Крючков В.П. Физика реакторов для персонала АЭС с ВВЭР и РБМК

Вопросы к разделу: Нестационарное отравление самарием.

1.Чем отличается изменение концентрации Sm в процессе первого и повторного пуска?

2.Как влияет на подкритичность прометиевый провал?

18.3. Надежная система теплоотвода от твэлов

При нормальной эксплуатации теплоотвод от твэлов обеспечивается циркуляцией теплоносителя в КМПЦ при помощи ГЦН. Вода, уносимая в виде пара на турбину, возвращается в КМПЦ в виде питательной воды. Распределение расхода воды по каналам в соответствии с мощностью в ТК (профилирование расходов) обеспечивает теплосъем с твэлов и надежную работу ТВС в течение всего срока службы. Для этого каждый ТК в соответствии с его мощностью, которая, прежде всего, зависит от энерговыработки ТВС, переводится в определенную зону с заданными диапазонами расходов (СРВ-ПРВ). Всего таких зон семь. По мере выгорания ТВС, производится перевод ТК в зону с меньшими расходами.

Важным элементом системы регулирования расхода через ТК, с точки зрения исключения разрушения ТВС при осуществлении теплосъема, является стопорная планка. Она исключает ошибочное закрытие ЗРК полностью. Расход, устанавливающийся при закрытии ЗРК ТК с ТВС до стопорной планки (3 мм), составляет 12 13 м3/час. При этом в канале с максимальной мощностью (3 мВт) возникает кризис теплосъема, и оболочки твэлов наружного ряда разогреются до 4650С. При таком температурном режиме обеспечивается герметичность твэлов. Тем не менее, при выпадении сигнала СРВ, а затем сигнала Кз 1 необходимо немедленно открыть ЗРК и восстановить требуемый расход теплоносителя. Поэтому с момента вывода реактора на МКУ запрещается снимать стопорные планки – это является условием безопасной эксплуатации.

Для надежного охлаждения активной зоны при авариях с разгерметизацией КМПЦ предусмотрена система аварийного охлаждения реактора (САОР), которая обеспечивает теплосъем с твэлов при всех проектных авариях, включая аварии с разрывами напорных коллекторов, приводящих к наихудшим последствиям, и исключает повреждение твэлов сверх проектных пределов.

Поддержание САОР в режиме готовности является важным элементом обеспечения безопасности, поэтому работоспособность элементов САОР регулярно проверяется. Тем самым, исключается разрушение топлива сверх установленных пределов за счет нарушения теплоотвода от твэлов.

Вопросы к разделу: Надежная система теплоотвода от твэлов

1.Каким образом осуществляется профилирование расходов в реакторе РБМК-1000?

2.Какие меры предусмотрены для предотвращения возникновения кризиса теплосъема?

18.4. Эффекты и коэффициенты реактивности реактора РБМК-1000. Влияние изменения параметров реактора на его реактивность

В реакторе РБМК-1000 при его эксплуатации, выделяют следующие эффекты и соответственно коэффициенты реактивности:

температурный;

мощностной;

паровой;

отравление Хе, Sm;

перегрузок, извлечения (погружения) стержней СУЗ;

171

обезвоживания КМПЦ, КОСУЗ.

Рассмотрим эти эффекты и коэффициенты реактивности подробнее.

18.4.1.Температурный эффект (коэффициент) реактивности

В связи с тем, что в различных состояниях активной зоны температура ее элементов изменяется по различному закону, то весь диапазон температур элементов активной зоны принято делить на части:

от 200 С до 2800 С;

выше 2800 С.

Вдиапазоне температур от 200 С до 2800 С разогрев реактора осуществляется за счет ГЦН. При этом принято считать, что температура всех элементов активной зоны изменяется одинаковым образом, в связи с чем вводится понятие коэффициента

изотермического разогрева - .

Его величина зависит как от времени работы реактора с момента физического пуска, так и от состава активной зоны при стационарном режиме работы (обогащение топлива, количество в активной зоне ДП, стержней СУЗ).

На рис. 18.12 приведена расчетная величина коэффициента изотермического разогрева в зависимости от времени работы реактора с момента физического пуска для реакторов РБМК-1000 вторых очередей. Для сведения приведены кривые изменения концентрации 235U и 239Рu, количества ДП в активной зоне.

Как следует из рис.14.12, характер изменения в переходном режиме определяется изменением состава топлива (выгорание урана-235 и накопление плутония) и уменьшением количества дополнительных поглотителей ДП).

Кроме этого, при работе реактора РБМК-1000 следует различать для двух состояний:

подкритическое состояние (все стержни СУЗ, кроме БАЗ, погружены);

при разогреве реактора в критическом состоянии.

Вподкритическом состоянии отрицательный (~ -1·10-5/0С). Этот коэффициент используется для оценки изменения подкритичности заглушенного реактора при изменении его температуры.

172

Например, измерения величины подкритичности реактора проводятся при температуре 60 ÷ 800С. Правила ядерной безопасности накладывают ограничения на величину подкритичности в состоянии с максимальным kэф . При отрицательном

значении состояние с максимальным kэф . принимается при температуре активной зоны

200С и величина подкритичности в этом состоянии будет меньше измеренной на величину температурного эффекта.

Пример:

Измеренная величина подкритичности при t = 800С составляет 5 , или

5 610 10-5 = 3050 10-5 = 3,05%.

При = -1 10-5 / 0С. Температурный эффект составит:

t = t =-1 10-5 (80 - 20) = - 60 10-5

Подкритичность в состоянии с максимальнымkэф . при t = 200С составит:

= 3050 10-5 а.е. – 60 10-5 а.е. = 2990 10-5 а.е. = 2,99 %

Коэффициент изотермического разогрева в критическом состоянии положительный и это проявляется в том, что при разогреве реактора автоматический регулятор погружается в активную зону, стержни РР ВИУР погружает в активную зону, наблюдается рост запаса реактивности.

Этот коэффициент необходимо использовать при определении критического положения стержней СУЗ при выводе реактора в критическое состояние при различных температурах, при определении изменения запаса реактивности в процессе разогрева на МКУ.

Пример:

При измерении температурного коэффициента реактивности при первом выходе в критическое состояние при t = 600С извлечено 88 стержней СУЗ. По предыдущим измерениям

К.С = +2 10-5 а.е.

Определить критическое положение стержней СУЗ при t = 1600С (разогрев от ГЦН).

Решение:

При весе стержня СУЗ 40 10-5 а.е. запас реактивности увеличится на:

= 200 10-5 / 40 10-5 = 5 ст.

Значит, число извлеченных стержней СУЗ уменьшится на 5 шт. и составит:

88 – 5 = 83 (ст. РР)

Вопросы к разделу: Температурный эффект (коэффициент) реактивности.

1.Как зависит от энерговыработки реактора?

2.Определить эффект разогрева реактора с начальной загрузкой.

173

14.4.2. Разогрев выше 280 с. Температурный коэффициент по графиту

Разогрев активной зоны выше 280 С осуществляется за счет ядерных реакций и поэтому все элементы активной зоны разогреваются по разному. Оценим диапазон изменения температур элементов активной зоны.

Температура воды на входе в активную зону определяется уровнем мощности, расходом питательной воды и расходом воды в КМПЦ. Температура изменяется в диапазоне ~265 280 С и измеряется во всасывающем коллекторе КМПЦ.

Температура пароводяной смеси на выходе из реактора определяется давлением в барабанах-сепараторах и соответствует температуре насыщения.

Так как диапазон изменения температуры воды невелик, то отдельного коэффициента по температуре воды не вводится, а влияние ее на реактивность описывается паровым (плотностным) коэффициентом реактивности и быстрым мощностным коэффициентом реактивности.

Диапазон изменения температуры воды в контуре охлаждения СУЗ (КО СУЗ) на энергетическом уровне мощности невелик (~ 10 С ÷ 15 С), но коэффициент реактивности по температуре в КОСУЗ достаточно большой (~ 1 10-4/ С) и полный эффект реактивности ощутим (1÷2 стержня СУЗ). Его используют в нестандартных ситуациях для увеличения запаса реактивности на незначительный период времени. В связи с установкой стержней сб. 2477, а затем стержней КРО количество воды в контуре СУЗ в активной зоне существенно сократилось, и величина этого эффекта уменьшилась.

Температура топлива изменяется в более широком диапазоне от ~300 С на границе с оболочкой на МКУ до ~ 1500 С в центре твэла на номинальной мощности. Так как температура топлива определяется уровнем мощности и изменяется практически вслед за ней, то учет влияния изменения температуры топлива на реактивность входит составной частью в быстрый мощностной коэффициент реактивности.

Температура графита изменяется в широком диапазоне, от 280 С до 750 С и зависит от мощности, ее распределения по объему реактора и состава газовой смеси в реакторном пространстве. Для оценки влияния изменение температуры графита вводят понятие температурного коэффициента реактивности по графиту - с.

Внастоящее время реакторы РБМК-1000 работают в установившемся режиме и величина с составляет 4,5 10-5 / С

Впроцессе эксплуатации реактора РБМК-1000 необходимо помнить, что температура графита определяется уровнем мощности, ее распределением по объему реактора и составом газовой смеси в реакторном пространстве. Поэтому, как при изменении мощности, так и при изменении состава смеси необходимо учитывать это влияние на запас реактивности.

Кроме этого, установлен предел безопасной эксплуатации по температуре графита, который равен 7500С. При нормальной эксплуатации максимальная температура графита не должна превышать 7300С.

Для оценки изменения температуры графита при изменении мощности и концентрации гелия можно использовать следующую формулу:

Тгр - средняя температура графита (максимальная температура графита при

удовлетворительном распределении энерговыделения по радиусу и высоте реактора примерно равна:

174

Ттепл. – температура теплоносителя;- коэффициент пропорциональности (зависит от состава продувки);

W- средняя мощность в ТК.

Зависимость коэффициента от концентрации гелия в азотно-гелиевой смеси представлена на рис.18.13.

Рис. 18.13. Зависимость коэффициента от концентрации гелия

Используя вышеприведенные зависимости рассмотрим пример.

Исходное состояние реактора: мощность 70% от номинальной, запас реактивности 46

стержней, Тгр = 4650.

Определим минимальную концентрацию гелия, при которой средняя температура графита не превысит 5400С и дополнительное время работы без перегрузок топлива.

W2240 1,42MBт 1580

Т 5400 С

175

Рассмотрим вначале плотностной коэффициент реактивности , определяв его как коэффициент пропорциональности между реактивностью , выделившейся пpи изменении плотности пароводяной смеси на , и величиной .

В этом случае выражение (5.2.1) можно записать как

эксплуатационной практике вводятся еще две величины: расходный паровой коэффициент реактивности:

Отметим, что согласно определениям (18.4.10) и (18.4.11), паровой коэффициент реактивности является безразмерной величиной.

Аналогично можно ввести коэффициент реактивности по весовому паросодержанию, по расходу воды и т.п. Из (18.4.11) следует, что связь между плотностным и паровым коэффициентами реактивности определяется величиной / . Поскольку плотность пароводяной смеси связана с объемным расходным паросодержанием соотношением

то

( в n ), (18.4.13)

где

B И П - плотности воды и пара на линии насыщения. Для рабочего состояния в реакторе РБМК -1000 (давление ~ 79 атм, tвхн2О = 265 C) B = 0,77 г/см3, П = 0,05 г/см3 получим

Это соотношение использовалось для оценки соотношения между паровым и плотностным коэффициентами реактивности. Отметим, что паровой коэффициент противоположен по знаку плотностному коэффициенту реактивности и меньше по абсолютной величине. Точное значение коэффициента пропорциональности определяется теплогидравлическими характеристиками процесса парообразования.

В экспериментах, проводимых на действующих реакторах РБМК-1000, измеряется изменение реактивности в зависимости от истинного объемного паросодержания .

178

Отличие истинного и расходного паросодержания φ и β заключается в учете скольжения между жидкой и паровой фазой. Если воспользоваться соотношением между объемным

(β) и массовым (х) расходным паросодержанием, то

где К – коэффициент скольжения между жидкой и паровой фазой.

При среднем массовом расходном паросодержании х = 0,15 объемное расходное паросодержание равно = 0,78. При рабочих параметрах реактора РБМК-1000 значение коэффициента скольжения К =1,4 1,7.

Численное значение коэффициента пропорциональности в выражении (18.4.18) между и при рабочих параметрах ( =0,78, =0,7, К=1,5) равно ~0,59 0,60. Таким образом, уточненная связь между паровым и плотностным коэффициентами реактивности определяется выражением

Паровой коэффициент реактивности зависит от глубины выгорания и начального обогащения топлива, количества поглотителей в активной зоне (ДП, стержней СУЗ), уровня мощности. На рис. 18.15 приведена расчетная величина парового коэффициента реактивности на номинальной мощности в зависимости от среднего выгорания для реакторов РБМК-1000 вторых очередей. Для сведения приведены значения концентраций урана, плутония, количество ДП в активной зоне, измеренные величины на 1-ом блоке САЭС.

.

179