1 Специфика контроля разгерметизации оболочек твэлов

Контроль разгерметизации осуществляется комплексно по нескольким основным направлениям:

1. Контроль неравномерности нейтронного потока в реакторе (неравномерности энерговыделения).

2. Контроль активности теплоносителя 1-го контура по различным изотопам.

3. Контроль за ведением вхр 1-го контура.

При этом необходимо выполнять допустимые режимы всех контролируемых параметров, поскольку отклонение от допустимых значений даже одного из этих пунктов может привести к необратимым последствиям (преждевременный останов энергоблока, авария, повреждение с последующим ремонтом активной зоны и т.д.).

2 Контроль неравномерности энерговыделения

Необходимость контроля за энерговыделением в активной зоне вызвана тем, что при номи­нальной мощности температура воды на поверхности оболочек твэла близка к кипению (на поверхности отдельных твэлов достигается местное поверхностное кипение). При возникно­вении объемного кипения (от уменьшения расхода воды или увеличения локальной мощно­сти твэла) произойдет уменьшение коэффициента теплоотдачи (кризис теплообмена) и быстрое значительное увеличение температуры оболочки от исходных 350°С.

Однако и при нормальной эксплуатации запас до кризиса теплоотдачи может значительно уменьшаться. При абсолютном соответствии всех параметров РУ проекту коэффициент запаса до кризиса теплообмена составляет по расчету 2.2 (т.е. проектный тепловой поток в 2.2 раза меньше критического потока). Увеличение мощности реактора на 4% (колебание в работе регулятора АРМ ±2%) увеличивает фактический тепловой поток через оболочки твэла. Происходят также колебания расхода теплоносителя через активную зону (из-за частоты тока в энергосистеме), давления пара в ПГ, положения органов СУЗ.

При наложении подобных допустимых колебаний параметров РУ в нормальной эксплуата­ции коэффициент запаса до кризиса теплообмена уменьшается до 1,72. При эксплуатации энергоблока производится плановое или вынужденное изменение мощности реактора пе­ремещением ОР СУЗ регулирующей группы и изменением концентрации борной кислоты. В результате этих маневров в активной зоне ВВЭР-1000 возбуждаются колебания локальной мощности из-за нестационарных процессов образования и распада ксенона.

При соблюдении требований инструкций и технологического регламента все-таки при ксеноновых колебаниях мощности коэффициент запаса до кризиса теплоотдачи уменьшается до 1,24. Этот коэффициент должен быть не менее 1,1 с учётом запаса на погрешность формул и расчетов.

В 64 тепловыделяющие сборки без ОР СУЗ при сборке ВКУ реактора выдвигаются из БЗТ в центральные трубки ТВС каналы нейтронные измерительные (КНИ). Каждый КНИ пред­ставляет собой герметичную трубку из нержавеющей стали (чехол) диаметром 8.1 мм с детекторами (датчиками) потока нейтронов. Каждый датчик представляет собой кусок про­волоки из родия диаметром 0.5 мм длиной 250 мм, заключенный в трубочку электроизоля­ции.

В датчике использован принцип прямого преобразования энергии потока нейтронов в элек­трический ток. При взаимодействии нейтронов с родием ¹⁰³Rh образуется изотоп ¹⁰⁴Rh, который затем распадается с испусканием бета-частиц. Материал и толщина изолирующей трубки на родиевой проволоке подобраны так, что бета-частицы пролетают сквозь нее и создают этим электрический ток, пропорциональный плотности потока нейтронов на этот датчик. Период полураспада родия (42 секунды) позволяет достаточно оперативно полу­чать информацию о распределении плотности потока нейтронов.

По высоте чехла КНИ расположены 7 датчиков (каждый длиной 250 мм, расстояние между их центрами 437,5 мм) и фоновый датчик. Фоновый датчик предназначен для компенсации дополнительных сигналов, связанных с взаимодействием излучения с конструкционными материалами датчика и линией связи, находящимися непосредственно в активной зоне ре­актора. Фоновый датчик выполнен аналогично линии связи основного датчика.

Каналы КНИ имеют герметичные выводы кабелей через специальные фланцы на крышке реактора. Срок службы КНИ составляет несколько кампаний, за это время показания дат­чиков уменьшаются на 15-25% из-за выгорания родия в потоке нейтронов. Поэтому для обработки показаний датчиков КНИ применен автономный вычислительный комплекс из ЭВМ со специальным программным обеспечением.

С помощью расчетных методов осуществляется пересчет токов ДПЗ в энерговыделение тех ТВС, в которых расположены датчики, и «восстановление» энерговыделения в ТВС, где датчики отсутствуют. При пересчете токов ДПЗ в энерговыделении присутствует априор­ная и расчетная информация.

Основным оперативным приемом обеспечения равномерного распределения энерговыде­лений по объему активной зоны является минимальное введение в активную зону механи­ческих органов СУЗ (не более 1/4 длины) при мощности реактора более 70%. При возникно­вении переходных режимов, вызывающих глубокое погружение группы ОР СУЗ в активную зону после стабилизации мощности, надо откорректировать в кратчайшее время (не более 1/2 часа) концентрацию борной кислоты в 1 контуре для восстановления нормального поло­жения ОР СУЗ. После продолжительного нахождения группы ОР СУЗ глубже 1/3 длины в активной зоне (более 1,5 часа) при восстановлении мощности и нормального положения ОР СУЗ в активной зоне возникают значительные аксиальные колебания мощности. В конце кампании эти колебания могут не затухать, а усиливаться.

Для контроля за осевыми ксеноновыми колебаниями мощности в программном обеспече­нии СВРК предусмотрено вычисление аксиального офсета (осевого отклонения) мощности верхней и нижней половин активной зоны от средней мощности. Величина офсета вычисля­ется как отношение разности мощностей нижней и верхней половин активной зоны к пол­ной мощности активной зоны. Нормальное значение аксиального офсета (АО) определяет­ся расчетами для каждого момента кампании.

Алгоритм подавления аксиальных колебаний мощности в активной зоне предписывает кон­тролировать степень неравномерности энерговыделений по величине аксиального офсета и по величине коэффициента неравномерности энерговыделения по объему активной зоны (сравнивая их с таблицей допустимых значений). На практике очень большое значение име­ет знание направления смещения максимума мощности по активной зоне. Наблюдение за офсетом и своевременное выявление тенденции его изменения позволяют заблаговремен­но принять очевидные меры регулирующей группой против этой тенденции.

Что будет, если один из ОР СУЗ самопроизвольно опустится до нижнего положения? Изме­рения и расчеты показывают, что мощность ТВС с упавшим в нее ОР СУЗ уменьшается в два раза, а в шести окружающих сборках - на 42%. Даже в следующем ряду окружения упавшего ОР СУЗ отмечалось уменьшение мощности на несколько процентов. Если под­держивать номинальную суммарную мощность реактора, то мощность ТВС вдали от упав­шего ОР СУЗ может быть увеличена в среднем на 4-5%. Для избежания превышения допустимой мощности в отдельных ТВС в описанных случаях необходимо общую мощность реактора поддерживать не более 90% И_ном

Для измерения распределения энерговыделения по объёму активной зоны используются детекторы прямой зарядки (ДПЗ) с эмиттером из родия. По сравнению с дру­гими типами нейтронно-чувствительных детекторов ДПЗ обладают следующими преиму­ществами:

• малые габариты позволяют разместить в реакторе большое количество детекторов, необходимое для получения детальной картины распределения энерговыделения по объёму активной зоны;

• ДПЗ не требуют внешнего источника питания, имеют достаточно высокую надёжность, их чувствительность мало меняется в процессе эксплуатации, и эти изменения можно скорректировать расчётным путём;

• ДПЗ просты по конструкции, технологичны при изготовлении, имеют хорошую воспроизводимость параметров (разброс чувствительности не более 1%).

Наряду с этим ДПЗ присущи и некоторые недостатки:

• небольшой выходной сигнал - в реак­торах ВВЭР-1000 на номинальной мощности их выходной ток составляет единицы микроам­пер;

• сравнительно большая постоянная времени (порядка 1 минуты);

• зависимость чувстви­тельности ДПЗ от различных параметров, характеризующих состояние активной зоны (вы­горание, обогащение ближайших твэлов, концентрация борной кислоты, температура теп­лоносителя и т.д.), и от выгорания эмиттера ДПЗ.

В 64 тепловыделяющие сборки без ОР СУЗ при сборке ВКУ реактора выдвигаются из БЗТ в центральные трубки ТВС каналы нейтронного измерения (КНИ). Каждый КНИ представля­ет собой герметичную трубку из нержавеющей стали (чехол) диаметром 7.5±0.15 мм с де­текторами (датчиками) потока нейтронов. Каждый датчик представляет собой кусок прово­локи из родия диаметром 0.5 мм длиной 250 мм, заключенный в трубочку электроизоляции.

В датчике использован принцип прямого преобразования энергии потока нейтронов в элек­трический ток. При взаимодействии нейтронов с родием ¹⁰³Rh образуется изотоп ¹⁰⁴Rh,который затем распадается с испусканием бета-частиц. Материал и толщина изолирующей трубки на родиевой проволоке подобраны так, что бета-частицы пролетают сквозь нее и создают этим электрический ток, пропорциональный плотности потока нейтронов на этот датчик. Период полураспада родия (44 секунды) позволяет достаточно оперативно полу­чать информацию о распределении плотности потока нейтронов. По кабелю выходной сиг­нал ДПЗ выводится за пределы реактора.

Этот активационный компонент составляет основную часть (до 90%) выходного сигнала ДПЗ. Он имеет две основные составляющие, соответствующие периодам полураспада, при­ведённым в формулах.

Кроме того, часть выходного сигнала ДПЗ обусловлена электронами, образующимися на эмиттере под воздействием гамма-излучения в результате фотоэффекта и комптон-эффекта. Мгновенный компонент, вызванный гамма-квантами, составляет 7-8% активационной составляющей. Существенно, что этот компонент практически безынерционен.

Третья составляющая сигнала ДПЗ обусловлена током, образующимся в линии связи при воздействии на неё внутриреакторных излучений. Этот так называемый фоновый компо­нент пропорционален длине линии связи, находящейся в активной зоне. Её доля может до­ходить до 10% общего выходного сигнала. Чтобы скомпенсировать её влияние, в кабеле предусмотрена фоновая жила, вырабатывающая фоновый ток, который в измерительной аппаратуре должен быть вычтен из тока основной жилы.

По высоте чехла КНИ расположены 7 датчиков (каждый длиной 250 мм, расстояние между их центрами 437.5 мм) и фоновый датчик. Фоновый датчик выполнен аналогично линии свя­зи основного датчика.

Каналы КНИ имеют герметичные выводы кабелей через специальные фланцы на крышке реактора. Срок службы КНИ составляет несколько кампаний (до четырёх), за это время показания датчиков уменьшаются на 15-25% из-за выгорания родия в потоке нейтронов. Поэтому для обработки показаний датчиков КНИ применен автономный вычислительный комплекс из ЭВМ со специальным программным обеспечением.

С помощью расчетных методов осуществляется пересчет токов ДПЗ в энерговыделение тех ТВС, в которых расположены датчики, и «восстановление» энерговыделения в ТВС, где датчики отсутствуют.

Результирующая погрешность определения линейного энерговыделения с помощью родие­вого ДПЗ складывается из следующих основных составляющих: погрешности определения коэффициента перехода от сигнала эмиттера к энерговыделению (4%); неидентичности чувствительности ДПЗ (1%); погрешности учёта фонового тока линии связи (до 2%); по­грешности термотоков (1%); погрешности измерения сигнала ДПЗ (1%). Среднеквадратич­ная погрешность составляет примерно 5%.