Основы технологии и расчета ядерных реакторов (стр. 12 )

При подъеме ОР поглощающие надставки втягиваются в защитные трубы блока защитных труб, регулирующие ТВС занимают их место в активной зоне. Такое устройство СУЗ объясняет большое расстояние между низом активной зоны и днищем шахты ВВЭР-440 и соответственно требует значительного удлинения корпуса.

Рис.6.5. Поглощающий стержень СУЗ и ПЭЛ реактора ВВЭР-1000

Рис.6.6. Надставка и регулирующая ТВС реактора ВВЭР-440

6.5 Системы контроля реактора

Состояние активной зоны реактора обусловлено двумя системами:

·  системой внутриреакторного контроля (СВРК), которая собирает и обрабатывает данные о теплофизических параметрах и выдает информацию в режиме on line на рабочее место оператору;

·  аппаратурой контроля нейтронного потока (АКНП), которая измеряет мощность нейтронного потока, вычисляет период ее изменения в e раз и выдает информацию на рабочее место оператора. АКНП так же формирует сигналы в системы автоматического регулирования мощности реактора, в том числе - защитные в СУЗ.

СВРК

Принципиальная схема устройства СВРК одинакова для всех его модификаций, эксплуатирующихся в настоящее время. В ее состав входят:

·  датчики измерения температуры;

·  каналы нейтронных измерений (КНИ), которые оборудованы сборкой из семи датчиков прямой зарядки (ДПЗ), устанавливаемых в центральные трубки ТВС;

·  программно-технические средства, обрабатывающие сигналы СВРК и связанные с блочной автоматизированной системой управления;

·  средства отображения информации: дисплей на рабочем месте оператора БЩУ.

В дополнение к сигналам от собственных датчиков СВРК запрашивает информацию по большому числу параметров первого и второго контуров в блочной автоматизированной системе управления, обрабатывая их по определенным алгоритмам. По основным параметрам первого контура, включая активную зону реактора, за которыми необходим оперативный контроль, информация выдается в режиме on line, по остальным – по запросу.

По показаниям СВРК контролируются следующие важнейшие в обеспечении безопасности теплофизические параметры активной зоны:

·  тепловая мощность;

·  температура теплоносителя на выходе из ТВС;

·  коэффициенты неравномерности распределения энерговыделения по ТВС – Кq, объему – Кv, высоте - Кz, твэлу – Кr и линейному энерговыделению твэла - Кo (СВРК ВВЭР-1000);

·  запасы до кризиса теплообмена (СВРК ВВЭР-1000);

·  сдвиг энерговыделения по высоте сборки (офсет) (СВРК ВВЭР-1000).

Тепловая мощность активной зоны рассчитывается по параметрам первого и второго контура. В первом случае

, (6.1)

где Nt – тепловая мощность активной зоны; j – число петель; GjT –массовый расход теплоносителя в петле, рассчитываемый из апроксимации напорной характеристики главного циркуляционного насоса G = f(ΔPГЦН); iвх, iвых – удельная энтальпия теплоносителя, которая определяется по функциональным зависимостям i = f(Т, P), находится из справочных данных либо заложенных в программное обеспечение.

Во втором случае

(6.2)

где j – число петель; Gj – расход питательной воды на j-ый парогенератор; iпара, iп. в –. удельная энтальпия пара и питательной воды j-го парогенератора.

6.6 Особенности нейтронно-физических и теплофизических характеристик активной зоны ВВЭР

6.6.1 Нейтронно-физические особенности водо-водяных реакторов

Коэффициенты реактивности.

Хорошая устойчивость ВВЭР связана со способностью их активной зоны к компенсациям как внешних, так и внутренних возмущений. Это объясняется тем, что обратные связи коэффициента размножения по основным технологическим параметрам – температуре теплоносителя и мощности – отрицательные, т. е. любое отклонение этих параметров от стационарного значения вызывает в активной зоне возмущение, направленное на его ликвидацию. В начальном состоянии избыток реактивности холодного реактора компенсируется введением твердотельных стержней на глубину 0.9-1.0 метра от верха активной зоны и введением в теплоноситель борной кислоты.

Рассмотрим в комплексе связь технологических параметров активной зоны с воздействиями системы регулирования. Соотнесем изменение технологических параметров с соответствующими эффектами и коэффициентами реактивности.

С одновременным ростом температуры теплоносителя и топлива от 20 0С до средней рабочей температуры 300 ºC проявится температурный эффект, отрицательно влияющий на и состоящий из двух компонентов:

·  эффекта по температуре теплоносителя ΔρТH2O;

·  эффекта по температуре топлива ΔρТT.

Отрицательный температурный эффект по температуре теплоносителя заложен в проект изначально выбором конструкции ТВС. Ее водоурановое отношение меньше оптимального, т. е. любое уменьшение водоуранового отношения снижает kэф, что, собственно, и происходит при увеличении температуры и соответственно падении плотности замедлителя – воды.

Температурный эффект по топливу также отрицателен. Он связан с уменьшением вероятности избежать резонансного захвата вследствие эффекта Доплера. Интегральный температурный эффект в диапазоне (20 ¸ 300) ºC – наиболее значительный из эффектов реактивности – ΔρТ = - 3,8%.

Следует отметить, что зависимость интегрального температурного эффекта от температуры не линейна. На рис. 6.7 видно, что дифференциальный температурный эффект ∂ρ/∂T увеличивается по абсолютной величине с ростом температуры в теплоносителе. Это означает, что уменьшение kэф при росте температуры, например, на 20 ºC в диапазоне (250 ¸ 270) ºC будет значительнее, чем в диапазоне (100 ¸ 120)ºC.

Рис.6.7. Зависимость интегрального температурного

эффекта от температуры.

С ростом мощности реактора от нулевой до номинальной возрастает температура твэла, обеспечивая перепад температуры топливо-теплоноситель пропорциональный тепловому потоку. Повышение температуры топлива также уменьшает kэфф. Это обусловлено эффектом Доплера и соответственно уменьшением вероятности избежать резонансного захвата. На практике это называется мощностным эффектом – ΔρN = -1,2%. Его зависимость от мощности также нелинейная. Но, в отличие от дифференциального температурного эффекта, уменьшается с ростом мощности.

Следует отметить, что мощностной эффект благоприятно влияет и на неравномерность распределения энерговыделения, поскольку снижает нейтронный поток в участках твэлов с максимальной температурой, т. е. снижает там и энерговыделение. Это влияние значительно и важно как элемент саморегулирования зоны.

В условиях эксплуатации реактора на мощности 235U выжигается, появляются продукты деления, отдельные элементы которых имеют значительное сечение поглощения. Оба процесса уменьшают kэфф. По известным причинам среди продуктов деления выделяются ксенон и самарий. Равновесная концентрация ксенона достигается в течение ~ 1,5 сут. Условно считаем, что она достигается сразу же после повышения мощности. Эффект стационарного отравления Хе весьма значителен. Он зависит от уровня мощности, на которой достигается равновесная концентрация. Для номинальной мощности ΔρХе = -2,9% это эффект стационарного отравления ксеноном.

Приблизительно при работе в течение 10 суток достигается стационарная концентрация самария. При этом реактивность уменьшается на 0,6% , что является эффектом стационарного отравления самарием.

В этом состоянии коэффициент реактивности по отношению к начальному состоянию уменьшится на величину, Δρ = Δρо – Δρt – ΔρХе – ΔρSm, Δρ = 10,7 – 0,6 = 10,1%, и коэффициент размножения будет равен kэфф = 1,11.

Оставшиеся 10,1% - являются запасом реактивности на выгорание. Он должен быть скомпенсирован стержнями рабочей группы, введенными в зону в диапазоне 50 – 100 см от верха, и борной кислотой. Стержни десятой группы в рабочем положении скомпенсируют ~ 0,1%, оставшиеся 10% – борная кислота. Ее эффективность при 300 ºC составляет ∂ρ/∂СH3BO3 = 1,9% /г H3BO3/кг H2O.

Тогда Скр. = 10% / 1,9% = 5,3 г /кг

Конечное состояние – активная зона со свежим топливом: TH2O = 300 ºC, N = 100%, стационарное отравление ксеноном и самарием, CH3BO3 = 5,3 г/кг, компенсирующие стержни ОР СУЗ извлечены, Δρ = 0, kэфф = 1.

На описанном примере разобраны все эффекты реактивности, имеющие практическое значение при регулировании, для всех ВВЭР. Для выбранного топливного цикла они меняются от загрузки к загрузке незначительно, но если меняется цикл, т. е. изменяется обогащение топлива, изменения могут достигать 15– 20% (табл. 6.4).

Таблица 6.4

Эффекты реактивности ВВЭР-1000 и ВВЭР – 440

Активная зона	Δρt	ΔρN	ΔρXe	ΔρSm	Δρ на выгорание
ВВЭР - 1000	3,8	1,2	2,9	0,6	10,1
ВВЭР-440	3,7	1,6	2,5	0,6	9,3

Зависимость температурного эффекта от концентрации борной кислоты.

Как уже упоминалось, существует эффект, не позволяющий безопасно повышать концентрацию борной кислоты в теплоносителе в реакторе выше ~ 7,5 г/кг Н2О. Эффект заключается в том, что температурный коэффициент реактивности по температуре теплоносителя зависит от концентрации борной кислоты. С увеличением концентрации с 0 до 7,5 г/кг в диапазоне температур 260 – 300 ºС температурный коэффициент реактивности изменяется от отрицательных значений до нуля. При дальнейшем увеличении концентрации величина становится положительной. Активная зона в этом случае утрачивает отрицательную обратную связь по температуре теплоносителя, которая возвращала ее в исходное состояние при случайных отклонениях температуры, и становится нестабильной, трудной в управлении.

Физическая суть эффекта проста. При увеличении температуры теплоносителя, содержащего борную кислоту, реактивность изменяется в результате двух факторов: с одной стороны, уменьшается в соответствии с рассмотренным «чистым» температурным эффектом, с другой, увеличивается вследствие того, что при разогревании снижается объемная концентрация борной кислоты в результате уменьшения плотности теплоносителя и соответственно уменьшения макроскопического сечения поглощения теплоносителя. Положительный вклад в зависит от концентрации борной кислоты в теплоносителе: чем больше концентрация, тем больше ее выводится при уменьшении плотности теплоносителя, тем значительней соответствующее повышение реактивности.

Максимальная концентрация борной кислоты создается при пуске реактора сразу после перегрузки. Загрузки выбираются с учетом требования, что в этом состоянии . При пуске реактора это соотношение подтверждается экспериментально.

Стационарное и нестационарное отравление ксеноном и самарием

Глубина максимальной «йодной ямы» ВВЭР-1000 составляет ~ 3,7%, ВВЭР-440 ~ 4,5%. Нестационарное отравление самарием значительно меньше, ~ 0,5 – 0,7% для всех ВВЭР.

Ксеноновые колебания

В активной зоне ВВЭР, размер которого на много больше длины миграции нейтронов, может возникать пространственно-временное перераспределение энерговыделения, которое называют ксеноновыми колебаниями. Ксеноновые колебания появляются при процессах, в результате которых нарушается пространственное равновесие потока нейтронов и концентрации йода и ксенона. Причина возникновения колебаний заключается в существовании положительной обратной связи между потоком нейтронов и ксеноновой составляющей реактивности, проявляемой тогда, когда отдельные части зоны слабо связаны взаимной диффузией нейтронов.

Механизм процесса рассмотрим на примере появления колебаний в результате резкого снижения мощности ВВЭР-1000, например, в результате ускоренной разгрузки. При снижении мощности до 30% Nном.. среднее энерговыделение и средний нейтронный поток уменьшается примерно в 3 раза, но поскольку регулирующая группа органов СУЗ находиться на глубине 50 – 70%, снижение потока в ее верхней и нижней части будет разным: в верхней он уменьшиться примерно в 4 раза; в нижней – в 2 раза. В обоих частях начнет увеличиваться концентрация ксенона. Так как нейтронный поток уменьшится по сравнению с равновесным, накопление ксенона в верхней части будет происходить гораздо интенсивнее, что в свою очередь приведет к дальнейшему снижению нейтронного потока. При этом будет снижаться и энерговыделение и соответственно скорость генерации ядра предшественника ксенона – йода, т. е. закладываться основа для обратного процесса.

В нижней части активной зоны развивается противоположный процесс. Поскольку органами регулирования мощность поддерживается на одном уровне, средний нейтронный поток увеличивается. Его увеличение вызывает ускорение выгорания ксенона, обеспечивая быстрый переход из области нестационарного отравления ксеноном в область нестационарного разотравления. При этом, как и в верхней части, будет закладываться основа для обратного процесса: увеличения энерговыделения и соответственно выхода йода. Обратный процесс начинается в результате снижения концентрации ксенона в верхней части из-за уменьшения концентрации йода и роста концентрации ксенона в нижней части вследствие повышения концентрации йода.

Как уже упоминалось, возможность возникновения ксеноновых колебаний связана с размером активной зоны. В ВВЭР-440 они не проявляются. В ВВЭР-1000 возможны аксиальные ксеноновые колебания. Колебания определяются периодом полураспада I135 и Хе135 и составляют ~ 30 ч, амплитуда зависит от начального возмущения. Контроль за наличием и размером амплитуды колебаний осуществляется с помощью СВРК по высотному сдвигу энерговыделения.

6.7 Регулирование

Перемещение регулирующей группы органов СУЗ допускается в ограниченном по высоте интервале в верхней части активной зоны, причем допустимый интервал зависит от мощности. Это связано с тем, что наличие локальных поглотителей (в данном случае поглотителей регулирующей группы органов СУЗ) в относительно однородной активной зоне значительно искажает нейтронное поле и соответственно увеличивает неравномерность энерговыделения. Наиболее жесткие требования к интервалу предъявляются при работе реактора на номинальной и близкой к номинальной мощности: для ВВЭР-1000 на высоте 70 – 95 % от низа активной зоны, для ВВЭР-440 – 40 – 80 %. При пониженной мощности этот интервал расширяется, поскольку в этих режимах допускается увеличение неравномерности в соответствии с мощностью реактора. При приближении органов регулирующей группы СУЗ к пределу интервала необходимо выполнить «борную» перекомпенсацию, т. е. увеличить или уменьшить концентрацию борной кислоты в теплоносителе, для того чтобы вернуть их в оптимальное положение.

Аварийный останов

Аварийная защита (АЗ – ВВЭР-1000, АЗ-1 – ВВЭР-440), действующая на останов реактора, осуществляется вводом отрицательной реактивности падающих под действием собственной массы (при обесточенных приводах) всех ОР СУЗ.

Эффективность аварийной защиты должна быть такой, чтобы при одном застрявшем в верхнем положении самом эффективном органе ее значения были бы достаточны для того, чтобы как минимум скомпенсировать высвобождающиеся при аварийном сбросе мощности эффекты реактивности – мощностной и часть температурного и обеспечить подкритическое состояние реактора. Желательна компенсация большей части температурного эффекта.

Эффективность АЗ, равная 5,5% устанавливается как минимально допустимая при номинальной мощности ВВЭР-1000 (табл. 6.5). Аналогичная величина АЗ-1 для ВВЭР-440 обосновывается для каждого блока отдельно в соответствии с его нейтронно-физическими характеристиками, чтобы скомпенсировать с избытком мощностной и температурный эффекты. Эффективность механической СУЗ должна быть достаточной как для выполнения функции АЗ, так и для обеспечения нормативного подкритического состояния активной зоны независимо от системы борного регулирования.

Таблица 6.5

Эффективность аварийной защиты реакторов ВВЭР

Тип реактора	ВВЭР-1000	ВВЭР-440	ВВЭР-440, 3-й, 4-й блоки НВ АЭС
Число органов СУЗ	61	37	73
Эффективность АЗ, при номинальной температуре, %	≥ 5,5	~ 6	~15

При плановых операциях по воздействию на реактивность системой борного регулирования, как при вводе так и при выводе ОР СУЗ, независимо от состояния реактора стержни аварийной защиты (АЗ-1) должны быть взведены, т. е. ОР СУЗ должны быть на верхнем концевом выключателе (ВКВ) и цепи управления АЗ в работе. Допускается в переходных режимах уменьшение эффективности АЗ в соответствии с мощностью реактора.

Борное регулирование

Перевод реактора в подкритическое состояние и поддержание подкритического состояния, вывод реактора на минимально-контролируемый уровень мощности и подъем мощности, компенсация запаса реактивности на выгорание и других эффектов реактивности в переходных режимах осуществляется с помощью борного регулирования. Изменение концентрации борной кислоты увеличивает или уменьшает сечение поглощения теплоносителя и вносит соответственно отрицательную или положительную реактивность.

При останове реактора для ремонта с его разуплотнением или для перегрузки концентрация борной кислоты возрастает до следующих значений, гарантирующих нормативное подкритическое состояние с учетом возможных ошибок при работе с топливом: ВВЭР-1000 – 16 г/кг; ВВЭР –ОР СУЗ) –16 г/кг; ВВЭР - ОР СУЗ) – 12 г/кг.

Компенсация всех эффектов реактивности, проявляемых на критическом реакторе, включая запас реактивности на выгорание, осуществляется борным регулированием, поскольку положение СУЗ жестко регламентируется в связи с необходимостью обеспечения максимальной эффективности АЗ и минимального искажения энерговыделения активной зоны.

Оперативный запас реактивности, связанный с возможным перемещением регулирующей группы внутри рабочего диапазона незначителен и составляет ~ 0,5% для ВВЭР-1000 и ~ 1% для ВВЭР-440

Зависимость эффективности систем регулирования от температуры.

Изменение эффективности механических СУЗ определяет зависимость от температуры две нейтронно-физические характеристики:

·  уменьшение микроскопического сечения поглощения σа поглотителя. Оно уменьшает эффективность поглотителей, но незначительно, поскольку сечение поглощения всех материалов активной зоны, включая топливо, уменьшается по одному закону, т. е. относительное количество нейтронов, захваченных поглотителем практически не изменяется;

·  увеличение площади миграции нейтронов М2. Увеличение М2 увеличивает эффективность поглотителей, поскольку как бы увеличивается эффективный радиус действия поглотителя, и это увеличение весьма значительное, поскольку М2 при росте температуры с 20оС до номинальной увеличивается в ~ 1,5 раза.

В результате полная эффективность механических СУЗ ВВЭР с ростом температуры с 20оС до номинала увеличивается на 25-40%.

Наличие борной кислоты в замедлителе несколько уменьшает эффективность СУЗ. Это связано с общим «ужесточением» нейтронного спектра. Для рабочих параметров и при увеличении концентрации борной кислоты с нуля до максимальной рабочей это уменьшение составляет ~ 5%.

Изменение эффективности борной кислоты в зависимости от температуры теплоносителя практически целиком определяется изменением макроскопического сечения поглощения бора-10 (, где r- объемная концентрация ядер бора-10). При росте температуры оба сомножителя уменьшаются.

Уменьшение первого сомножителя, микроскопического сечения σа, слабо влияет на эффективность по тем же причинам, что и в случае описанном выше.

Объемная концентрация ядер бора уменьшается с ростом температуры пропорционально уменьшению плотности воды. Практически в этой пропорции уменьшается и эффективность борной кислоты. Этот эффект уже описывался выше, когда рассматривалась зависимость температурного эффекта от концентрации борной кислоты. При изменении температуры теплоносителя в рабочем интервале, 20ºC – номинальная, эффективность борной кислоты падает на ~20%.

Таблица 6.6

Эффективность систем регулирования реакторов ВВЭР (1 загрузка)

Тип реактора	Эффективность СУЗ (%)	Коэффициент эффективности борной кислоты (%)
20ºC	280ºC	20ºC	280ºC
ВВЭР-1000	5,4	6,9	2,6	2,1
ВВЭР-440	14,6	20,8	2,2	1,9

6.8 Энергетический реактор ВВЭР с кипением

В таких реакторах реализуется естественная циркуляция теплоносителя с применением одноконтурной схемы. При этом естественная циркуляция не позволяет получить интенсивный теплосъем, однако, генерация пара в двухконтурной схеме и одноконтурной установке дает примерно одни и те же тепловые потоки. В этой связи, ВВЭРК в существенной мере упрощает установку (нет парогенератора). В связи с кипением давление существенно меньше, чем в ВВЭР, поэтому, при равных условиях, нужен корпус большего диаметра.

Реакторы с водой при кипении имеют существенно большие эффекты реактивности. Например, для ВВЭР с кипением , в то время как для реактора БН-600 .

Отличительной особенностью кипящих реакторов является генерация пара в пределах АЗ, поэтому доля паровой фазы растет, следовательно, уменьшается эффективная плотность замедлителя, что приводит к ужесточению спектра. Доля поглощений на U235 растет, растет и наработка Pu239.

Рис. 6.8. Поток и паросодержание в начале и конце кампании.

Для тепловых нейтронов: 1 – поток в начале кампании; 1’ - поток в конце кампании; 2 – паросодержание в начале кампании; 2’ - паросодержание в конце кампании.

Таблица 6.7

Сравнительная характеристика реакторов с кипением и без кипением

Параметр	BWR	PWR
	3290	3100
	7,2	15,8
	6,6	6,0
	282	274
Масса корпуса (отн.)	1	0,7
V1/V0	2,5	1,8
	12,1	9,1
	6,7	4,8
	4,75	3,4
	3,6	3,6
Топливо
Обогащение, %	2,5	3,5
Глубина выгорания, МВт∙сутки/кг	22	32
Объемное энерговыделение qV, кВт/л	51	93
Поверхностное энерговыделение	1,35	1,65
Коэффициент запаса до кризиса кипения	1,9	1,8
Стоимость,	290	500

КПД реакторов кипящих и не кипящих примерно равны. Давление теплоносителя в 2 раза меньше, чем в некипящих. Более разреженная твэльная решетка и большой диаметр твэла. Тепловые потоки в кипящих реакторах ниже, т. к. кризис кипения в таких реакторах возникает при меньших нагрузках. Истинное объемное паросодержание на выходе достигает j =40% и расходное объемное паросодержание b =75%. Сильная зависимость аксиальной компоненты нейтронного потока обусловлено значительным изменением плотности замедлителя по высоте, при этом коэффициент неравномерности энерговыделения по высоте (для ВВЭР 1,56), по радиусу (для ВВЭР 1,7).