Основы теории ядерных реакторов (стр. 53 )

А теперь посмотрим, как обстоит дело с выполнением второго признака устойчивости, а именно – с возвращением реактора на первоначальный уровень мощности после снятия величины положительного возмущения r*.

Теперь, когда реактор критичен на мощности Np1 (то есть его реактивность равна нулю), снять положительную реактивность r* - это то же самое, что сообщить реактору отрицательную реактивность такой же величины. И вряд ли стоит рисовать систему графиков, подобную изображённым на рис.10.2, чтобы сообразить, что все переходные процессы изменений реактивности, мощности и средней температуры будут происходить в обратной последовательности. Сообщение первоначально критичному на мощности Np1 отрицательной реактивности (-r*) делает реактор подкритическим, в результате чего он начинает снижать нейтронную и тепловую мощность. Снижение мощности при постоянном расходе теплоносителя приведёт к уменьшению средней температуры теплоносителя, что, в свою очередь, приведёт к температурному высвобождению положительной реактивности, которая, алгебраически складываясь с отрицательной реактивностью (-r*), приводит к всё большему и большему уменьшению абсолютной величины суммарной реактивности rS, которое неминуемо закончится тем, что последняя упадёт до нуля (при возрастании Drt до |-r*|), и это случится именно в тот момент, когда мощность реактора и средняя температура теплоносителя в нём снизятся до исходных значений (Np0 и tт0 соответственно).

Теперь вернёмся к условию устойчивости реактора. Для приведенных рассуждений была взята кривая ТЭР реального реактора III типа, но с таким же успехом можно было бы взять кривую ТЭР I или II типа. Для кривых ТЭР всех трёх типов характерным является то, что все они имеют в зоне рабочих средних температур теплоносителя убывающий характер.

А если бы было по-иному? Если бы кривая ТЭР имела в этой зоне восходящий вид?

-  При сообщении первоначально критическому реактору положительного возмущения r* реактор, становясь надкритическим, увеличивает мощность и среднюю температуру теплоносителя. С ростом температуры при возрастающем характере кривой ТЭР начинает высвобождаться температурная положительная реактивность Drt, которая, добавляясь к величине r*, увеличивает суммарную величину воздействующей на реактор положительной реактивности. Реактор начинает увеличивать мощность и среднюю температуру всё более и более возрастающим темпом, что приведёт к ещё большему темпу высвобождения положительной температурной реактивности, а последняя – к ещё большему темпу роста мощности и средней температуры… Чем это может без вмешательства человека закончиться – нетрудно себе представить: активная зона от перегрева твэлов будет разрушена. Реактор с такой кривой ТЭР, конечно же, не будет устойчивым. Приводя три характерных для энергетических ВВР кривых ТЭР, мы не делали замечаний о том, что кривая ТЭР принципиально может иметь и чисто восходящий характер. Потому, что, как теперь должно быть ясно, реактор с такой температурной характеристикой попросту не имеет право на существование.

Следовательно:

Условием устойчивости энергетического реактора является падающий характер кривой ТЭР в зоне рабочих средних температур или (выражаясь более профессионально) – отрицательность величины ТКР в этой зоне.

Конечно, обеспечить отрицательность и оптимальную величину ТКР реактора в течение всей кампании – задача конструкторов-расчётчиков активной зоны. Удел эксплуатационников – следить в течение всей кампании за тем, чтобы величина отрицательного ТКР не вышла за определённые пределы. Потому, что даже отрицательность величины ТКР в зоне рабочих средних температур не даёт гарантий обеспечения практической устойчивости работы реактора, которая определяется не только знаком ТКР (отрицательность ТКР – это только необходимое условие устойчивости), но и его абсолютной величиной.

Величина ТКР не может быть слишком малой. Какой смысл говорить о принципиальной устойчивости реактора, который при умеренном положительном возмущении r* = 0.15% прекратит увеличение мощности лишь тогда, когда она достигнет 200% от номинальной, а средняя температура теплоносителя вырастет выше 350оС? Такой реактор без внешнего вмешательства в его работу (со стороны оператора или системы автоматического регулирования мощности – безразлично) опасен почти так же, как и реактор с положительным температурным коэффициентом реактивности. Поэтому малый по абсолютной величине отрицательный ТКР явно недостаточен для обеспечения практической устойчивости реактора.

Предположим далее, что удалось создать реактор с очень большим по абсолютной величине отрицательным ТКР в зоне рабочих температур. В этом случае увеличение средней температуры даже на 2 – 3 оС сопряжено с появлением большой температурной отрицательной реактивности, а, значит, даже для небольшого повышения мощности реактора потребуется затрачивать для компенсации этих потерь реактивности большие величины оперативного запаса реактивности реактора. Значит, и большой отрицательный ТКР – не хороший фактор, сковывающий маневренные свойства реактора. Но и это ещё – полбеды: в определённых условиях большой отрицательный ТКР может стать источником ядерной опасности. Достаточно представить себе ситуацию, связанную с резким охлаждением активной зоны (например, за счёт «заброса» в реактор относительно холодного теплоносителя): в результате резкого (даже небольшого по величине) падения средней температуры в активной зоне в этом случае будет практически без запаздывания высвобождена большая величина положительной реактивности, причём в течение столь малого промежутка времени, что введением подвижных поглотителей в активную зону скомпенсировать эту реактивность можно, попросту говоря, не успеть.

Следовательно, абсолютная величина отрицательного ТКР в зоне рабочих температур должна быть не малой и не большой, она должна быть оптимальной для данного типа реактора с учётом оперативных возможностей его органов СУЗ, требующейся для практики использования РУ маневренности, располагаемого оперативного запаса реактивности и некоторых других факторов.

Ещё раз подчеркнём то, о чём не имеет права забывать оператор РУ: обеспеченный в начале кампании отрицательный ТКР изменяет свою величину в процессе кампании. Значит, для того, чтобы пользоваться в расчётах достоверными данными, необходимо с должной регулярностью проводить физические измерения и уточнять температурные характеристики реактора.

Наконец, несмотря на обеспеченный расчётчиками отрицательный ТКР, для того, чтобы не выйти за пределы устойчивости, следует ограничивать величины разовых введений положительных реактивностей. Реактор – не ванька-встанька, способный подняться в вертикальное положение после толчка любой силы; чем меньшие по величине толчки положительных реактивностей он испытывает, тем лучше для него во всех отношениях. И, в первую очередь, - в отношении устойчивости его работы.

10.3. Чем определяется форма кривой ТЭР реактора?

После сказанного относительно роли ТКР в обеспечении устойчивости работы реактора естественен вопрос: за счёт чего можно добиться отрицательного ТКР требуемой величины?

Температурные изменения реактивности реактора – это по существу изменения его эффективных размножающих свойств, измеряемых величиной эффективного коэффициента размножения, так как величина реактивности реактора

при очень близких к единице величинах kэ (что действительно в процессе реальной эксплуатации реакторов) – прямая функция от kэ (чем больше величина kэ, тем больше величина r); более того, в таких условиях функция r(kэ) – практически прямо пропорциональная (во сколько раз больше kэ – во столько же раз больше r).

Поэтому вопрос, будет ли функция ТЭР rt(t) с ростом температуры возрастать или убывать, равнозначен вопросу о том, будет ли возрастать или убывать при тех же температурных изменениях величина kэ. Иначе говоря, форма зависимостей rt(t) и kэ(t) – одинакова, и графики этих зависимостей имеют одинаковый качественный вид.

Величина эффективного коэффициента размножения, как известно, представляется в виде произведения шести сомножителей:

kэ = h e j q рз рт ,

температурная зависимость у каждого из которых – своя, а потому вклад каждого из них в общий эффект температурного изменения величины kэ (а, значит, и в общий ТЭР) неодинаков.

Возьмём, к примеру, коэффициент размножения на быстрых нейтронах (e). Его величина в тепловых энергетических реакторах «зажата» в очень узких пределах (от 1.03 до 1.05), и каков бы ни был характер температурных изменений e(t), она не выходит за рамки этих пределов. Наименьшее значение e (каким бы оно ни было) всегда будет соответствовать «холодному» реактору, наибольшее – разогретому до максимальной температуры теплоносителя из интервала рабочего диапазона. Значит, в диапазоне полного разогрева реактора относительное увеличение e не превысит 2%. На те же 2% возрастут и величины kэ и rt вследствие температурного возрастания e в этом диапазоне разогрева теплоносителя в реакторе. Поэтому температурным изменением e (по крайней мере, при анализе в первом приближении) можно пренебречь.

Или константа h для реактора в начале кампании. Ранее отмечалось (см. п.7.1), что величина константы h5 в реальном интервале изменений температур топлива изменяется в очень узких пределах, отличающихся лишь на несколько единиц в четвёртом знаке после десятичной запятой. Поэтому и температурным изменением h(t) в начале кампании в первом приближении также можно пренебречь.

Можно на подобных основаниях исключить из рассмотрения слабую температурную зависимость величины вероятности избежания утечки тепловых нейтронов рт(t), величина которой при наличии в реакторе отражателя эффективной толщины всегда (при любых температурах) выше 0.99, и, следовательно, при любых изменениях температур активной зоны её относительное изменение не превысит 1%.