Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Белозеров В.И., Жук М.М., Кузина Ю.А., Терновых М.Ю. Физика и эксплуатационные режимы реактора ВВЭР-1000

.pdf
Скачиваний:
327
Добавлен:
27.12.2020
Размер:
7.87 Mб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

ОБНИНСКИЙ ИНСТИТУТ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

В. И. Белозеров, М. М. Жук, Ю. А. Кузина, М. Ю. Терновых

ФИЗИКА И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ

РЕЖИМЫ РЕАКТОРА ВВЭР-1000

Монография

Москва 2014

УДК 539.1+621.039.5 ББК 22.383 Б43

Белозеров В.И., Жук М.М., Кузина Ю.А., Терновых М.Ю. Физика и эксплуатационные режимы реактора ВВЭР-1000: Монография. М.:

НИЯУ МИФИ, 2014. – 288 с.

Изложены теоретические основы физики водо-водяных реакторов, основные аспекты их проектирования и эксплуатации, характеристики топливных загрузок. Подробно описаны эксплуатационные вопросы по физике ВВЭР-1000. Основу монографии составляют материалы, в которых рассмотрены аспекты, связанные с безопасностью объектов использования атомной энергии и эксплуатацией ВВЭР.

В монографию вошли сведения из руководящего документа «Номенклатура эксплуатационных нейтронно-физических расчетов и экспериментов для топливных загрузок ВВЭР-1000» РД95.027.02-96.

Книга предназначена для научных работников, аспирантов, магистрантов, бакалавров, студентов по направлениям подготовки «Атомные станции: проектирование, эксплуатация и инжиниринг», «Ядерные реакторы и материалы», а также для инженерно-технического персонала АЭС, инженеров и научных сотрудников проектных и научно-исследовательских институтов, ведущих разработки в области развития и использования атомной энергии.

Монография подготовлена в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ.

Рецензенты: д-р физ.-мат. наук Р.С. Макин,

д-р техн. наук В.А. Красноселов.

ISBN 978-5-7262-2016-1

Национальный исследовательский

 

ядерный университет «МИФИ», 2014

Содержание

Перечень используемых сокращений .........................................................

6

Введение...................................................................................................

9

1. Основы ядерной физики....................................................................

10

1.1. Вещество и электричество ..........................................................

10

1.2. Вероятность и спектр...................................................................

12

1.3. Электромагнитное излучение.....................................................

16

1.4. Строение атома.............................................................................

21

1.5. Атомные спектры.........................................................................

22

1.6. Основы квантовой механики ......................................................

24

1.7. Квантовые состояния электронов в атоме.................................

26

1.8. Соотношения неопределенностей..............................................

30

1.9. Энергия связи ядра.......................................................................

31

1.10. Ядерные силы. Стабильность ядра...........................................

34

1.11. Закон радиоактивного распада .................................................

37

1.12. Альфа-распад..............................................................................

40

1.13. Бета-распад.................................................................................

43

1.14. Пробег тяжелых заряженных частиц в веществе....................

45

1.15. Взаимодействие бета-частиц с веществом...............................

47

1.16. Взаимодействие электромагнитного излучения

 

с веществом ................................................................................

49

1.17. Законы сохранения энергии и импульса в ядерных

 

реакциях......................................................................................

55

1.18. Составное ядро...........................................................................

57

1.19. Эффективное сечение и выход ядерной реакции ..................

59

1.20. Трансурановые элементы..........................................................

63

2. Нейтронная физика............................................................................

66

2.1. Свойства нейтронов.....................................................................

66

2.2. Источники нейтронов ................................................................

66

2.3. Ядерные реакции под действием нейтронов ...........................

69

2.4. Диффузия нейтронов...................................................................

73

2.5. Замедление нейтронов ...............................................................

77

2.6. Тепловые нейтроны.....................................................................

82

3. Деление ядер ......................................................................................

85

3.1. Капельная модель ядра ..............................................................

85

3.2. Механизм деления ......................................................................

90

3.3. Цепная ядерная реакция..............................................................

99

3.4. Коэффициент размножения реактора ......................................

104

3.5. Критические параметры реактора без отражателя ................

112

4. Основы физики реактора.................................................................

114

4.1. Подкритическое состояние реактора.......................................

114

3

 

4.2. Критическое и надкритическое состояние реактора ............

119

5. Теплогидравлика..............................................................................

126

5.1. Тепловыделение и отвод тепла в реакторе.............................

126

5.2. Гидравлические характеристики ВВЭР-1000 ........................

130

6. Способы определения мощности ВВЭР-1000 и коэффициенты

 

неравномерности распределения энерговыделения.....................

139

6.1. Определение мощности по АКНП-7 ......................................

139

6.2. Определение мощности по КНИ ............................................

140

6.3. Определение мощности по 1-му контуру ..............................

140

6.4. Определение тепловой мощности по 2-му контуру...............

142

6.5. Определение тепловой мощности по ПВД.............................

143

6.6. Определение коэффициентов неравномерности

 

распределения энерговыделения..............................................

143

7. Топливо и реакторные материалы..................................................

147

7.1. Реакторные материалы ............................................................

147

7.2. Назначение и условия работы тепловыделяющего элемента

 

(твэл) ...........................................................................................

155

7.3. Конструкция и характеристики тепловыделяющего

 

элемента......................................................................................

157

7.4. Конструкция и характеристики тепловыделяющей сборки

 

(ТВС) ...............................................................................................

167

7.5. Конструкция ТВС-2 в исполнении с 15 ЦДР...........................

176

7.6. Конструкция ТВС-2 в исполнении с 12 ЦДР .........................

181

7.7. Маркировка ТВС ......................................................................

181

7.8. Характеристики комплекса кассет в ядерном реакторе .........

183

7.9. Трёхлетний цикл использования топлива................................

185

7.10. Современная теория надёжности твэлов ...............................

187

7.11. Влияние нестационарных режимов на термомеханические

 

процессы в твэлах ......................................................................

189

7.12. Переходные режимы эксплуатации........................................

191

7.13. Контроль и управление энерговыделением

 

в активной зоне .........................................................................

192

7.14. Контроль за герметичностью оболочек твэлов.....................

195

7.15. Распределение расхода теплоносителя в реакторе ...............

196

7.16. Проектные пределы повреждения твэлов при авариях........

198

7.17. Уран-гадолиниевое топливо....................................................

201

7.18. Мокс-топливо...........................................................................

203

7.19.Аварии и инциденты с повреждениями ядерного топлива...

207

8. Эксплуатационные вопросы по физике реактора.........................

219

8.1. Основные характеристики реактора ВВЭР-1000 ...................

219

8.2. Отравление реактора ксеноном ................................................

221

4

 

8.3. Отравление реактора самарием ................................................

225

8.4. Изменение концентрации борной кислоты при

 

водообмене....................................................................................

228

8.5. Обеспечение отвода тепла после останова реактора..............

230

8.6. Основные реакции регистрации нейтронов.............................

232

8.7. Эффективность ОР СУЗ............................................................

233

8.8. Коэффициенты и эффекты реактивности................................

237

8.9. Расчёт максимально допустимой мощности твэла.................

242

8.10. Кризис теплообмена и условия его возникновения..............

245

8.11. Кризис в большом объеме.......................................................

245

8.12. Механизмы кризиса в круглых трубах...................................

246

8.13. Змеевиковые трубы и кольцевые каналы..............................

251

8.14. Кризис в пучках стержней.......................................................

253

8.15. Влияние различных факторов на кризис................................

254

8.16. Первичные измерительные датчики.......................................

258

8.17. Нейтронно-физические программы, используемые

 

на АЭС ......................................................................................

268

8.18. Пэльный эффект.......................................................................

279

8.19. Эксплуатация топлива ............................................................

281

8.20. Работа на мощностном эффекте и выбор группы УРБ.........

282

8.21. Расчёт критической концентрации борной кислоты.............

283

8.22. Измерение нейтронно-физических характеристик

 

при пуске реактора....................................................................

284

Список использованной литературы.................................................

287

5

 

Перечень используемых сокращений

а.з.

активная зона

АЗ

аварийная защита

АКНП

аппаратура контроля нейтронного потока

АО

аксиальный офсет

АР

автоматическое регулирование

АРМ

автоматический регулятор мощности

АС

атомная станция

АЭП

Атомэнергопроект

АЭС

атомная электрическая станция

БалАЭС

Балаковская АЭС

БЗТ

блок защитных труб

БПУ

блочный пункт управления

ВВЭР

водо-водяной энергетический реактор

ВГР

водо-графитовый реактор

ВК

вычислительный комплекс

ВКУ

внутрикорпусные устройства

ВМПО

внешнее математическое программное обеспечение

ВНИИНМ

Всероссийский научно-исследовательский институт

 

неорганических материалов

ВРК

внутриреакторный контроль

ВТИ

Всероссийский технологический институт

ГГР

газо-графитовые реакторы

ГПД

газовые продукты деления

ГЦК

главный циркуляционный контур

ГЦН

главный циркуляционный насос

ДПЗ

детектор прямого заряда

ДР

дистанционирующая решётка

ИК

ионизационная камера

КГС

коэффициент гидравлического сопротивления

КИП

контрольно-измерительные приборы

КМПЦ

контур многократной принудительной циркуляции

КНИ

канал нейтронный измерительный

КНИТ

канал нейтронный измерительный температурный

МКУ

минимальный контролируемый уровень

МПА

максимальная проектная авария

НИИАР

Научно-исследовательский институт атомных реакторов

НИЦ

Национальный исследовательский центр

НК

направляющий канал

 

6

НТД

нормативно-техническая документация

НУЭ

нормальные условия эксплуатации

НФХ

нейтронно-физические характеристики

ОКБ

опытное конструкторское бюро

ОР СУЗ

орган регулирования СУЗ

ОЯБ

отдел ядерной безопасности

ПБЯ

правила ядерной безопасности

ПВД

подогреватель высокого давления

ПГ

парогенератор

ПНР

пуско-наладочные работы

ППР

плановый предупредительный ремонт

ПС

поглощающий стержень

ПЭЛ

поглощающий элемент

РБГ

радиоактивные благородные газы

РБК

раствор борной кислоты

РБМК

реактор большой мощности канальный

РД

руководящий документ

РОМ

регулятор-ограничитель мощности

РТР

рабочий технологический регламент

РУ

реакторная установка

РЦ

реакторный цех

САОЗ

система аварийного охлаждения зоны

СВО

система водоочистки

СВП

стержень выгорающего поглотителя

СВРК

система внутриреакторного контроля

СУЗ

система управления и защиты

ТВС

тепловыделяющая сборка

ТДР

таблица допустимых режимов

ТКР

температурный коэффициент реактивности

ТК

термоконтроль

ТК-13

транспортный контейнер для отработавшего топлива

ТП

термопара

ТС

термометр сопротивления

УВС

управляющая вычислительная система

УГТ

уран-гадолиниевое топливо

УНО

устройство накопления и обработки

УПТ

уран-плутониевое топливо

УРБ

ускоренная разгрузка блока

УТВС

усовершенствованная тепловыделяющая сборка

ЦДР

циркониевая дистанционирующая решётка

 

7

ЦНК

циркониевый направляющий канал

ЧАЭС

Чернобыльская атомная электростанция

ШЭМ

шаговый электромагнит

ЭВМ

электронно-вычислительная машина

ЭТВС

экспериментальная ТВС

ЯР

ядерный реактор

ЯФЛ

ядерно-физическая лаборатория

ЯЭУ

ядерная энергетическая установка

 

_____

8

ВВЕДЕНИЕ

Ядерная энергетика – одна из самых молодых отраслей энергетической промышленности. Развитие современной ядерной энергетики в России базируется на двух основных типах ядерных реакторов: канальных с графитовым замедлителем в одноконтурных установках и водо-водяных корпусных реакторах в двухконтурных установках. В настоящее время получили распространение водоводяные реакторы (ВВЭР) с тепловой мощностью 3000 МВт. Преимуществами этих реакторов (по сравнению с канальными) являются их большая компактность, наличие гермооболочки, простые коммуникации, более надежные условия управления работой реактора.

Техническая и экономическая концепция сооружения крупных энергетических блоков мощностью порядка 1000 МВт оправдывается, в первую очередь, там, где создана крупная энергетическая система, способная применять мощные атомные (и не только атомные) электростанции. Такая замкнутая в кольцо энергетическая система действует в России. Кроме того, масштаб электроэнергетики и общие установленные мощности в стране настолько велики, что будущее ядерной энергетики без реакторов такой мощности трудно представить.

Реакторы ВВЭР по хронологии их пуска и техническим показателям условно можно подразделить на три поколения: опытнопромышленные реакторы ВВЭР-210 и ВВЭР-365; серийный реактор средней мощности ВВЭР-440 и серийный реактор большой мощности ВВЭР-1000 (проект В-320).

Сейчас большое внимание уделяется подготовке персонала для эксплуатации АЭС, при которой персонал сталкивается с определёнными трудностями поиска материалов в многочисленных книгах по физике реакторов. Необходимо отметить, что в общедоступных книгах недостаточно рассмотрены вопросы теплогидравлики ВВЭР-1000, а также практически не рассмотрены вопросы по современным видам топлива ВВЭР-1000. В этой книге предпринята попытка обобщить сведения из различных источников по физике, теплогидравлике и топливу, чтобы облегчить подготовку оперативного персонала и персонала вспомогательных подразделений атомной станции.

9

1.ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

1.1.Вещество и электричество

Вещество является формой природы, материального мира. У каждого вещества есть мельчайшая частица (атом, молекула), обладающая всеми его химическими свойствами. Молекула простых веществ состоит из одного или нескольких одинаковых атомов, молекула сложных веществ – из атомов различных химических элементов [1].

Атомы химического элемента различаются массой. Их называют изотопами химического элемента. У природного углерода есть два изотопа. За атомную единицу массы (а.е.м.) принята 1/12 часть массы более легкого изотопа углерода.

Атомная масса элемента (табл. 1.1) равна среднему значению атомных масс изотопов элемента. Так, атомная масса бора, состоя-

щего из изотопов с А = 10,0129 (18,8 %) и А = 11,0093 (81,2 %),

равна 10,8220. Масса атома (молекулы) в атомных единицах массы численно равна атомной (молекулярной) массе. Например, масса атома гелия равна 4,002 а.е.м., кислорода – 15,9994 а.е.м.

 

 

Атомные массы элементов

Таблица 1.1

 

 

 

 

 

Символ

 

 

 

Атомная

 

Элемент

Атомная

Элемент

Символ

 

 

 

масса

 

 

масса

 

Водород

H

1,00797

Натрий

Na

22,9898

 

Гелий

He

4,0026

Железо

Fe

55,847

 

Литий

Li

6,9390

Никель

Ni

58,71

 

Бор

B

10,8220

Индий

In

114,82

 

Углерод

C

12,01115

Торий

Th

232,038

 

Кислород

O

15,9994

Уран

U

238,03

 

В молекулярной физике, химии и других областях науки для однородных веществ, то есть веществ, состоящих из частиц с одинаковыми свойствами, введена внесистемная единица массы: кило- грамм-моль (кмоль). Она равна количеству однородного вещества в

10