Основы технологии и расчета ядерных реакторов (стр. 15 )

• двух пучков твэлов (1,2);

• несущего элемента (3);

• направляющих концевых деталей (4,5);

• двух концевых решеток (6);

• двадцати дистанционирующих решеток (7).

Каждый пучок состоит из 18 твэлов и каркаса (рис.8.4 б)

а	б

Рис. 8.4. Общий вид ТВС (а) и поперечный разрез ТВС (б)

Шесть твэлов расположены равномерно на окружности диаметром (32 ± 0.1) мм и двенадцать – на окружности диаметром (62 ± 0.1) мм Внешние твэлы сдвинуты на угол 150 относительно внутренних. Каркас каждого пучка твэлов состоит из центральной трубы размером 15 ± 1.25. мм, изготовленной из сплава Э-125, одной концевой решетки и десяти дистанционирующих решеток.

Концевая решетка изготовлена из сплава Э-125, имеет высоту 15 мм и максимальный диаметр 79 мм. Масса концевой решетки 150 г.

Через каждые 360 мм на центральной трубе установлены дистанционирующие решетки, собранные из отдельных фигурных ячеек, центральной втулки и охватывающего обода. Дистанционирующая решетка изготовлена из стали 06Х18Н10Т, имеет высоту 16,3 мм и максимальный диаметр 79 мм. Масса дистанционирующей решетки 50 г.

Всего ТВС содержит 36 твэлов, 2 концевые и 20 дистанционирующих решеток. Расстояние между низом твэлов верхнего пучка и верхом твэлов нижнего пучка составляет 20 мм, разрыв по топливу 39 мм.

Два пучка твэлов в ТВС, расположенные один над другим, собраны либо на одном центральном стержне, либо на одной несущей трубе (ТВС рабочая под гамма-камеру).

Стержень центральный изготовлен из циркониевого сплава Э-125 и представляет собой пруток диаметром 12 мм.

Труба несущая герметична, изготовлена из циркониевого сплава Э-125 и имеет размеры 12 ´ 2.75 мм.

Технологические каналы предназначены для размещения в них ТВС и дополнительных поглотителей и для организации потока теплоносителя.

Средняя часть (в пределах активной зоны) технологического канала представляет собой трубу, изготовленную из циркониевого сплава Э125 (цирконий + 2.5 % ниобия) c наружным диаметром 88,0мм и внутренним диаметром 79,5 мм.

Для улучшения отвода тепла на трубу канала надеты графитовые разрезные кольца высотой 20 мм, которые размещаются по высоте канала вплотную друг к другу. Каждое чередующееся кольцо имеет непосредственный контакт по боковой поверхности либо с трубой, либо с внутренней поверхностью графитового блока, а также друг с другом по торцам. Диаметральные размеры колец: наружное кольцо 114,3/92,0, внутреннее кольцо 110,3/88,0 мм.

Минимальные значения радиальных зазоров канал-кольцо и кольцо-блок – 1,35 мм определены из условия недопустимости заклинивания канала в кладке вследствие ее радиационно-термической усадки в процессе работы реактора, а также термической и радиационной ползучести циркониевой трубы канала.

8.5. Дополнительные поглотители

Стержни дополнительных поглотителей предназначены для компенсации избыточной реактивности в начальный период работы реактора и положительного парового коэффициента реактивности в равновесном состоянии активной зоны. Стержни ДП после загрузки в технологические каналы постоянно находятся в активной зоне до исчерпания ресурса, а затем извлекаются из нее.

При пуске реактора в активной зоне размещаются ~230-240 дополнительных поглотителей, примерно по два стержня в ячейку периодичности
4 ´4, по мере выгорания топлива стержни извлекаются из активной зоны и заменяются штатной тепловыделяющей сборкой.

8.5.1. Стержень дополнительного поглотителя

Стержень ДП (см. рис.8.5а) состоит из несущего элемента (1) с надетыми на него поглощающими (2) и крепежными втулками (3). Несущий элемент представляет собой трубу размером 50 ´ 3 мм, изготовленную из стали 08Х18Н10Т.

Поглощающая втулка изготовлена из бористой стали СБЯ-2 и имеет следующие размеры: внешний диаметр 59 мм, внутренний диаметр 53 мм, высота 50 мм.

Рис. 8.5. Общий вид ДП (а) и поперечный разрез ДП (б)

8.6. Стержни СУЗ

В настоящее время на реакторах РБМК-1000 используются стержни СУЗ пяти типов. Такая ситуация сложилась в результате усовершенствования стержней СУЗ реакторов первых очередей при внедрении мероприятий по повышению безопасности РБМК. Длина стержней СУЗ увеличена до 6,55 м и при положении стержней на верхнем концевике (ВК) поглощающая часть находится на верхнем срезе активной зоны, а нижняя часть вытеснителя находится на нижнем срезе активной зоны. Это обеспечивает ввод отрицательной реактивности во всем диапазоне перемещения и исключает ввод положительной реактивности во всех ситуациях.

Недостатком стержней данной конструкции является наличие большого столба воды (~ 2,5 м) между вытеснителем и поглотителем в районе телескопического соединения. Стержни данной конструкции набираются в режимы регуляторов поля энерговыделения (РР)=110 штук, автоматического регулирования (АР)-20 штук, локальных автоматических регуляторов (ЛАР)- 20штук, локальной аварийной защиты (ЛАЗ)- 8 штук, быстрой аварийной защиты (БАЗ)- 33 штука.

При дальнейшем усовершенствовании стержней СУЗ разработана конструкция с юбочной компоновкой нижних поглотителей, состоящей из пластин титаната диспрозия (TiDy2O3). Стержни данной конструкции также набираются в режимы РР, БАЗ, ЛАЗ и АР.

Скорость ввода стержней СУЗ в активную зону по сигналу от ключа управления (17 ÷ 18) с, по сигналу аварийной защиты – (6 ÷ 8) с.

Всего в реакторе РБМК-1000 устанавливается 191 стержень СУЗ.

8.6.1. Стержни быстрой аварийной защиты (БАЗ)

Стержни БАЗ отличаются от рассмотренных выше тем, что у них отсутствует вытеснитель, и диаметр поглощающих элементов больше, чем у стержней сб. 2091.00.000-01. Кроме этого каналы для стержней БАЗ имеют пленочное охлаждение. Скорость ввода стержней БАЗ от ключа управления (6÷7) сек, по сигналу БАЗ – 2,5 сек. Эффективность стержней БАЗ составляет ~ 2 bэф. Имея такие характеристики, стержни БАЗ обеспечивают совместно с другими стержнями достаточную скорость ввода отрицательной реактивности (1bэф/сек) по сигналу БАЗ и гарантировано переводят реактор в подкритическое состояние.

8.6.2. Укороченные стержни-поглотители (УСП)

Деформация аксиального поля энерговыделения в РБМК-1000 происходит под влиянием следующих конструктивных особенностей реактора:

·  наличия пара в верхней части активной зоны, приводящее к тому, что верхние части ДП, полностью погруженных стержней СУЗ, эффективнее нижних;

·  запаса реактивности на частично погруженных стержнях РР, АР реали-зующегося в верхней части активной зоны;

·  столбов воды между поглотителями и вытеснителями стержней СУЗ, находящихся на ВК, поглощающие нейтроны лучше, чем вытеснители.

Все эти факторы приводят к тому, что поле энерговыделения смещается в нижнюю часть активной зоны. Для поддержания его формы, близкой к симметричной, предусмотрены укороченные стержни-поглотители (УСП). Эти стержни короче остальных регулирующих стержней (длина поглощающей части УСП составляет 4 м), и они вводятся в активную зону снизу. При срабатывании БАЗ или АЗ-1 они вводятся за ~ 8 с. Схемы питания и механический тормоз предотвращают их выпадение из активной зоны при обесточивании.

Схема расположения стержней исполнительных механизмов СУЗ по высоте активной зоны реакторов РБМК и их геометрические размеры приведены на рисунке 8.7.

Рис. 8.7. Схема расположения стержней исполнительных механизмов СУЗ по высоте активной зоны реакторов РБМК-1000:

1 – стержень АР; 2 – стержень РР; 3 - стержень УСП;

4 - стержень БАЗ; (а - стержень извлечен, б - стержень погружен)

Каналы СУЗ предназначены для размещения в них регулирующих стержней системы управления, камер деления и датчиков контроля энерговыделения по высоте, а также для обеспечения циркуляции теплоносителя с целью снятия тепловыделения с исполнительных органов системы управления.

Контур охлаждения каналов СУЗ автономен от контура многократной принудительной циркуляции. Температура охлаждающей воды контура СУЗ при работе реактора на мощности составляет: на входе (40 ÷ 55) 0С, на выходе (50 ÷ 75) 0С.

Средняя часть канала СУЗ (в пределах активной зоны) представляет собой трубу из циркониевого сплава Э125 с наружным диаметром 88,0 мм и толщиной стенки 3 мм.

8.6.3. Кластерный регулирующий орган (сб.2399)

Отличительной особенностью описанных конструкций стержней СУЗ является высокий положительный эффект обезвоживания контура охлаждения СУЗ при работе на мощности, достигающий ~ 3 bэф.

Решением проблемы существенного снижения положительного эффекта реактивности при обезвоживании КО СУЗ является либо разделение КО СУЗ на два независимых контура, либо внедрение регулирующих стержней, конструкция которых позволяет снизить эффект обезвоживания до безопасного уровня. В связи с этим была предложена новая конструкция стержней, т. н. кластерные регулирующие органы (КРО) сб.2399 (см. рис. 8.8).

а) КРО введен	б) КРО извлечен

Рис. 8.8 Стержень КРО (сб.2399.00)

Принципиальным отличием КРО от штатных стержней СУЗ является то, что рабочий орган КРО перемещается не в канале СУЗ, а в собственном неподвижном канале – алюминиевой гильзе, которая устанавливается в канал СУЗ практически на всю его длину. При этом внутренняя полость гильзы герметична по отношению к внешней охлаждающей воде. Гильза замещает «лишнюю» воду в канале СУЗ, а также является направляющей для рабочего органа. Рабочий орган состоит из 12 стерженьков из титаната диспрозия, расположенных по окружности гильзы.

Управление рабочим органом КРО проводится аналогично стержням СУЗ. Назначенный срок службы КРО – не менее 5 лет. Некоторые количественные сравнительные характеристики указанных стержней приведены в таблице 8.2.

Таблица 8.2.

Характеристики и параметры штатных рабочих органов СУЗ и КРО

Параметр	РР	АР	КРО
Рабочий ход, мм	6550	6650	7000
Длина поглощающей части, мм	6772	6790	7550
Перекрытие поглотителем высоты активной зоны, %	93,6	95	100
Кол-во воды в канале при извлеченном поглотителе, л	16	8	до 3
Изменение реактивности при обезвоживании КО СУЗ (расчетная оценка), bэф	4¸4,5	2¸2,5	менее 1
Время аварийного ввода, сек	14	14	не более 7

Анализируя данные табл. 8.2, можно отметить преимущества КРО по сравнению со штатными стержнями:

·  количество охлаждающей воды в канале КРО на любом уровне по высоте остается постоянным, а однородный поглотитель рабочего органа КРО перекрывает всю высоту активной зоны, такая конструкция исключает появление «положительного выбега реактивности» при погружении КРО в активную зону;

·  эффект обезвоживания КО СУЗ при использовании КРО существенно снижается по сравнению со стержнями 2091-01 и 2477-01 и по расчетным оценкам оказывается меньше 1bэф;

·  скоростная эффективность в аварийных режимах увеличивается более чем в два раза.

При установке КРО не требуется длительного простоя энергоблока, т. к. установка КРО осуществляется в соответствии со штатной плановой процедурой замены стержней СУЗ. Кроме того, в КРО используются штатные сервоприводы СУЗ, поэтому не требуется изменений в штатной системе СУЗ.

8.7. Уран-графитовое отношение

Для канальных реакторов с графитовым замедлителем важным параметром является так называемое уран-графитовое отношение, т. е. отношение числа ядер урана к числу ядер графита. Уран-графитовое отношение определяет жесткость спектра нейтронов в решетке, которая, в свою очередь, влияет на размножающие свойства реактора. На начальном этапе реакторостроения этот параметр использовался для определения структуры решетки, обладающей наибольшим коэффициентом размножения, что было особенно важным для первых реакторов на природном уране. В современных реакторах РБМК-1000, использующих слабо-обогащенный уран, нет такой жесткой экономии нейтронов. Поэтому поиск наилучшего уран-графитового отношения проводится для оптимизации параметров, влияющих на безопасность реактора. В качестве наиболее важного параметра для реактора РБМК может быть выбран, например, эффект реактивности реактора при обезвоживании КМПЦ, т. е. при потере охлаждающей ТВС воды. При выбранной конструкции ТВС и обогащении топлива существует оптимальный шаг решетки, при котором эффект обезвоживания близок к нулю. Любое отклонение от оптимального шага создает определенные проблемы для безопасности либо при потере охлаждающей воды, либо при подаче воды в топливные каналы в аварийных ситуациях.

Для иллюстрации на рис. 8.9 приведена зависимость коэффициента размножения ячейки РБМК-1000 с ТВС обогащением 2,0% от шага решетки с водой и без воды в топливных каналах.

Рис. 8.9. Зависимость k¥ от шага решетки для ячейки РБМК-1000 с обогащением 2,0% (холодное свежее топливо)

Представленные на рис. 8.9 данные свидетельствуют о том, что зависимость k¥ в ячейке с водой от шага решетки в диапазоне шагов 20 –25 см достаточно слабая, в то время как в решетке без воды эта зависимость, напротив, весьма сильна. При этом примечательно, что точка пересечения двух кривых (нулевой эффект обезвоживания) соответствует шагу ~ 22 см. Тем самым, можно говорить о том, что выбранный шаг решетки реакторов РБМК-1000 не является оптимальным с точки зрения эффекта обезвоживания. Это обстоятельство и послужило причиной выбора уменьшенного примерно на 20% содержания графита в кладке реактора 5-го блока Курской АЭС, что выразилось в технологически наиболее приемлемом решении об обрезании углов графитовых блоков.

8.8. Размножающие свойства решетки каналов РБМК-1000

Выбор обогащения топлива для реактора РБМК-1000 определяется его размножающими и поглощающими свойствами, характеризующими баланс нейтронов в реакторе с учетом неизбежных потерь на выгорание, отравление, утечку и т. п. Как правило, эти характеристики для выбранной конструкции ТВС определяются на основе т. н. ячеечных расчетов, т. е. расчетов отдельной графитовой ячейки с ТВС. Для таких расчетов используются современные прецизионные коды, основанные на недиффузионных приближениях, включая непосредственное численное моделирование методом Монте-Карло. Для примера, в табл. 8.3 приведены значения коэффициентов размножения для свежего (невыгоревшего) топлива в ячейке РБМК-1000 с топливом обогащения 2,0, 2,4, а также для уранэрбиевого топлива с обогащением 2,6% с содержанием эрбия 0,41%. Данные приведены для холодной ячейки с водой и без воды в технологическом канале.

Таблица 8.3.

Значения коэффициентов размножения в ячейках со свежим холодным топливом различного обогащения

Обогащение	2,0%	2,4%	2,6% (Er)
С водой в ячейке	1,29003	1,34743	1,25105
Без воды в ячейке	1,33915	1,38780	1,26816

Как следует из табл. 8.3, коэффициент размножения в ячейке РБМК-1000 со свежим топливом составляет k¥ ~ 1,3, несколько увеличиваясь с ростом обогащения (при переходе от обогащения 2,0 к 2,4%). При этом полный эффект обезвоживания в ячейке положителен и несколько уменьшается по мере роста обогащения и изменяется от ~5% до ~ 1,5 % для уран-эрбиевого топлива.

Размножающие свойства топливных каналов РБМК-1000 зависят от температуры топлива, замедлителя (графита) и теплоносителя (воды или пароводяной смеси) и уменьшаются по мере выгорания топлива за счет поглощения накапливаемыми в топливе продуктами деления. На рис.8.10 представлены зависимости коэффициентов размножения от выгорания для рабочих температур для тех же трех типов топлива.

Рис.8.10. Зависимость коэффициента размножения ячейки от выгорания топлива для различного начального обогащения

На рис. 8.11 приведены зависимости эффекта полного обезвоживания в ячейке реактора от выгорания для этих же 3-х видов топлива. Эти результаты свидетельствуют, что в ячейке РБМК-1000 по мере выгорания топлива эффект обезвоживания растет, при этом рост уменьшается с увеличением начального обогащения топлива.

Рис.8.11. Эффект обезвоживания ячейки с выгоревшим горячим топливом различного обогащения

8.8.1. Длина миграции в решетке РБМК-1000

Эффективный коэффициент размножения однородного гетерогенного реактора можно представить в виде

, (8.1)

где В2 - геометрический параметр реактора, определяемый его размерами, величину М2 будем называть квадратом длины миграции; Rпогл - интегральная по спектру и объему активной зоны скорость поглощения нейтронов, Rут- интегральная по спектру и поверхности скорость утечки нейтронов. Если определить вероятность нейтрону избежать утечки P, определенную выражением (8.1), записать в виде

Р = (1+ Rут/Rпогл)-1, (8.2)

то численное значение произведения В2М2 для критического реактора (kэфф =1) равно доли утечки в полном балансе реактора. Весьма важно, что нужно четко сформулировать критерии определения длины миграции, для учета утечки нейтронов в реакторе РБМК-1000.

Длина миграции в размножающей среде определяется из выражения

, (8.3)

где: t - квадрат длины замедления или возраст нейтронов; L2 - квадрат длины диффузии, характеризующей миграцию нейтронов в тепловой области от рождения до поглощения. При этом предполагалось, что квадрат длины замедления в реакторе можно приближенно считать равным значению длины замедления для графита (~350 см2), а диффузия в тепловой области учитывает поглощение в топливе реактора. При таком определении площади миграции нейтронов в ячейке РБМК-1000 с водой и без воды оказывались близкими между собой и равными ~500 см2.

Уточненная формула для площади миграции, определенная формулой (8/3), имеет вид

, (8.4)

где j - вероятность избежать резонансного захвата при замедлении, а -коэффициент, учитывающий размножение нейтронов при замедлении, существенно изменила представление о характере влияния длины миграции на важные для безопасности РБМК-1000 параметры. Действительно, даже беглого взгляда на выражение (8.4) достаточно, чтобы убедиться, что уточненное определение площади миграции существенно уменьшает значение площади миграции по сравнению с выражением (8.3). Более того, резко изменилось соотношение между длинами миграции в решетке с водой и при ее обезвоживании. Например, для холодного состояния со свежим топливом 2%-го обогащения эти значения составляют ~350 см2 и ~460 см2, соответственно.

Оценим утечку нейтронов в реакторе РБМК-1000. Для реактора высотой Н~7 м и радиусом активной зоны R~7 м с площадью миграции М2~350см2 и с эффективной добавкой отражателя d~30 см утечка равна

, (8.5)

здесь B2 –геометрический параметр реактора.

Таким образом, утечка нейтронов из реактора составляет ~1,5%.

Реактивность реактора зависит от многих параметров, характеризующих состояние реактора, таких, например, как выгорание топлива, температура, отравление, утечка нейтронов и пр. Влияние какого-либо параметра (x) на реактивность характеризует термин “эффект реактивности” (rk), который означает изменение реактивности в результате изменения параметра (на величину Dx). Эффект реактивности представляет собой интегральную величину и определяется как

. (8.6)

Эффект реактивности носит название того параметра, которым обусловлено изменение реактивности например, мощностной эффект реактивности, температурный, барометрический, паровой и др. Обычно эффект реактивности измеряется в долях kэф или единицах bэф.

Наряду с интегральной характеристикой, определяемой выражением (8.6), можно ввести дифференциальную характеристику – коэффициент реактивности aх по параметру х, определив его как коэффициент пропорциональности между изменением реактивности dr, обусловленной изменением параметра х на величину dх, т. е.

. (8.7)

где

. (8.8)

При таком определении коэффициент реактивности является производной от реактивности как функции параметра х. Графически коэффициент реактивности определяется касательной к кривой, описывающей зависимость реактивности r от параметра х. При малых приращениях х, а также линейной зависимости реактивности от х коэффициент реактивности (8.8) можно представить в виде:

. (8.9)

Такая упрощенная формулировка коэффициента реактивности является наиболее употребительной в реакторной эксплуатационной практике, учитывая достаточно гладкие зависимости реактивности от большинства вызывающих ее изменение параметров. Тем не менее, следует иметь в виду, что при больших изменениях параметров, а также при более сложном характере изменения реактивности использование выражения (8.9) для оценки реактивности или коэффициента реактивности может приводить к заметным погрешностям.

Если при увеличении параметра х вводится положительная реактивность, то aх является положительным, если отрицательная, то aх отрицателен.

Эффект реактивности r можно оценить (при тех же предположениях, что использовались в уравнении (8.9)), умножив коэффициент реактивности aх на величину изменения параметра Dх

rч = aх Dх (8.10)

Для того чтобы оценить роль длины миграции в физике РБМК-1000, рассмотрим наглядный пример. Как известно, на проектной стадии оценка эффекта обезвоживания в реакторе РБМК-1000 основывалась на результатах экспериментов на однородных критических сборках с каналами РБМК-1000. Оценим эффект обезвоживания в такой сборке. Для определенности рассмотрим экспериментальную сборку без отражателя, состоящую из 16 каналов (4 х 4). При оценке эффекта обезвоживания таких однородных сборок, состоящих из кассет РБМК-1000 со свежим топливом, можно воспользоваться выражением (8.1), которое после несложных преобразований приводится к виду

. (8.11)

Как следует из этого выражения, полный эффект обезвоживания складывается из двух составляющих: изменений, связанных с размножающими свойствами бесконечной решетки и с утечкой из системы, определяемой изменением площади миграции при обезвоживании и превышением k¥ над единицей.

В табл. 8.4 приведены данные расчета двух состояний (с водой и без воды в канале) для холодного свежего топлива.

Таблица 8.4

Параметры однородной ячейки РБМК с обогащением

Наличие воды		М2, см2
Есть	1,290	350
Нет	1,339	460

Используя данные табл.8.4, получим оценку реактивности, вызванной обезвоживанием топливных каналов

= 0,038- 0,070 = -0,032= - 3,2%

Из этой оценки следует, что эффект обезвоживания однородной решетки 4´4 со свежим топливом является сильно отрицательным. Отметим, что полученный результат коррелирует с результатом измерений на критическом стенде РБМК в РНЦ "Курчатовский институт" эффекта полного обезвоживания однородной сборки с макетными ТВС РБМК-1000 с обогащением 2%, равным -3,1%. Последнее обстоятельство послужило на проектной стадии поводом для вывода об отрицательности эффекта обезвоживания контура КМПЦ реактора РБМК-1000. Для оценки безопасности этот же результат был заложен в программы расчета энергоблоков РБМК-1000 на ранней стадии их эксплуатации. При этом, в проектных расчетах использовалась зависимость эффекта реактивности от плотности пароводяной смеси вида, изображенного на Рис.8.12 (кривая "а"). Детальные же расчеты, проведенные с помощью прецизионных программ непосредственно после чернобыльских событий для реальной конфигурации активной зоны, показали, что эта зависимость для реактора РБМК-1000 чернобыльского типа носила совершенно иной характер (кривая "б").[1]

Рис. 8.12. Зависимость реактивности от плотности воды (пароводяной смеси) в реакторе РБМК-1000

Причины различной трактовки эффекта опорожнения контура КМПЦ заключается в недооценке роли утечки. Действительно, анализируя формулу (8.11), можно сделать вывод о вкладе отдельных составляющих в суммарный эффект реактивности. Коэффициент размножения, определяемый размножающими и поглощающими свойствами топлива, при обезвоживании увеличился на ~4,9%. Однако, влияние утечки на свежем топливе с избытком скомпенсировало увеличение, в результате чего суммарный эффект оказался сильно отрицательным (~ -4,0 %). Следует отметить, что значительный стабилизирующий эффект утечки связан, с одной стороны, уточнением значения площади миграции для ячейки с водой, как было отмечено выше, а, с другой, большим значением ( k¥-1 ~0,3) для свежего топлива.