- •1. Конструктивная схема ядерного реактора.
- •Общий принцип работы ядерного реактора
- •3. Влияние размеров реактора на Кэф.
- •4. Влияние поглощения нейтронов
- •5. Поколение нейтронов в яр
- •6. Эффективный коэффициент размножения, реактивность
- •2. Гомогенный реактор без отражателя в одногрупповом приближении
- •2.1 Уравнение реактора в одногрупповом приближении
- •2.2 Условие критичности гомогенного реактора без отражателя в одногрупповом приближении.
- •Критические размеры реактора цилиндрической формы
- •2.4. Результат решения волнового уравнения для цилиндрической гомогенной активной зоны.
- •2.5. Выражение для геометрического параметра цилиндрической активной зоны.
- •2.6. Оптимальное соотношение размеров цилиндрической активной зоны.
- •Краткие выводы
- •2.7. Критические размеры цилиндрического яр
- •2.8. Коэффициенты неравномерности распределения плотности потока нейтронов в цилиндрическом яр
- •2.9. Результаты анализа яр других геометрий
- •2. Яр в форме прямоугольный параллелепипед
- •3. Яр в форме цилиндра
- •4. Яр в форме сферы
- •2.10. Принципиальные подходы к проектированию реакторов
- •9.2. Эффективная добавка (э)
- •Эффективные размеры активной зоны яр с отражателем. Эквивалентный яр
- •1. Ядерное топливо.
- •2. Замедлитель.
- •3. Теплоноситель
- •4. Параметры структуры активных зон гетерогенных яр.
- •2. Гомогенный реактор с отражателем в одногрупповом приближении
- •2.1. Влияние отражателя на нейтронно-физические свойства акт. Зоны
- •2.2 Требования к материалу отражателя
- •2.3. Математическая постановка задачи о гомогенном реакторе с отражателем в одногрупповом приближении
- •2.4 Ядерный реактор в форме бесконечной пластины с отражателем
- •2.5. Цилиндрический яр с боковым отражателем в одногрупповом приближении
- •2.6. Эффективные размеры активной зоны яр с отражателем. Эквивалентный яр
- •10.2. О распределении нейтронов в слабо размножающих средах
- •Гомогенный реактор с отражателем в двухгрупповом приближении
- •Многогрупповой подход
- •Сущность метода многих групп
- •Многогрупповое уравнение
- •Многогрупповое уравнение диффузии. Баланс нейтронов.
- •Системы групповых констант.
- •Библиотеки констант. Выбор ширин групп
- •Библиотека констант бнаб
- •Эффективность центрального стержня в зависимости от глубины погружения в реактор
- •Эффективность эксцентрично расположенного стержня в зависимости от глубины погружения в реактор
- •Физические характеристики уран-водных ячеек
9.2. Эффективная добавка (э)
Находящийся в критическом состоянии реактор в результате добавления к активной зоне отражателя становится надкритическим. Чтобы, сохраняя k∞, перевести реактор в критическое состояние, необходимо уменьшить размеры его активной зоны. Таким образом, критические размеры активной зоны реактора с отражателем всегда меньше, чем соответствующие размеры реактора без отражателя.
Распределение нейтронов вблизи границы раздела формируется перетечками из одной среды в другую. Поскольку отражателями нейтронов, как правило, служат материалы с малым сечением поглощения нейтронов и их диффузионные свойства резко отличаются от свойств активной зоны, то вблизи неоднородности нарушается пропорциональность между потоками быстрых и тепловых нейтронов и переменные r и E в Ф(r,Е) не разделяются.
По мере удаления от границы в глубину активной зоны влияние потока из отражателя уменьшается и распределение нейтронов по пространству и энергии приближается к форме, зависящей только от параметров самой активной зоны Такое распределение называют асимптотическим. В энергетических реакторах области, где справедливы такие распределения, относительно велики. В связи с этим рассмотренная выше теория реактора без отражателя служит некоторой основой и для теории реактора с отражателем.
Итак, окружение активной зоны реактора бесконечно-толстым слоем хорошего замедлителя, называемого отражателем, даёт возможность уменьшить критические размеры активной зоны и, тем самым, добиться экономии ядерного топлива и конструкционных материалов.
Вопрос: намного ли отражатель уменьшает критические размеры активной зоны?
Определение:
Разница критических полуразмеров активной зоны, получаемая за счёт применения отражателя называется эффективной добавкой и обозначается э.
Поэтому на основании данного определения величина эффективной добавки:
э = R' - Rаз (9.2.1)
Здесь R' и Rаз, см - критические радиусы активной зоны без отражателя (в вакууме) и при применении отражателя соответственно.
Или через вертикальные критические размеры - высоты критической активной зоны без отражателя (Н') и с отражателем (Наз):
э = Н'/2 - Наз/2 (9.2.2)
Таким образом, найдя величину э, можно ответить на вопрос о выигрыше в компактности активной зоны, получаемом за счёт применения отражателя.
Зависимость величины э от толщины отражателя.
Отражатели в ядерных реакторах конструируются, как правило, из того же материала, который служит в качестве основного замедлителя в их активных зонах.
До сих пор речь шла о гипотетическом отражателе бесконечной толщины. Но, разумеется, никому не придёт в голову оснащать активную зону реактора отражателем, скажем, двухметровой толщины ради сокращения её размеров на 5-10 см. Здравомыслящий человек постарается вначале выяснить, как зависит э от толщины отражателя, а затем уже станет думать, стоит ли овчинка выделки.
Особенно важен ответ на вопрос об эффективной толщине отражателя для транспортных и исследовательских реакторов, где выигрыш в размере активной зоны на 20 см оборачивается уменьшением веса всей установки на десятки тонн.
То, что эффективность действия отражателя (которая оценивается величиной э) зависит от толщины отражателя (По), очевидно. В самом деле, если активная зона лишена отражателя (По = 0), то э = 0; если же активная зона окружена отражателем бесконечной толщины, то нужно ожидать, что при отражателе такой толщины значение эффективной добавки будет иметь наибольшую величину (эmax); при промежуточных значениях По должна существовать какая-то зависимость эффективной добавки от толщины отражателя из данного материала - э = f (По).
Предположим, имеются две критические активные зоны одинакового состава - без отражателя и с отражателем конечной толщины По.
В обоих случаях для среды активной зоны, а во втором случае - и для среды отражателя, можно записать волновое уравнение (Гельмгольца), для которого по конкретным (критическим) размерам и диффузионным характеристикам сред можно составить граничные условия, затем решить эти уравнения, найти в обоих случаях величины геометрического параметра активных зон и критические размеры их без отражателя и с отражателем. Разница критических полуразмеров первой и второй активных зон и даст величину эффективной добавки э(По1) при конкретной толщине отражателя По1.
С некоторыми допущениями эта задача решается не только в численном, но и в общем аналитическом виде, давая возможность получить следующее выражение:
(9.2.3)
где: trаз и tro, см-1 - величины транспортных макросечений сред активной зоны и отражателя соответственно;
Lo, см - длина диффузии в отражателе.
Прежде всего отметим, что величина эффективной добавки пропорциональна величине гиперболического тангенса от относительной (т.е. выраженной в длинах диффузии Lo) толщины отражателя.
Напомним, что собой представляет функция гиперболического тангенса. Самое простое её выражение - через экспоненциальные функции того же аргумента:
(9.2.4)
Наглядное представление об функции гиперболического тангенса thx даёт её график:
1.0
thx
0.5
0 1 2 х
Как видим, гиперболический тангенс - функция монотонная и возрастающая; с ростом х она асимптотически устремляется к своему предельному значению - единице. Но заметим, что практически (с менее чем 4%-ной погрешностью) она приближается к своему пределу уже при х = 2 (th2 0.964).
Теперь о зависимости э(По). Понятно, что если построить график э по оси абсцисс в единицах длины диффузии в отражателе (то есть в относительных единицах По/Lо), то этот график, по существу, повторит кривую гиперболического тангенса в ином масштабе по оси э. Асимптотическим пределом величины э при По/Lо будет значение: (9.2.5)
э (По)
0 Lo 2Lо По
Зависимость эффективной добавки от толщины отражателя.
Вид этого графика свидетельствует о том, что величина эффективной добавки на 96.4% достигает своего предела уже при толщине отражателя:
По 2Lо.
Возникает практический вопрос: стоит ли увеличивать толщину отражателя более этого значения, зная при этом, что уменьшение критических размеров активной зоны на 1 см достанется ценой увеличения массы самого отражателя приблизительно на 650 кг и массы корпуса ВВЭР - на 1300 кг? – Наверное, не стоит.
Эффективной толщиной отражателя из заданного материала называется его толщина, при которой отражатель по своим свойствам практически идентичен бесконечно толстому отражателю из этого материала.
Найденная величина:
Пэф 2Lo (9.2.6)
и есть эффективная толщина отражателя в диффузионном приближении.
В диффузионно-возрастном приближении эффективная толщина отражателя считается равной полутора длинам миграции нейтронов в активной зоне:
(9.2.7)
Расчёты по обеим формулам дают приблизительно одинаковые результаты. Считая, что у разогретого ВВЭР длина диффузии в водном отражателе Lо 5.5 см, можно получить представление об эффективной толщине отражателя в реальных ВВЭР, равной приблизительно 10 11 см. Такие же расчёты для реактора с графитовым отражателем дают значение эффективной толщины отражателя приблизительно 0.94 м (в реакторе РБМК-1000 фактическая толщина отражателя – 1 м).
Физические основы конструкции отражателей в реальных ЭЯР.
В соответствии с упомянутым правилом, основным материалом отражателя выбирается тот же материал, что служит в реакторе основным замедлителем.
Поэтому в уран-графитовом реакторе РБМК-1000 отражатель выполнен из графита, а в реакторе ВВЭР-1000 основной материал отражателя - вода.
Однако в обоих случаях дело обстоит немного сложнее. В ВВЭР, например, отражатель не чисто водяной, а слоистый, водно-стальной: кольцевые слои воды вокруг активной зоны чередуются с кольцевыми слоями нержавеющей стали. Нержавеющая сталь 08Х18Н10Т, применяемая как основной материал для внутриреакторных конструкций, имеет довольно неплохие замедляющие свойства:
- транспортное макросечение tr = 0.861 см-1 (у воды tr 2 см-1);
- стандартная длина диффузии L = 1.62 см (у воды L = 2.72 cм);
- замедляющая способность s = 0.018 cм-1 (у воды s = 1.35 cм-1).
Недостаток этой стали как материала для отражателя - её большое макросечение поглощения (a 0.24 cм-1), из-за чего эффективность водно-стального отражателя несколько снижается по сравнению с чисто водным.
Применение стальных слоев в экранной сборке ВВЭР - дань другой необходимости. Из активной зоны работающего ВВЭР идёт не только поток утечки нейтронов, но и мощное -излучение, для которого дециметровый слой воды не является достаточной преградой; попадая на корпус реактора, поток -квантов высоких энергий вызывает радиационный наклёп в его стали, отчего она теряет свои пластические свойства, охрупчивается. Поэтому постановка стальных экранов между активной зоной и корпусом реактора является вынужденной мерой, цель которой - снижение на два порядка величины потока гамма-излучения на корпус реактора, и повышение надежности и долговечности его работы.
Для водно-стальных отражателей эффективной толщины величина эффективной добавки с приличной точностью может вычисляться по эмпирической формуле:
э 3.2 + 0.1(Lаз2 + аз) (9.2.8)
Водно-стальную компоновку имеют и верхний и нижний торцевые отражатели в ВВЭР, с той лишь разницей, что в них нет явно выраженного чередования горизонтальных слоев воды и стали.
В реакторе РБМК-1000 и боковой, и торцевые отражатели в силу необходимости также имеют не чисто графитовую структуру: через нижний отражатель проходят подводящие теплоноситель к технологическим каналам трубы, в верхнем отражателе проходят отводящие трубы, а графит бокового отражателя пронизывают от низа до верха вертикальные трубы охлаждения самого отражателя.
Требования к материалу отражателя
Отражательная способность материала зависит от его диффузионных характеристик: длины транспортного пробега нейтронов, длины диффузии, возраста, которые, в свою очередь, определяются сечениями рассеяния и поглощения. Поэтому в качестве материала отражателя используют материалы с высоким значением коэффициента внутреннего отражения или альбедо, являющиеся отношением плотности одностороннего тока нейтронов из отражателя в а.з. к плотности одностороннего тока нейтронов из а.з. в отражатель.
Еще более сужает круг материалов, пригодных для использования в качестве отражателя, тот факт, что в ЯР на тепловых нейтронов необходимо, чтобы быстрые нейтроны, попавшие в отражатель, возвращались в а.з. уже тепловыми, т.е. материал отражателя должен обладать высокой замедляющей способностью. Таким требованиям в полной мере отвечают элементы с малой атомной массой. Материал отражателя должен и как можно меньше поглощать тепловые нейтроны и иметь высокий коэффициент замедления. Большое значение имеет стоимость и другие свойства отражателя – как известно, наилучшей отражающей способностью обладает бериллий, который под действием быстрых нейтронов распадается (в пределе) на литий-6, гелий-3 и тритий, которые обладают большими сечениями поглощения тепловых нейтронов. Происходит «отравление» бериллия, которое уменьшает его отражающие свойства.
В реакторах на быстрых нейтронах необходимо возвращать из отражателя в а.з. незамедлившиеся нейтроны. Поэтому в таких реакторах отражатель должен иметь малые значения потерь энергии в акте рассеяния и высокие значения сечений рассеяния. Этим требованиям отвечают отражатели из тяжелых атомов: сталь, уран, никель и т.п.
Гомогенный реактор с отражателем в одногрупповом приближении. Уравнения и граничные условия.
В одногрупповом приближении предполагается, что спектр нейтронов во всем реакторе одинаков. Как уже указывалось, это предположение перестает быть справедливым вблизи границы активной зоны и тем более неверно в отражателе. Поэтому влияние отражателя на критический размер можно установить лишь приближенно. Тем не менее одногрупповое приближение может быть использовано для иллюстрации многих свойств реакторов с отражателем и оценки масштаба эффектов, а в случае больших реакторов, когда влияние отражателя мало, даже для получения количественных результатов.
В целях определения критического размера запишем уравнения диффузии для активной зоны и отражателя и дополним их соответствующими граничными условиями. Внутри активной зоны уравнение миграции и размножения нейтронов имеет уже знакомый нам вид
Решим задачу о реакторе с отражателем вначале в одногрупповом диффузионном приближении. Для простоты рассмотрим гомогенный реактор, состоящий из однородной активной зоны (индекс «1») и отражателя (индекс «2»). Такой реактор будем называть однозонным.
Запишем отдельно уравнение ЯР для а.з. и отражателя:
Активная зона: (1)
где – материальный параметр
В отражателе нет делящегося материала, поэтому формально уравнение ЯР для отражателя имеет тот же вид:
(2)
материальный параметр .
Причем для большинства отражателей (D2O, C, Be) τ<<L2, поэтому M2≈ L2 и . Однако в случае Н2О замена М2 на L2 будет существенно влиять на получаемый результат. Граничные условия для системы (1)-(2) аналогичны условиям для уравнения диффузии:
1. На границе раздела а.з./отражатель (поверхность F) плотность потока нейтронов в а.з. равна плотности потока нейтронов в отражателе:
2. На границе раздела а.з./отражатель (поверхность F) плотность диффузионного тока нейтронов в а.з. равна плотности диффузионного тока нейтронов в отражателе:
3. На экстраполированной границе отражателя плотность потока нейтронов в отражателе равна нулю.
Теперь на основе системы (1)-(2) и граничных условий проанализируем условия критичности ЯР различной формы с отражателем.
ПЛОСКИЙ РЕАКТОР
Р ассмотрим бесконечно плоский ЯР, состоящий из а.з. толщиной Н и боковых отражателей толщиной Т каждый. Начало координат поместим в плоскость симметрии. Т.к. пластина тонкая, то по физическому смыслу задача является одномерной, т.е. имеет место зависимость потоков только от х. В этом случае уравнения (1) и (2) принимают вид:
для а.з. (3)
для отражателя (4)
Граничные условия имеют вид
(5)
(6)
(7)
При этом потоки нейтронов должны быть конечны и неотрицательны.
Уравнения (3) и (4) представляют собой линейные однородные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами. При этом корни характеристического уравнения для (3) являются мнимыми, а корни характеристического уравнения для (4) – действительными и не равными друг другу. Тогда можно записать общие решения:
Ф1(x) = A1cos (χ1x) + C1 sin (χ1x) (8)
Ф2(x) = A2exp (χ2x) + C2exp (–χ2x) (9)
Так как потоки в а.з. должны быть симметричны относительно оси реактора, то решение (8) будет соответствовать условию симметрии, если константа С1=0, тогда окончательно для а.з. распределение потока нейтронов имеет вид:
Ф1(x) = A1cos (χ1x) (10)
Рассмотрим решение уравнения (9). В нем выразим экспоненты через гиперболические функции ex = ch (x) + sh (x), e–x = ch (x) – sh (x):
Ф2(x) = A2 [ch (χ2x)+sh (χ2x)] + C2[ch (χ2x)–sh (χ2x)] = M ch (χ2x)+N sh (χ2x) (11)
где M= A2+C2, N= A2 –C2.
Воспользуемся граничным условием (7). Тогда получаем:
Подставим полученное соотношение в (11):
(12)
Известно, что sh(a–b)=sh(a)ch(b)–ch(a)sh(b). Тогда в (12) числителе выражение в фигурных скобках можно привести к более компактному виду:
, (13)
где .
Таким образом, для ЯР в форме бесконечной пластины распределение потоков нейтронов будут описываться соотношениями (10) и (13):
Ф1(x) = A1cos (χ1x) (10)
, (13)
Для указанных выражений воспользуется граничными условиями (5) и (6) в точке с координатой H/2 (граница раздела АЗ/отражатель). В этом случае условие (5) (равенство потоков) примет вид:
(14)
Реализуем условие (6) (равенство плотностей диффузионных токов):
(15)
Разделим почленно (15) на (14) и получим
(16)
Выражение (16) является условием критичности бесконечно плоского ЯР с отражателем, которое, как и в случае ЯР без отражателя, имеет тот же физический смысл: устанавливает в критическом ЯР связь между геометрическими параметрами (Н и Т) и параметрами среды χ1, χ2, D1, D2. Другими словами с помощью этого условия можно решить любую задачу о критичности: если задан состав а.з. и отражателя (χ1, χ2, D1, D2), можно определить критические размеры системы; и наоборот.
В реакторе без отражателя (Т=0) правая часть условия (16) начнет стремиться к бесконечности. Тогда условие критичности примет вид:
Вспомним полученное ранее выражение для такого случая . Они совпадают.
Рассмотрим, какова роль отражателей и каким образом в простейшем алгоритме расчета учитывается их присутствие. В реакторе с отражателями плотность потока нейтронов Ф(х) тоже снижается у границ активной зоны, но не до нуля, как на экстраполированной границе реактора без отражателя. Функция Ф(х), умозрительно экстраполированная за пределы реальной активной зоны, обращается в нуль на границах воображаемого реактора в форме пластины с размерами
Величина δ, заменяющая действие отражателя, рассчитываются -теоретически и называются экстраполяционной добавкой к размерам активной зоны (соответственно сбоку, снизу и сверху). Размер Нэ называется экстраполированным размером эквивалентного реактора без отражателей.
К понятию эквивалентного реактора и экстраполяционной добавки можно подойти и другим образом. Если у критического реактора удалить отражатель, то для того, чтобы он остался в критическом состоянии, необходимо увеличить размер (толщину) активной зоны на некоторую величину δ, компенсирующую отсутствие отражателя.
Рассмотрим два бесконечно плоских ЯР.
Пусть первый ЯР в форме бесконечной пластины с отражателем имеет критический размер Н, а эквивалентный ему (по значению Кэф или по размножающим свойствам) в форме бесконечной пластины без отражателя имеет критический размер Н0 (с учетом длины экстраполяции). Известно, что Н0>Н. По определению эффективная добавка за счет отражателя будет равна:
(17)
В критическом ЯР без отражателя материальный параметр равен геометрическому, тогда . В (17) выразим ширину ЯР с отражателем и подставим туда найденное выражение для Н0: . Теперь это полученное выражение подставим в условие критичности (16)
В аргументе тангенса открываем скобки и получаем
В итоге получаем, что условие критичности принимает вид:
, (18)
отсюда эффективная добавка за счет отражателя равна:
(19)
Если ЯР большой H>>d, в выражении (18) аргумент тангенса мал, а сам тангенс можно разложить в ряд, ограничившись первым членом разложения:
, учитывая, что χ2=1/М2, получаем:
(20)
Проанализируем полученную зависимость d от параметров активной зоны и отражателя, рассмотрев предельные случаи. Эффективная добавка пропорциональна гиперболическому тангенсу от толщины отражателя, измеренной в длинах миграции: при малых Т/М2 величина d растет линейно, а при Т/М2>2~3 рост d практически прекращается (см. рисунок).
1. Тонкий отражатель М2>>T. Тогда аргумент гиперболического тангенса в (20) будет мал, сам гиперболический котангенс можно разложить в ряд, ограничившись первым членом разложения . Отсюда , т.е. δ~T (в частном случае при D1=D2). В этом случае величина δ определяется толщиной отражателя.
2. Толстый отражатель М2<<T, т.е. , следовательно, . Тогда , т.е. δ~M2. В этом случае величина δ определяется ядерно-физическими свойствами отражателя.
Анализ полученных результатов показал, что при введении отражателя первоначально величина δ растет с ростом толщины отражателя, а критические размеры а.з. уменьшаются. Достигнув определенной толщины, рост δ практически прекращается независимо от роста толщины отражателя (прекращается и уменьшение критических размеров а.з.). В этом случае роста δ, а значит и уменьшения размеров АЗ, можно добиться, использую другой материал отражателя, у которого выше замедляющие свойства: длина диффузии и возраст.
Коэффициенты диффузии D1 и D2 достаточно близки друг к другу для большинства материалов, поэтому значение δ определяется в первую очередь значениями квадрата длины диффузии (L2) и возрастом (τ) материала отражателя.
Можно оценить и разумную толщину отражателя: (2-3) М2. Однако на практике решающими часто оказываются экономические соображения и размер отражателя выбирается меньшим. Так, в реакторах с графитовым и тяжеловодным отражателем толщина отражателя составляет, как правило, 60—80 см.
Используя понятие δ, реальный критический реактор с отражателем можно заменить эквивалентным критическим реактором без отражателя. Это позволяет записать критическое уравнение для плоского реактора с отражателем в виде:
Такая запись значительно облегчает решение различных задач.
Цилиндрический ЯР с боковым отражателем в одногрупповом приближении
В рамках одногруппового приближения аналитически может быть решена только задача, в которой отражатель расположен только на основаниях цилиндра. В том случае, когда активная зона окружена отражателем со всех сторон, переменные r и z не разделяются и аналитическое решение в рамках одногруппового приближения не может быть получено. Такой случай будет рассмотрен ниже при анализе двухгруппового приближения.
Рассмотрим ЯР, представляющий собой АЗ высотой Н (экстраполированный размер) и радиусом R, окруженную боковым отражателем, толщиной Т. Начало координат находится в центре симметрии. Так как на торцах ЯР отсутствует отражатель, то его влияние скажется на радиальную составляющую потоков, т.е. аксиальная составляющая потока будет точно такой, как в случае ЯР без отражателя. Предположим, что переменные r и z разделяются и будем искать решение в виде:
Условия симметрии удовлетворяются, а граничные условия на торцевых плоскостях цилиндра:
Таким образом, решение задачи сводится к нахождению функций f1(r) и f2(r).
Для функции f(r) запишем уравнения ЯР:
(1)
(2)
где – радиальная составляющая материального параметра АЗ; – радиальная составляющая материального параметра отражателя.
Определим эти составляющие.
Активная зона: ,
где – полный материальный параметр; – аксиальная составляющая материального параметра. При этом вследствие того, что нет бокового отражателя, аксиальная составляющая материального параметра равна аксиальной составляющей геометрического параметра такого же реактора без отражателя (реактор критический): . Тогда получаем:
. Отсюда видно, что - величина действительная.
По аналогии рассмотрим радиальную составляющую материального параметра отражателя, учтя при этом, что в отражателе нет делящихся материалов (k∞=0)
. Отсюда видно, что - величина мнимая. Таким образом, исходные уравнения примут вид:
(1)
(3)
Эту систему уравнений необходимо дополнить граничными условиями:
f2(R2) = 0, где R2=R+T (4)
f1(R) = f2(R) (5) (равенство потоков на границе АЗ-отражатель)
(6) (равенство диффузионных токов на АЗ –
отражатель)
Решение уравнения (1) известно
(7)
Решим уравнение (3). В цилиндрических координатах оно имеет вид:
(8)
Уравнение (8) помножим на r2, затем первое слагаемое умножим и разделим на , второе слагаемое - .
(9)
Уравнение (9) – уравнение Бесселя с аргументом . Причем этот аргумент – мнимый. В этом случае решением уравнения Бесселя являются модифицированные функции Бесселя нулевого порядка:
, (10)
где – модифицированная функция Бесселя нулевого порядка от мнимого аргумента первого рода; – модифицированная функция Бесселя нулевого порядка от мнимого аргумента второго рода (функция Макдональда).
Для решения (10) воспользуемся граничным условием (4):
, отсюда:
(11)
Подставим (11) в (10) и для потоков в АЗ и отражателе окончательно получим:
(12)
(13)
Для (12) и (13) используем граничные условия (5) и (6):
(14)
(15)
Разделим (15) на (14) и получим:
, (16)
где R2=R+T.
По аналогии с ЯР в форме пластины докажем, что условие (16) является условием критичности, т.е. если уберем отражатель, условие (16) должно прейти в условие критичности реактора без отражателя: .
Пусть нет отражателя (Т=0). Тогда знаменатель в правой части (16) обращается в 0, а сама правая часть стремится к бесконечности. Тогда
Т.к. функция ограничена при всех х, то указанное условие будет выполняться только при или (первый корень функции Бесселя первого рода нулевого порядка) , что и требовалось доказать.
Как и в случае плоского ЯР введем понятие эффективной добавки за счет отражателя δ = R0 – R, где R0 – критический радиус эквивалентного цилиндрического ЯР без отражателя. Выразим R и подставим в левую часть условия критичности (16):
Рассмотрим ЯР, имеющий большие размеры, т.е. радиус велик по сравнению с величиной эффективной добавки δ << R. Тогда разложим (17) в ряд Тейлора по малому параметру , ограничившись первым числом разложения (достаточно сложные математические выкладки опустим).
(17)
С другой стороны в большом реакторе R>>M2, следовательно, . В этом случае для правой части условия (16) воспользуемся асимптотическим разложением модифицированных функций Бесселя:
; .
Тогда правая часть (16) примет вид:
(18)
В итоге сопоставляя (17) и (18), для больших ЯР получим условие критичности:
(19)
Это выражение с точностью до первых членов разложений совпадает с результатом, полученным для плоского ЯР. Надо заметить, что с уменьшением R необходимо учитывать больше членов разложения вследствие увеличения кривизны поверхности и полученное для δ выражение усложнится. Далее необходимо провести анализ δ при различных толщинах отражателя.
Таким образом, используя рассмотренный алгоритм решения подобных задач, можно решить в одногрупповом приближении задачи о сферическом ЯР с отражателем и о цилиндрическом ЯР с торцевым отражателем.
В заключении необходимо отметить, что все основные соотношения получены в предположении больших размеров ЯР. С уменьшением размеров ЯР точность одногруппового метода падает, т.к. большую роль начинают играть члены, следующие за первым членом разложения в ряды, и их надо учитывать, что приводит к получению сложных выражений.