Теория подобия нейтронно-кинетических процессов
Покупка
Автор:
Бабичев Николай Борисович
Год издания: 2015
Кол-во страниц: 218
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-9515-0301-5
Артикул: 680215.01.99
Книга посвящена расчетно-теоретическим разработкам, которые про-
водились начиная с 1972 года по сей день.
Построена усовершенствованная теория подобия процессов нейтрон-
ной кинетики, протекающих в однородных и профильных системах.
Получены некоторые точные решения уравнения переноса нейтро-
нов. В то же время большое внимание уделено поиску приближенных
аналитических решений различных задач.
Монография может быть использована в качестве учебного пособия
для студентов, аспирантов и молодых специалистов-ядерщиков.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- 03.00.00: ФИЗИКА И АСТРОНОМИЯ
- ВО - Бакалавриат
- 03.03.01: Прикладные математика и физика
- ВО - Магистратура
- 03.04.02: Физика
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
ФГУП «Российский федеральный ядерный центр − ВНИИЭФ» Н. Б. Бабичев ТЕОРИЯ ПОДОБИЯ НЕЙТРОННО-КИНЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Монография Саров 2015
УДК 539.125.523 ББК 22.38 Б12 Бабичев, Н. Б. Теория подобия нейтронно-кинетических процессов: Монография. Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2015, 218 с. ISBN 978-5-9515-0301-5 Книга посвящена расчетно-теоретическим разработкам, которые про водились начиная с 1972 года по сей день. Построена усовершенствованная теория подобия процессов нейтрон ной кинетики, протекающих в однородных и профильных системах. Получены некоторые точные решения уравнения переноса нейтро нов. В то же время большое внимание уделено поиску приближенных аналитических решений различных задач. Монография может быть использована в качестве учебного пособия для студентов, аспирантов и молодых специалистов-ядерщиков УДК 539.125.523 ББК 22.38 ISBN 978-5-9515-0301-5 © ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2015 Б12
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Глава 1. Односкоростное кинетическое уравнение и вытекающие из него соотношения подобия процессов нейтронной кинетики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.1. Общий вид исходного нестационарного односкоростного кинетического уравнения для нейтронов . . . . . . . . . . . 16 1.2. Соотношения подобия, полученные из односкоростного уравнения переноса нейтронов . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.2.1. Частный случай подобных систем с постоянной плот- ностью ρ = const . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.2.2. Подобные системы с произвольным профилем плот- ности вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2.3. Произвольные по геометрии подобные системы с разными, но не зависящими от координат параметрами α и β . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.2.4. Подобные системы с зависящими от координат активностью и величинами α, β . . . . . . . . . . . . . . 23 1.2.4.1. Подобные системы, в которых от координат зависит только активность веществ . . . . . . . . 23 1.2.4.2. Подобные объекты с параметрами α и β, зависящи- ми от координат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.3. Элементы теории подобия нейтронной кинетики нестацио- нарных однородных систем с произвольной геометрией . . . 26 1.3.1. Теорема подобия решений уравнения переноса нейтро- нов в однородных нестационарных системах . . . . . . . 26 1.3.2. Формулы подобия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Глава 2. Общее и частные решения задачи на главные собственные значения (ГСЗ) и главные собственные функции (ГСФ), полученные в односкоростном приближении для одно- родных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.1. Общее решение задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.2. Приближенные формулы для ГСЗ, выражающие явные зависимости Λ от βR и λ от различных параметров . . . . . . 31
2.2.1. Приближенное решение задачи на ГСЗ, полученное в диффузионном приближении . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2.1.1. Основные диффузионные соотношения и получен- ные из них результаты, имеющие методическое и практическое значение . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2.1.2. Новые формулы, выражающие явную зависимость коэффициента диффузии от физических величин . . 35 2.2.1.3. Область применимости теории диффузии нейтронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.2. Приближенное решение задачи на ГСЗ, справедливое в широком диапазоне изменения физических величин . . . 38 2.2.2.1. Формула В. П. Незнамова для λ однородных шаров, выполненных из делящихся материалов . . . . . . . . 38 2.2.2.2. Явный вид приближенной универсальной зависи- мости Λ(βR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.2.3. Приближенное решение задачи на ГСЗ, найденное для однородных шаров из произвольных веществ, находя- щихся в вырожденном или в близком к вырожденному состоянии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.3. Некоторые теоретические и численные результаты . . . . . 42 2.3.1. Зависимости ГСЗ λ однородных систем с произволь- ной активностью от оптической толщины . . . . . . . . . 42 2.3.1.1. Характерные качественные зависимости ГСЗ от оптической толщины однородного объекта с произ- вольными геометрией и активностью . . . . . . . . 42 2.3.1.2. Зависимости λ однородного шара от его оптической толщины и активности, полученные с помощью аналитических вычислений и расчетов . . . . . . . . 46 2.3.2. Приближенное аналитическое решение задачи на ГСФ, справедливое в случае идеального поглотителя нейтронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.3.2.1. Вывод приближенных формул для ГСФ . . . . . . . . 52 2.3.2.2. Результаты численных расчетов . . . . . . . . . . . 53 2.3.3. Ширина особой области (ОО) в пространственном распределении нейтронов внутри однородных активных шаров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.3.3.1. Приближенное аналитическое решение задачи на ГСФ и ГСЗ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.3.3.2. Уравнение баланса полного числа нейтронов в системе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3.3.3. Некоторые результаты аналитических вычислений и численных расчетов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.3.3.4. Ширина особой области (ОО) . . . . . . . . . . . . . 60 2.3.3.5. Изучение вопроса об областях применимости полученных решений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.3.4. Явный графический вид универсальной функции Λ(βR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.3.5. Выводы и ряд замечаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Глава 3. Проблема Милна в теории переноса нейтронов . . . . . . . 70 3.1. Стационарная однообластная задача Милна с однородным полубесконечным инертным (h = 1) веществом . . . . . . . . 71 3.2. Точное решение однообластной нестационарной задачи Милна, справедливое при любых значениях активности h однородной среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.2.1. Материалы теоретических исследований . . . . . . . . . 73 3.2.2. Результаты численных расчетов. . . . . . . . . . . . . . . 74 3.3. Поведение собственной функции вблизи границы . . . . . . 76 3.4. Точные решения нестационарной двухобластной задачи Милна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.4.1. Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.4.2. Решения, справедливые в случае надкритических двухобластных систем из делящихся материалов . . . . . 78 3.4.3. Полное решение двухобластной задачи Милна . . . . . . 80 3.5. Некоторые графические результаты, полученные из при- ближенного аналитического решения однообластной задачи Милна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Глава 4. Оптически толстые подобные системы и поиск решений кинетического уравнения за их пределами (в вакууме) . . . 87 4.1. Предельная теорема подобия, справедливая для однородных систем с произвольной геометрией, и некоторые новые результаты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.1.1. Формулировка теоремы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.1.2. Доказательство теоремы . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.1.2.1. Доказательство на основе однородного кинетичес- кого уравнения и основные выводы . . . . . . . . . . 87 4.1.2.2. Второй способ доказательства предельной теоремы подобия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.1.3. Формулы подобия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.2. Пространственное распределение нейтронов в вакууме . . . 89 4.3. Подведение итогов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Глава 5. Нестационарная задача Милна с постоянным объемным источником нейтронов в полубесконечной инертной среде (точное аналитическое решение кинетического уравнения) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.1. Возможные типы решений неоднородного кинетического уравнения в случае систем с предельно большой оптической толщиной . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.2. Решение нестационарной однообластной задачи Милна с постоянным источником . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.2.1. Теоретические результаты . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.2.2. Результаты численного расчета . . . . . . . . . . . . . . 99 Глава 6. Приближенные аналитические решения неоднородного интегрального уравнения переноса нейтронов в опти- чески тонких системах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 6.1. Создаваемые источником нейтронные поля внутри и за пределами сферических систем . . . . . . . . . . . . . . . . 101 6.1.1. Приближенные аналитические решения стационар- ного интегрального уравнения переноса нейтронов в однородных оптически тонких активных шарах . . . . 102 6.1.1.1. Вывод формул . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.1.1.2. Результаты аналитических вычислений и численных расчетов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 6.1.2. Некоторые решения нулевого порядка и численные данные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 6.1.2.1. Приближенные формулы для нейтронной плот- ности внутри оболочки . . . . . . . . . . . . . . . . 108 6.1.2.2. Многообластные сферически-симметричные системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.1.3. Результаты аналитических вычислений . . . . . . . . . 109 6.2. Приближенное аналитическое решение задачи с постоян- ным объемным источником нейтронов внутри оптически тонкой пластины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.3. Нейтронные характеристики шара и оболочки, выпол- ненных из чистого изотопа 238Pu (результаты численных расчетов) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.3.1. Нейтронные характеристики шаров из 238Pu с радиу- сами R = 0,07; 0,1; 0,13 см . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 6.3.2. Результаты, полученные для оболочки из 238Pu . . . . . 116
Глава 7. Результаты исследований, основанных на однородных спектральных уравнениях переноса нейтронов . . . . . . . 118 7.1. Точные формулы подобия, полученные из общего спек- трального кинетического уравнения Больцмана . . . . . . . 118 7.1.1. Точное нестационарное спектральное уравнение переноса нейтронов в профильных системах и выте- кающие из него следствия . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 7.1.1.1. Общая структура точного кинетического уравнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 7.1.1.2. Следствия, вытекающие из фундаментального свойства инвариантности точного кинетического уравнения по отношению к преобразованиям подобия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 7.1.2. Формулы подобия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 7.1.2.1. Связь между пространственными распределениями частиц в подобных нестационарных объектах с про- филями плотности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 7.1.2.2. Формулы подобия для ГСФ, ГСЗ и вид общего решения спектральной задачи на задачи на ГСЗ λ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 7.1.2.3. Доказательство теоремы подобия профильных критических систем с произвольными ядерно-физи- ческими свойствами . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 7.2. Приближенные решения спектрального уравнения переноса нейтронов в водородосодержащих однородных системах с большой оптической толщиной . . . . . . . . . . . . . . . 126 7.2.1. Спектр быстрых и надтепловых нейтронов . . . . . . . 127 7.2.2. Спектр тепловых и эпитепловых нейтронов . . . . . . . 131 7.2.3. Определение ГСЗ λ и Кэф . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 7.3. Некоторые результаты численных расчетов . . . . . . . . . 135 Глава 8. Характеристики однородных и профильных систем, в которых от координат зависит только активность (новые результаты, полученные в односкоростном приближении и из упрощенного спектрального уравнения переноса нейтронов) . . . . . . . . . . . . . . . . 137 8.1. Результаты, справедливые в односкоростном прибли- жении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 8.1.1. Развитие процессов нейтронной кинетики во времени . . 138 8.1.2. Исследования, выполненные с использованием свой- ства инвариантности кинетического уравнения по отношению к преобразованиям подобия . . . . . . . . . 139
8.1.2.1. Класс подобных профильных систем, найденный из нестационарного уравнения переноса нейтронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 8.1.2.2. ГСЗ и ГСФ подобных профильных систем . . . . . 142 8.2. Аналитические решения задачи на ГСЗ, полученные из безразмерного односкоростного кинетического уравнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 8.2.1. Общее решение задачи на ГСЗ . . . . . . . . . . . . . . 143 8.2.2. Приближенные аналитические решения задачи на ГСЗ явного вида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 8.3. Эволюция нейтронных процессов во времени . . . . . . . . 145 8.3.1. Уравнение баланса полного количества нейтронов в системе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 8.3.2. О синхронности выхода решений безразмерного нестационарного кинетического уравнения на ГСФ и ГСЗ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 8.3.3. Приближенная формула подобия для логарифмических производных и область ее применимости . . . . . . . . 147 8.4. Метод нахождения приближенного решения упрощенного спектрального уравнения переноса нейтронов в активных профильных системах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Глава 9. Обобщение результатов исследований, основные выводы и замечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 9.1. Исходное односкоростное кинетическое уравнение . . . . . 152 9.2. Безразмерные односкоростные уравнения переноса частиц и формулы подобия для функций распределения нейтро- нов в нестационарных профильных системах . . . . . . . . 153 9.2.1. Интегродифференциальное безразмерное уравнение переноса нейтронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 9.2.2. Дифференциальное уравнение для нейтронной плот- ности и векторного потока нейтронов . . . . . . . . . . 154 9.2.3. Уравнение баланса полного количества нейтронов в системе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 9.2.4. Вывод формулы подобия для функции распределения нейтронов внутри нестационарных профильных объектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 9.2.4.1. Частный случай объектов с подобной геометрией . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 9.2.4.2. Формула подобия общего вида для функции распре- деления нейтронов в нестационарных профильных системах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
9.3. Общее решение задачи на ГСЗ и ГСФ, полученное в одно- скоростном приближении на основе безразмерного урав- нения переноса нейтронов в профильных системах . . . . . 157 9.3.1. Вывод основных общих формул . . . . . . . . . . . . . 157 9.3.2. Некоторые предельные решения задачи о критических параметрах активных однородных и профильных шаров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 9.4. Формулы подобия, имеющие место в односкоростном приближении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 9.4.1. Формула подобия для ГСФ . . . . . . . . . . . . . . . . 161 9.4.2. Общая формула подобия для главных собственных чисел уравнения переноса нейтронов в профильных системах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 9.5. Решение упрощенного спектрального уравнения переноса нейтронов в нестационарных профильных системах . . . . 162 9.5.1. Основные результаты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 9.5.2. Упрощающие предположения, принятые для решения односкоростных и спектральных задач . . . . . . . . . . 164 9.6. Новые результаты аналитических исследований, обобщен- ные на спектральный случай . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 9.6.1. Общее решение задачи на ГСЗ . . . . . . . . . . . . . . 165 9.6.2. Частные решения задачи на ГСЗ для активных про- фильных шаров, справедливые в диффузионном приближении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 9.6.3. Модернизированные формулы В. П. Незнамова, предназначенные для аналитических вычислений ГСЗ Λ и λ профильных шаров из делящихся материалов . . . 166 9.6.4. Формулы подобия для ГСЗ и ГСФ . . . . . . . . . . . . 166 9.6.5. Некоторые замечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 9.6.5.1. Замечание по поводу средних параметров, входящих в полученные выше формулы . . . . . . . . . . . . . 167 9.6.5.2. О приближенном характере численных решений упрощенного спектрального уравнения переноса нейтронов в профильных системах . . . . . . . . . 167 Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Приложение А. Теорема Н. А. Дмитриева о сведении сфери- ческой задачи с постоянным пробегом нейтронов к плоской и ее применение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 А.1. Доказательство теоремы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171