19146

Многогрупповой подход. Многогрупповое уравнение диффузии. Внутренние и внешние итерации. Программы нейтронно-физического расчета

Лекция

Энергетика

Лекция 10. Многогрупповой подход. Многогрупповое уравнение диффузии. Внутренние и внешние итерации. Программы нейтроннофизического расчета. Коэффициенты чувствительности коэффициента размножения к изменению параметров реактора. 10.1. Многогрупповой подход. Много...

Русский

2013-07-11

207 KB

39 чел.

Лекция 10.

Многогрупповой подход. Многогрупповое уравнение диффузии. Внутренние и внешние итерации. Программы нейтронно-физического расчета. Коэффициенты чувствительности коэффициента размножения к изменению параметров реактора.

10.1. Многогрупповой подход.

Многогрупповой подход при решении уравнения диффузии с энергетической зависимостью основан на посылке, что в пределах каждого энергетического диапазона {Eg} функция плотности потока нейтронов обладает свойством подобия по энергии. Тогда исходное уравнение диффузии заменяется системой групповых уравнений.

В групповых уравнениях диффузии величина gx –  групповое сечение процесса типа x определяется:

gx =,

где S(E) – спектр свертки (известная по форме функция внутри группы).

В отличие от группового уравнения переноса нейтронов при получении групповых уравнениях диффузии возникает особая проблема вычисления групповых коэффициентов диффузии Dg. Это связано с тем, что для их получения требуется ток спектра свертки:

Dg =,

10.2. Многогрупповое уравнение диффузии.

Стационарное групповое уравнение диффузии нейтронов имеет вид:

Dg() () + g0() g() =

= () () + g (ff)g’() () + Qg(),

где  g() и Qg() - соответственно поток и внешний источник нейтронов в группе g.

Полученное групповое уравнение диффузии можно заменить системой конечно-разностных уравнений по пространственной переменной . Запишем в определенной последовательности значения потока Ф по дискретным значениям  в виде вектора . Очевидный выбор порядка членов состоит в том, что нумерация начинается с нижнего левого угла и производится по рядам. Все граничные точки исключаются с помощью граничных условий, например: (k, g) = 0, если k=0 или К. Для описания компонент вектора  используется единственный индекс:  j = 1,2, … , - l) NG.

Тогда имеем операторный (матричный) вид уравнения диффузии:

+  =  +  + .                                              (1)

Обозначив  =  +  –  – , рассмотрим уравнение (1) в виде:

= .

Диагональные компоненты матрицы  положительны, в то время как недиагональные члены - отрицательны или равны нулю. Сумма недиагональных элементов в любом данном ряду меньше, чем диагональный элемент. Таким образом, матрица  является неприводимой диагонально преобладающей. Следовательно, для  существует обратная матрица , и решение уравнения можно записать в виде:

=

10.3. Внутренние и внешние итерации.

Прямые методы обращения матрицы  могут быть весьма громоздки, поэтому используют итерационные методы решения уравнения. Чтобы понять основные принципы, запишем матрицу  в виде суммы трех матриц:

=

где  – диагональная .матрица (отличные от нуля элементы находятся только на основной диагонали),  – верхняя треугольная матрица (отличные от нуля элементы находятся только выше основной диагонали) и  – нижняя треугольная матрица (отличные от нуля элементы находятся ниже основной диагонали).

Поскольку матрица  является диагонально преобладающей, то элементы матрицы , вообще говоря, имеют большую величину, чем элементы матриц  и . Это дает возможность перенести меньшие по величине недиагональные члены в правую часть уравнения. Тогда получаем:

= ( + ) + .

умножить обе части уравнения на  – матрицу, обратную , такую, что произведение этих матриц равно единичной матрице 1. Так как  представляет собой диагональную матрицу, то каждый элемент матрицы  равен обратной величине соответствующего элемента матрицы . Итерационный процесс можно определить следующим образом:

=  ( + ) + .

Итерационный процесс продолжается до тех пор, пока разность между потоками  и  на двух последующих итерациях не будет меньше заданного критерия. В зависимости от физических особенностей решаемой задачи и организованной итерационной схемы может возникнуть проблема сходимости или скорости сходимости итерационного процесса. Разработан ряд улучшенных итерационных методов.

Организация итерационного процесса, включающая внутренние и внешние итерации, основана на идее вычисления компонент  на базе только вычисленных компонент  и  на внутренних итерациях. На внешних итерациях производится пересчет источника с учетом всех вычисленных . Часто на внутренних итерациях решается уравнение с фиксированным источником деления, а полученное решение в итерациях по рассеянию используется для пересчета источника деления.

10.4. Программы нейтронно-физического расчета.

Программы нейтронно-физического расчета создаются для расчета некоторых характеристик рассматриваемой системы. Их можно классифицировать по ряду параметров. По решаемым задачам, следовательно, по получаемым характеристикам. Это может быть вычисление критических параметров системы, динамики системы, изменения изотопного состава системы, оптимизации системы и т.д. По заложенным моделям, т.е. решаемым уравнениям. Например, стационарное уравнение переноса и диффузии. По методам решения. По константному обеспечению нейтронно-физического расчета.

Современные программы нейтронно-физического расчета представляют из себя комплексы программ, нацеленные на получение широкого круга характеристик рассматриваемой системы.

10.5. Коэффициенты чувствительности коэффициента размножения к изменению параметров реактора.

Основной характеристикой размножающих свойств среды является коэффициент размножения нейтронов Keff, который характеризует отношение числа нейтронов следующего поколения к предыдущему. Часто удобнее использовать другую величину называемую реактивность. Она может быть выражена через коэффициент размножения:

     (3.8.1)

Если реактор критичен, то реактивность равна нулю, если подкритичен, то реактивность меньше нуля, если надкритичен, то реактивность больше нуля.

Реактор является нестационарной системой и в процессе его работы могут происходить различные события, влияющие на физические параметры активной зоны. Изменение некоторых физических параметров повлечет за собой изменение физических параметров влияющих на нейтронный баланс в активной зоне. Например, измениться могут сечения взаимодействия нейтронов, что поведет за собой изменение реактивности. Изменение реактивности, вызванное изменением физических параметров компонентов активной зоны, называют обратными связями. Обратные связи могут проявлять себя как существенный фактор в нестационарных процессах и, соответственно, в обеспечении безопасности реактора. Поскольку наличие обратных связей, влияющих на баланс нейтронов, сказывается на величине реактивности, будем считать реактивность функцией физических параметров:

       (3.8.2)

где указанные параметры: температура топлива, температура теплоносителя, температура замедлителя, плотность теплоносителя и плотность замедлителя соответственно. Обозначив совокупность физических параметров {} через , можно записать:

  (3.8.3)

величина  обозначается и называется коэффициентом реактивности по какому либо физическому параметру. Изменения реактивности, связанные с изменениями физических параметров называются эффектами реактивности:

    (3.8.4)

Рассмотри реактор на тепловых нейтронах, здесь бесконечный коэффициент размножения по формуле четырех сомножителей равен:

     (1)

где множители это: число вторичных нейтронов на захват в топливе, коэффициент размножения на быстрых нейтронах, вероятность избежать захвата при замедлении и вероятность захвата в топливе соответственно. По определению эффективный коэффициент размножения может быть получен из бесконечного путем умножения на вероятность утечки . Тогда коэффициент реактивности по произвольному параметру:

 (3.8.6)

Коэффициент реактивности по какому либо параметру будет иметь вид:

    (3.8.7)

Рассмотрим несколько коэффициентов реактивности:

1) Мощностной коэффициент реактивности:

Поскольку истинными причинами изменения баланса нейтронов при изменении мощности являются изменения физических параметров активной зоны можно установить связь между мощностным коэффициентом реактивности и коэффициентами реактивности по параметрам:

    (3.8.9)

2) Коэффициент реактивности по температуре топлива.

Увеличение температуры топлива ведет за собой увеличение скорости движения ядер, следствием чего является увеличение диапазона энергий при которых относительная скорость и относительная энергия нейтрона и ядра соответствует резонансному взаимодействию. Поскольку единственным коэффициентом (1) зависящим от температуры является , коэффициент реактивности по температуре топлива::

     (3.8.10)

Используя выражение вероятности избежать захвата при замедлении через эффективный резонансный интеграл, имеем:

  (3.8.12)

где  - концентрация резонансного поглотителя в топливе, - объем блока топлива, - замедляющая способность, - объем замедлителя, коэффициент  зависит от вида топлива и резонансного поглотителя, - рабочая те мпература, -исходная температура топлива равная 300.

3) Коэффициент реактивности по плотности теплоносителя.

Изменение плотности теплоносителя ведет за собой изменение вероятности избежать захвата при замедлении  и вероятности поглотиться в топливе :

   (3.8.13)

Первое слагаемое дает благоприятную положительную составляющую, поскольку вероятность избежать резонансного захвата растет с ростом плотности теплоносителя. Второе слагаемое дает неблагоприятную составляющую, так как коэффициент использования тепловых нейтронов падает с ростом плотности теплоносителя.

Используя выражения для  и  с учетом начальной и конечной  плотности теплоносителя, в итоге имеем коэффициент реактивности по плотности теплоносителя:

где  и  соответствуют начальному значению плотности теплоносителя.

4) Коэффициент реактивности по температуре теплоносителя.

Изменение температуры теплоносителя при сохраненных прочих условиях может проявить себя в воздействии на реактивность через следующие физические механизмы:

сопутствующее изменение температуры топлива и включение соответствующих обратных связей;

изменение спектра нейтронов (эффект термолизации), сопровождающееся изменением средних нейтронных сечений и распределения плотности потока нейтронов в тепловой области энергий;

изменение плотности теплоносителя и включение соответствующей обратной связи по плотности теплоносителя.

В зависимости от типа реактора, типа теплоносителя и состояния активной зоны может доминировать какой либо из эффектов. Например, в реакторах, охлаждаемых водой под давлением, доминирует плотностной эффект. Составляющая, связанная с изменением температуры топлива в любом случае не может быть существенной из-за малой величины коэффициента реактивности, связанного с эффектом Доплера. Проанализируем коэффициент реактивности по температуре теплоносителя на примере реактора с водой под давлением. Ограничимся спектральной и плотностной составляющей. Тогда:

  (3.8.19)

Первое слагаемое – спектральная составляющая, судя по данным расчетных исследований, всегда положительно, но, невелико и может быть скомпенсировано вторым. Более весомое второе слагаемое, связанное с плотностным эффектом, всегда отрицательно, поэтому необходимо поддерживать коэффициент реактивности по плотности теплоносителя положительным в течение всей компании.

Правила ядерной безопасности требуют, чтобы коэффициент реактивности по температуре теплоносителя, а так же другие коэффициенты реактивности были отрицательными на протяжении всей компании во всех возможных состояниях, включая нештатные ситуации, в которых может оказаться реактор.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

42181. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ С ВЗАИМНОЙ ИНДУКТИВНОСТЬЮ 410 KB
  Исследовать свойства электрических цепей переменного тока с последовательным и параллельным соединением индуктивно связанных катушек. Коэффициент пропорциональности M21= называют взаимной индуктивностью катушек 2 и 1. Итак индуктивная связь катушек это связь их через магнитное поле когда магнитный поток одной катушки пронизывает не только витки собственной катушки но и витки другой находящейся поблизости катушки. Взаимная индуктивная связь катушек обусловливает...
42182. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСИММЕТРИЧНОГО ПАССИВНОГО ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА 222.5 KB
  Исследование линейного пассивного четырехполюсника при переменной нагрузке определение на основании опытных данных постоянных четырехполюсника А В С D и построение круговой диаграммы. Активные четырехполюсники в своих ветвях содержат источники энергии в пассивных четырехполюсниках источников энергии нет. Для любого пассивного четырехполюсника напряжение и ток на входе и выходе связаны между собой уравнениями:...
42183. ИССЛЕДОВАНИЕ СИММЕТРИЧНОГО ЛИНЕЙНОГО ПАССИВНОГО ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА 195 KB
  Исследование линейного симметричного пассивного четырехполюсника при переменной нагрузке.Определение на основании опытных данных постоянных четырехполюсника А В С. Определение характеристического сопротивления и коэффициента передачи симметричного четырехполюсника.
42184. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ С ПРИЕМНИКАМИ, СОЕДИНЕННЫМИ ЗВЕЗДОЙ ПРИ ОДНОРОДНОЙ (АКТИВНОЙ) НАГРУЗКЕ ФАЗ 582.5 KB
  Ознакомление с распределением напряжений и токов в трехфазной цепи соединенной звездой при равномерной и неравномерной однородной нагрузке фаз при наличии и отсутствии нейтрального провода. Векторы фазных и линейных напряжений в симметричной трехфазной системе соединенной звездой. Систему фазных напряжений источника питания для действующих значений можно записать в комплексной форме следующим образом: ; ;...
42185. Вентиляція. Технічні випробування витяжної вентиляційної установки 520 KB
  Для забезпечення в робочих приміщеннях комфортних метеорологічних умов і належної чистоти повітря з метою нормального фізіологічного стану і високої ефективності праці робітників встановлюються вентиляційні установки. Безпосереднє призначення виробничої вентиляції боротьба з надлишком тепла і вологи створення достатнього повітрообміну в приміщенні а також видалення шкідливих газів парів і пилу що надходять в повітря робочих приміщень за допомогою місцевих локалізуючи пристроїв . В останньому випадку вентиляційні пристрої повинні також...
42186. ССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ С ПРИЕМНИКАМИ, СОЕДИНЕННЫМИ ЗВЕЗДОЙ ПРИ НЕОДНОРОДНОЙ НАГРУЗКЕ ФАЗ 172.5 KB
  Опытная проверка соотношений между напряжениями и токами в трехфазной цепи с приемниками соединенными звездой при неоднородной нагрузке фаз. Общие теоретические сведения Общие элементы теории трехфазной системы с приемниками соединенными звездой приведены в описании лабораторной работы №9. Неоднородность нагрузки фаз в трехфазной системе вносит существенные изменения в режим работы трехфазной цепи по сравнению с однородной нагрузкой....
42187. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ С ПРИЕМНИКАМИ, СОЕДИНЕННЫМИ ТРЕУГОЛЬНИКОМ 296.5 KB
  Положительные направления токов в фазах треугольника принято обозначать по часовой стрелке т. Они будут равны геометрической разности соответствующих фазных токов: 11.2 показаны векторная топографическая диаграмма напряжений и векторная диаграмма токов для симметричной активной нагрузки. Векторная топографическая диаграмма напряжений и векторная диаграмма токов для симметричной активной нагрузки соединенной треугольником.
42188. ИССЛЕДОВАНИЕ АПЕРИОДИЧЕСКОГО И КОЛЕБАТЕЛЬНОГО РАЗРЯДОВ КОНДЕНСАТОРА 325.5 KB
  Исследование процесса разряда конденсатора на активное сопротивление. Определение влияния на разряд конденсатора значения активного сопротивления. Опытное определение величины емкости конденсатора по осциллограмме. Исследование колебательного разряда конденсатора.
42189. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ С НЕСИНУСОИДАЛЬНЫМИ НАПРЯЖЕНИЯМИ И ТОКАМИ 185 KB
  Разложение несинусоидальной кривой графо-аналитическим способом в ряд Фурье и определение коэффициентов характеризующих несинусоидальную кривую. Определение влияния характера цепи R; RL; RC на форму кривой несинусоидального тока при подключении ее к источнику несинусоидального напряжения. Определение ординат несинусоидальной кривой в m дискретных точках.10 Затем находят соответствующие ординаты кривой f1ωt; f2ωt; f3ωt и заменяют интегралы...