + (9), and when the exposure is subsequently turned off, the growth of n will stop. Since the power released in the reactor is proportional to the neutron density p [1 → 4], thus, acting on the reactor core using external superstrong magnetic fields or ionization, its power can be changed. In the proposed method, the reactor is controlled without a complex control system for the control rods. Thus, a technical result is achieved - simplification of reactor control.
Сравним такой способ регулирования с классическим. Для перехода к классическим уравнениям кинетики определим используемую в учебниках [1-4] величину С - плотность ядер- f излучателей запаздывающих нейтронов, испытавших распад по каналу с рождением нейтрона: R λ ' (10) β = ηo-Compare this method of regulation with the classic. To go over to the classical kinetics equations, we define the value C used in the textbooks [1–4] - the density of nuclei — f of the delayed-neutron emitters that have experienced decay through the channel with the production of the neutron R λ '(10) β = ηo-
В классической постановке задачи Xn, X и β являются константами, только в этом случае подстановка (10) в (6) приводит к известным уравнениям [1^4]In the classical statement of the problem, X n , X, and β are constants, only in this case, substitution (10) in (6) leads to the well-known equations [1 ^ 4]
^L-PzIn + Xc dt T
Figure imgf000009_0001
^ L- P zI n + Xc dt T
Figure imgf000009_0001
Таким образом, система уравнений (6) является более общей, чем (11), так как последняя справедлива только при постоянных Xn, X и β. Для постоянной реактивности р из (11) получим:
Figure imgf000009_0002
Thus, the system of equations (6) is more general than (11), since the latter is valid only for constants X n , X, and β. For constant reactivity p from (11) we obtain:
Figure imgf000009_0002
Известны [1-4] собственные решения полученного уравнения: пpиp«βиλГ«β λр βKnown [1-4] are the own solutions of the obtained equation: for example, “β and λГ β β λ β
aпpиp~β»λГ λр р-β к, = — — к =L — - (\£\apir ~ β »λГ λр р-β к, = - - к = L - - (\ £ \
+ β-р' " T • { } + β-p '" T • {}
Уравнение (12) похоже на уравнение (7) и совпадает в первом порядке при малых возмущениях Δη « η0 если положить р = Δη .Equation (12) is similar to equation (7) and coincides in the first order for small perturbations Δη «η 0 if we put p = Δη.
Однако при больших возмущениях Δη ~ η0 эти уравнения качественно отличаются. Обратим внимание на то, что уравнения (7) и (12) применимы при Δη > η0 и р > β соответственно, а в сверхсильном магнитном поле доля ЗН может увеличиваться в разы [8]. Хорошо известно, что если в классическом случае (12) реактивность становится больше доли запаздывающих нейтронов р > β, то знаки корней к+ (14) меняются на противоположные и положительным становится большой инкремент ос
Figure imgf000010_0001
то есть реактор начинает «paзгoнятьcя» на мгновенных нейтронах и, таким образом, становится неуправляемым. В рассматриваемом случае (7) всегда λ > 0 и знак корня к_ ∞ T~] (8) никогда измениться не может (9). Следовательно, при предлагаемом новом способе регулирования реактор никогда не будет разгоняться на мгновенных нейтронах (с большим инкрементом ос 7"1), а всегда его мощность будет увеличиваться с инкрементом, пропорциональным λ, то есть обратно пропорциональным времени жизни ядер-излучателей запаздывающих нейтронов. Тем самым достигается технический результат - повышение безопасности реактора за счет принципиальной невозможности разгона реактора на мгновенных нейтронах.
However, with large perturbations Δη ~ η 0, these equations qualitatively differ. We pay attention to the fact that equations (7) and (12) are applicable for Δη> η 0 and p> β, respectively, and in a superstrong magnetic field, the fraction of magnetic fields can increase by several times [8]. It is well known that if in the classical case (12) the reactivity becomes larger than the fraction of delayed neutrons p> β, then the signs of the roots of k + (14) are reversed and the large increment of
Figure imgf000010_0001
that is, the reactor begins to "accelerate" on instant neutrons and, thus, becomes uncontrollable. In the case under consideration (7), always λ> 0 and the sign of the root k_ ∞ T ~] (8) can never change (9). Therefore, with the proposed new control method, the reactor will never be accelerated by instant neutrons (with a large increment of os 7 " 1 ), but always its power will increase with an increment proportional to λ, that is, inversely proportional to the lifetime of the emitting nuclei of delayed neutrons. the technical result is achieved - increasing the safety of the reactor due to the fundamental impossibility of accelerating the reactor using instant neutrons.
В качестве примера предложим способ регулирования реактора с циркулирующим горючим. Ядерное горючее циркулирует по замкнутому контуру достаточно большой длины постоянного поперечного сечения. Pe актор выполняется с малой постоянной по всей длине отрицательной реактивностью (запасом отрицательной реактивности) р = — P0 < 0 (ρ0 « β0). На входе в активную зону реактора накладывается внешнее воздействие (например ионизация или сверхсильной магнитное поле), приводящее к увеличению вероятности β-распада ядер-излучателей запаздывающих нейтронов и доли запаздывающих нейтронов в соответствии с формулой (4).As an example, we propose a method for regulating a circulating fuel reactor. Nuclear fuel circulates in a closed loop of a sufficiently large length of constant cross section. The Pe actor is performed with a small constant constant negative reactivity over the entire length (negative reactivity margin) p = - P 0 <0 (ρ 0 “β 0 ). At the entrance to the reactor core, an external effect is imposed (for example, ionization or superstrong magnetic field), which leads to an increase in the probability of β-decay of delayed neutron emitting nuclei and the fraction of delayed neutrons in accordance with formula (4).
В предлагаемом варианте способа управления реактором регулирование можно осуществлять, например, изменением скорости движения горючего, при неизменной интенсивности воздействия. Реактор работает в том случае, если скорость движения горючего заключена в интервале между двумя критическими скоростями, значения которых определяются интенсивностью и типом воздействия на активную зону. При скорости горючего меньше первой критической и больше второй критической, мощность реактора уменьшается. Наличие второй критической скорости дает дополнительную гарантию безопасности данного способа регулирования .In the proposed variant of the reactor control method, the regulation can be carried out, for example, by changing the speed of the fuel, with a constant intensity of exposure. The reactor works if the speed of the fuel lies in the interval between two critical velocities, the values of which are determined by the intensity and type of impact on the core. When the fuel speed is less than the first critical and more than the second critical, the reactor power decreases. The presence of a second critical speed gives an additional guarantee of the safety of this method of regulation.
Таким образом, меняя с помощью внешнего воздействияThus, changing through external influences
(например, с помощью сверхсильного магнитного поля или ионизации) долю запаздывающих нейтронов, можно регулировать мощность реактора. Реактор создается изначально подкритическим, а включается и работает при внешнем воздействии на активную зону.(for example, using an ultrahigh magnetic field or ionization) the fraction of delayed neutrons, you can adjust the power of the reactor. The reactor is created initially subcritical, and turns on and works when externally acting on the core.
Такой способ будет значительно безопаснее традиционного, так как даже при больших возмущениях реактор не будет разгоняться на мгновенных нейтронах и не потеряет «yпpaвляeмocть».Such a method will be much safer than the traditional one, since even with large disturbances the reactor will not accelerate at instant neutrons and will not lose its “correctability”.
Изобретение поясняется конкретным вариантом его выполнения со ссылками на чертежи, на которых:The invention is illustrated by a specific embodiment with reference to the drawings, in which:
Фиг. 1 - изображает обобщенную схему ядерного реактора.FIG. 1 - depicts a generalized diagram of a nuclear reactor.
Фиг. 2 - изображает обобщенную схему ядерного реактора с циркулированием горючего.FIG. 2 - depicts a generalized diagram of a nuclear reactor with a circulation of fuel.
Далее описаны конкретные варианты реализации заявленного изобретения.The following describes specific embodiments of the claimed invention.
Ядерный реактор содержит активную зону 1 с горючим, имеющую начальный отрицательный запас реактивности; систему 2 отбора тепла из активной зоны 1 посредством теплоносителя; систему 3 преобразования тепловой энергии теплоносителя, например, в электрическую; систему 4 регулирования и систему воздействия 5, способную создавать во всем объеме или части объема активной зоны реактора ионизацию или сверхсильные магнитные поля (например, с помощью фемтосекундных лазеров [12]). Начальный запас отрицательной реактивности может быть получен, например, за счет конструктивного выполнения реактора или состава ядерного горючего. Процесс регулирования реактора заключается, как было отмечено ранее, во включении и выключении воздействия в активной зоне 1 реактора, приводящего к изменению доли запаздывающих нейтронов.A nuclear reactor contains a fuel core 1 having an initial negative reactivity margin; system 2 for the selection of heat from the core 1 by means of a coolant; a system 3 for converting thermal energy of a heat carrier, for example, into electrical energy; control system 4 and exposure system 5, capable of creating ionization or superstrong magnetic fields in the whole or part of the volume of the reactor core (for example, with using femtosecond lasers [12]). The initial stock of negative reactivity can be obtained, for example, due to the structural design of the reactor or the composition of nuclear fuel. The process of regulation of the reactor consists, as noted earlier, in switching on and off the action in the reactor core 1, leading to a change in the fraction of delayed neutrons.
Ядерный реактор, также, может включать систему 6 циркуляции горючего через активную зону 1 и систему 7 изменения скорости циркуляции, связанную с системой 4 регулирования.A nuclear reactor may also include a fuel circulation system 6 through the core 1 and a circulation speed change system 7 associated with the control system 4.
В этом случае процесс регулирования реактора заключается в одновременном воздействии на входе горючего в активную зону 1 реактора и изменении скорости циркуляции горючего через активную зону 1.In this case, the process of regulating the reactor consists in simultaneously acting at the fuel inlet to the reactor core 1 and changing the speed of fuel circulation through the core 1.
На фиг.1 штриховкой показано, что воздействие осуществляется на всю активную зону, а на фиг.2 - на входе циркулирующего горючего в активную зону. Figure 1 shows by shading that the effect is on the entire active zone, and in figure 2 - at the inlet of the circulating fuel into the active zone.
БиблиографияBibliography
1. Мегреблиан Р., Холмс Д. Теория реакторов. - M.: ГосАтомИздат, 1962.1. Megreblian R., Holmes D. Theory of Reactors. - M .: GosAtom Izdat, 1962.
2. Шульц. M. Регулирование энергетических ядерных реакторов. - M.: ИЛ, 1957.2. Schultz. M. Regulation of nuclear power reactors. - M .: IL, 1957.
3. Доллежаль H. А., Емельянов И. Я. Канальный ядерный энергетический реактор. - M.: Атомиздат, 1980.3. Dollezhal H. A., Emelyanov I. Ya. Channel nuclear power reactor. - M .: Atomizdat, 1980.
4. Галанин А. Д. Теория ядерных реакторов на тепловых нейтронах. - M.: Атомиздат, 1957. 5. Широков Ю. M., Юдин H. П. Ядерная физика, - M.: Наука,4. Galanin A. D. Theory of nuclear reactors with thermal neutrons. - M .: Atomizdat, 1957. 5. Shirokov Yu. M., Yudin H. P. Nuclear Physics, - M .: Nauka,
1972, c.531.1972, p. 513.
6. Рухадзе А. А., Уруцкоев Л. И., Филиппов Д. В. Учет влияния β-распада в связанные состояния в ионизованных атомах на долю запаздывающих нейтронов. - Ядерная физика, 2006, т. 69, N°5, с. 820- 823.6. Rukhadze A. A., Urutskoev L. I., Filippov D. V. Taking into account the influence of β-decay into bound states in ionized atoms on the fraction of delayed neutrons. - Nuclear Physics, 2006, vol. 69, N ° 5, p. 820-823.
7. Гангрский Ю. П., Карпешин Ф. Ф., Тржасковская M. Б., Пенионжкевич Ю. Э. Влияние захвата β-электрона в связанное состояние на эмиссию запаздывающих нейтронов. - Ядерная Физика, 2008, т. 71 , jY2б, с. 979-9837 8. Рухадзе А. А., Уруцкоев Л. И., Филиппов Д. В. Увеличение доли запаздывающих нейтронов из ядер-излучателей в сверхсильном магнитном поле. - Прикладная физика, 2006, N°5, с. 8 - 10.7. Gangrsky Yu. P., Karpeshin F. F., Trzhaskovskaya M. B., Penionzhkevich Yu. E. Effect of β-electron capture in a bound state on the emission of delayed neutrons. - Nuclear Physics, 2008, v. 71, jY2b, p. 979-9837 8. Rukhadze A. A., Urutskoev L. I., Filippov D. V. Increase in the fraction of delayed neutrons from emitting nuclei in a superstrong magnetic field. - Applied Physics, 2006, N ° 5, p. 8 - 10.
9. Гангрский Ю. П., Далхсурен Б., Марков Б. H. Осколки деления ядер. - M.: Энергоатомиздат, 1986. 10. Филиппов Д. В. Увеличение вероятности разрешенных электронных β-распадов в сверхсильном магнитном поле. - Ядерная физика, 2007, т. 70, Ш, с. 280-287. 11. Филиппов Д. В. Увеличение вероятности запрещенных электронных β-распадов в сверхсильном магнитном поле. — Ядерная физика, 2007, т. 70, JVe 12, с. 2068-2076.9. Gangra Yu. P., Dalhsuren B., Markov B. H. Fragments of nuclear fission. - M .: Energoatomizdat, 1986. 10. Filippov D.V. Increase in the probability of allowed electronic β-decays in a superstrong magnetic field. - Nuclear Physics, 2007, v. 70, W, p. 280-287. 11. Filippov D. V. Increasing the probability of forbidden electron β-decays in a superstrong magnetic field. - Nuclear Physics, 2007, v. 70, JVe 12, p. 2068-2076.
12. Wаgпеr U., Таtаrаkis M., Gораl А., еt аl. Lаbоrаtоrу i mеаsurеmепts оf 0.7 GG mаgпеtiс fiеlds gепеrаtеd duriпg high-iпtепsitу lаsеr iпtеrасtiопs with dепsе рlаsmаs // Рhуs. Rеv. E 70, 026401 (2004). 12. Wagper U., Tatarakis M., Goral A., et al. LABORATORU MEASUREMEPTS OF 0.7 GG MAGPETIS FIELDS HEPERATED DURIPG HIGH-IPTESITU LASER IPERTASTIOPS WITH DEPSE RESULTS // Рhus. Rev. E 70, 026401 (2004).

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
1. Способ управления ядерным реактором, характеризующийся тем, что задают начальную отрицательную реактивность р реактора, а управление реактором осуществляют за счет изменения доли запаздывающих нейтронов путем приложения к активной зоне реактора внешнего воздействия, приводящего к увеличению вероятности β-распадов в ядрах-излучателях запаздывающих нейтронов.1. A method of controlling a nuclear reactor, characterized in that the initial negative reactivity p of the reactor is set, and the reactor is controlled by changing the fraction of delayed neutrons by applying external influence to the reactor core, which increases the probability of β decays in the delay emitting neutron nuclei .
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве внешнего воздействия на активную зону реактора применяют сверхсильное магнитное поле.2. The method according to p. 1, characterized in that as an external effect on the reactor core, an ultra-strong magnetic field is used.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве внешнего воздействия на активную зону реактора применяют ионизацию.3. The method according to p. 1, characterized in that ionization is used as an external influence on the reactor core.
4. Способ по п. 1-3, отличающийся тем, что обеспечивают циркуляцию ядерного горючего через активную зону реактора, а регулирование реактора производят путем изменения скорости движения ядерного горючего. 4. The method according to p. 1-3, characterized in that the circulation of nuclear fuel through the active zone of the reactor, and the regulation of the reactor is carried out by changing the speed of movement of nuclear fuel.
PCT/RU2010/000357 2009-06-25 2010-06-24 Nuclear reactor control method WO2010151178A2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009124202/07A RU2419896C2 (en) 2009-06-25 2009-06-25 Method of controlling nuclear reactor
RU2009124202 2009-06-25

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2010151178A2 true WO2010151178A2 (en) 2010-12-29
WO2010151178A3 WO2010151178A3 (en) 2011-03-03

Family

ID=43387090

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2010/000357 WO2010151178A2 (en) 2009-06-25 2010-06-24 Nuclear reactor control method

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2419896C2 (en)
WO (1) WO2010151178A2 (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2075116C1 (en) * 1994-12-30 1997-03-10 Юрий Васильевич Дробышевский Method and device for energy production by controlled fission

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2075124C1 (en) * 1994-04-22 1997-03-10 Владимир Александрович Иванов Nuclear energy device

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2075116C1 (en) * 1994-12-30 1997-03-10 Юрий Васильевич Дробышевский Method and device for energy production by controlled fission

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A.A. RUKHADZE ET AL.: 'Uchet vliyaniya beta-raspada v svyazannye sostoyaniya v ionizovannykh atomakh na dolyu zapazdyvayushikh neitronov.' YADERNAYA FIZIKA vol. 69, no. 5, 2006, pages 820 - 823 *
A.A. RUKHADZE ET AL.: 'Uvelichenie doli zapazdyvayushikh neytronov iz yader-izluchateley v sverkhsilnom magnitom pole.' PRIKLADNAYA FIZIKA 2006, pages 8 - 10 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2010151178A3 (en) 2011-03-03
RU2009124202A (en) 2010-12-27
RU2419896C2 (en) 2011-05-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nema Application of accelerators for nuclear systems: accelerator Driven System (ADS)
US9129714B2 (en) Electron linac for medical isotope production with improved energy efficiency and isotope recovery
Ji et al. Generating monoenergetic heavy-ion bunches with laser-induced electrostatic shocks
RU2649662C2 (en) Aqueous assembly and control method
Eliezer et al. Mitigation of the stopping power effect on proton-boron11 nuclear fusion chain reactions
US4008411A (en) Production of 14 MeV neutrons by heavy ions
RU2419896C2 (en) Method of controlling nuclear reactor
Voronchev et al. Standard big bang nucleosynthesis with a nonthermal reaction network
Fomin et al. Study of self-organizing regime of nuclear burning wave in fast reactor
Şahin et al. Energy multiplication and fissile fuel breeding limits of accelerator-driven systems with uranium and thorium targets
Viitanen et al. Temperature majorant cross sections in Monte Carlo neutron tracking
JP2007520690A (en) Method for improving the safety of an accelerator coupled to a hybrid nuclear system and device for implementing such a method
Van Oost et al. Thermonuclear burn criteria
Koch et al. Interaction of ICRF waves with fast particles on TEXTOR
Shamanin et al. Neutron pumping of active medium formed by gadolinium isotopes Gd155 and Gd156 pair
Jassby Reactor aspects of counterstreaming-ion tokamak plasmas
Rebhan et al. Thermonuclear burn criteria
Filippov et al. Regulating the Nuclear Reactor through Changes of the Fraction of Delayed Neutrons: Theoretical Probabilities
Engelhardt Comparing the fuelling performance of gas and pellets in the all-metal-wall tokamak ASDEX Upgrade
Moiseenko et al. Fusion neutron generation computations in a stellarator-mirror hybrid with neutral beam injection
Golovkina et al. The problems of accelerator-driver design for ads
Aida et al. Preliminary design of ADS for low to medium power output with uranium fuel
Filippov et al. Consideration of the theoretical possibility of regulating the nuclear reactor by changing a fraction of delayed neutrons
Anikeev et al. A fusion neutron source for the incineration of radioactive waste based on the gas dynamic trap
Koshkarev et al. Use of the electronuclear method in power generation

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10792403

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 03.08.2012)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 10792403

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2