Борное регулирование

Борное регулирование — управление интенсивностью цепной реакции деления (реактивностью) в двухконтурных водо-водяных ядерных реакторах. Предназначено для компенсации медленных изменений реактивности во время эксплуатации реактора, производится изменением концентрации бора (борной кислоты) в воде первого контура.

В одноконтурных водяных реакторах (BWR) борное регулирование не применяется во время эксплуатации из-за повышенной летучести борной кислоты, уноса её с водяным паром и последующей сорбцией на конденсатоочистке, что ведет к высоким расходам борной кислоты. В таких реакторах борную кислоту добавляют в воду только при останове реактора, на время ремонта и перегрузки топлива, для создания глубокой подкритичности.

Механизм борного регулирования реактивности

Зависимость сечения захвата нейтронов изотопами ¹⁰В (верхняя кривая) и ¹¹В (нижняя кривая).

Для бора характерна высокая способность к поглощению тепловых нейтронов, обусловленная реакцией ¹⁰B (n,α)⁷Li.

Основной вклад в поглощение нейтронов дает изотоп ¹⁰B, содержание которого в природном боре составляет 19,7%. Сечение захвата тепловых нейтронов для изотопа ¹⁰B составляет ~(3...4)·10⁻²⁵ м² (3...4 кбарн), для природной смеси изотопов сечение захвата ~7,5·10⁻²⁶ м^2[1].

В водо-водяных реакторах в качестве дополняющей поглощающие стержни системы поглощения нейтронов используется добавка хорошо растворимой в воде борной кислоты H₃BO₃ в циркулирующую через активную зону воду первого контура.

В ядерных реакторах в течение кампании реактора происходит изменение запаса реактивности ядерного топлива: после загрузки он весьма велик (30...40 β_эф для реакторов ВВЭР-1000) и уменьшается по мере выгорания ядерного топлива и его «шлакования», то есть накопления продуктов деления в виде стабильных и долгоживущих нуклидов, участвующих в непродуктивном захвате нейтронов (среди продуктов деления ²³⁵U более 250 ядер, примерно четверть из них являются шлаками).

Для поддержание требуемой реактивности активной зоны водо-водяного реактора реактора в воду первого контура вводится раствор борной кислоты H₃BO₃, в концентрации, необходимой для компенсации избыточного запаса реактивности топлива. Первоначально в первом контуре создаётся достаточно высокая концентрация борной кислоты, в процессе реакторной кампании снижение запаса реактивности компенсируется понижением концентрации^[2].

Техническая реализация борного регулирования

Непосредственно работа системы борного регулирования в двухконтурных водо-водяных реакторах, как правило, обеспечивается с помощью системы подпитки и водоочистки первого контура.

Борная кислота со склада и подготовленная вода подаются в узел приготовления растворов, готовый раствор поступает в устройство хранения готового раствора борной кислоты. Через систему дегазации (термической или химической) раствор борной кислоты поступает в устройство подачи в первый контур растворов и обессоленной воды.

Поскольку в кислой среде усиливается коррозия конструкционных материалов, pH раствора борной кислоты поддерживается на уровне не менее 5.7 вводом в раствор щелочей — аммиака и, для компенсации радиационного разложения аммиака, гидроксида калия (для реакторов ВВЭР-1000, смешанный аммиачно-калиевый водный режим реактора). В таком режиме максимальная концентрация борной кислоты в растворе составляет до 16 г/кг.

Для снижения концентрации борной кислоты в течение реакторной кампании используется отбор и дистилляция воды первого контура, борная кислота регенерируется в устройстве регенерации.

Литература

• ГОСТ 24693-81 Реакторы ядерные энергетические корпусные с водой под давлением. Общие требования к системе борного регулирования.
• Маргулова Т.Х. Атомные электрические станции. Изд. 5-е. М.: ИздАТ, 1994 (Глава 7. Реакторная установка с водным теплоносителем)

Примечания

1. ↑ Бор // под. ред. А. М. Прохорова Физическая энциклопедия. — М.: "Советская энциклопедия", 1988. — Т. 1.
2. ↑ Афоров А. М., Андрушечко С. А., Украинцев В. Ф., Васильев Б. Ю., Косоуров К. Б., Семченков Ю. М., Кокосадзе Э. Л., Иванов Е. А. ВВЭР-1000: физические основы эксплуатации, ядерное топливо, безопасность. — М.: Университетская книга, Логос, 2006. — 488 с. — 1000 экз. — ISBN 5-98704-137-6