Казанский Кинетика ядерных реакторов.Коеффициент реактивности 2012

ния реактором стационарного режима перегрузки топлива (среднего стационарного состояния состава топлива). Естественно, что для исключения или существенного уменьшения положительного вклада в реактивность поглощающих элементов, необходимо повышать обогащение топлива. Кроме того, оказалось весьма удачным внедрение выгорающего поглотителя (естественную смесь изотопов эрбия) в топливо с увеличенным обогащением (2,4–2,6 %). Мощный резонанс в сечении поглощения нейтронов эрбия расположен вблизи энергии 0,47 эВ. Поэтому, когда происходит испарение воды и нейтроны с более высокой средней тепловой энергией попадают в топливо, вероятность их поглощения в эрбии увеличивается. Таким путем создается еще одна составляющая отрицательного эффекта реактивности. Кроме того, выгорающий поглотитель исключает необходимость иметь в активной зоне дополнительные поглотители и в результате позволяет получать более глубокие значения выгорания топлива.

РБМК до аварии на 4-ом блоке Чернобыльской АЭС имели ряд конструктивных недоработок и опасных по своей природе ней- тронно-физических характеристик, которые вместе с нарушениями регламента работы привели к катастрофической аварии. Основными причинами аварии стали:

-положительная обратная связь по паросодержанию в технологических каналах (эта положительная обратная связь минимизирована за счет использования топлива с более высоким обогащением

ивведения в топливо выгорающего поглотителя);

-положительный эффект реактивности при введении поглощающих стержней на первом метре их движения (этот недостаток устранили путем постановки поглощающих стержней в верхнем положении введенными в реактор на десятки сантиметров, а также путем удаления вытеснителей на стержнях автоматического регулирования – АР);

-малая скорость движения стержней аварийной защиты в реактор (изменена конструкция стержней и приводов, и время ввода стержней уменьшена с 16 до 1,4 ÷ 2,5 с).

Насколько изменились нейтронно-физические характеристики РБМК иллюстрируют данные табл. 4.5. В этой таблице приведены значения коэффициентов реактивности в активных зонах реакторов РБМК, работающих на мощности около 3150 МВт при среднем вы-

202

горании топлива равном около 11 МВт сут/кг. В этой же таблице приведены эффекты реактивности при аварийных обезвоживаниях каналов с топливными сборками (обезвоживание КМПЦ) и каналов с поглощающими стержнями СУЗ (обезвоживание КОСУЗ – контура охлаждения СУЗ).

Таблица 4.5

Коэффициенты и эффекты реактивности РБМК до Чернобыльской аварии (23.04.86) и после проведения реконструкции

реакторов (8.10.98 и 16.08.04)

Основная причина изменений коэффициентов и эффектов реактивности связана с увеличением обогащения топлива и введения эрбия в качестве выгорающего поглотителя. Последнее позволило избавиться от дополнительных поглощающих стержней и увеличить глубину выгорания топлива*.

Приведенные данные показывают, насколько реакторы РБМК в настоящее время стали безопаснее. Быстрый мощностной эффект реактивности (отрицательная обратная связь по росту мощности) перекрывает всевозможные положительные эффекты реактивности при вскипании теплоносителя или при потере теплоносителя в технологических каналах до срабатывания аварийной защиты.

* Переход на использование топлива с большим обогащением проводился с 1976 по 1984 год. За это время все топливные сборки были заменены ураном с обогащением 2 %. С 1988 г. проводилась частичная загрузка топлива с обогащенным ураном 2,4 %, а с 1995 г. в реакторы стали загружать топливные сборки с обогащенным ураном 2,4 и 2,6 % содержащие около 0,5 % эрбия.

203

4.5.2. Коэффициенты и эффекты реактивности РБМК

врежиме стационарного среднего состава топлива

ВРБМК рассчитывают и измеряют различные коэффициенты и эффекты реактивности в двух состояниях реактора – во время физического пуска (мощность реактора не более сотен кВт) и во время работы реактора на мощности (более 50 % номинального уровня мощности).

Во время физического пуска измеряют изотермический ТКР при низких уровнях мощности, когда можно пренебречь измене-

ниями температуры за счет энерговыделения в топливе. Разогрев всего реактора от 80 до 160 оС происходит за счет энергии работающих циркуляционных насосов. При этом температура изменяется во всех частях реактора с одинаковой скоростью. Этот темпе-

ратурный коэффициент реактивности, αТ, содержит следующие основные составляющие – коэффициенты реактивности по темпе-

ратуре замедлителя αс, по температуре теплоносителя αН2О и по температуре топлива αU.

ТКР αс, αН2О и αU определяются как частные производные зависимости реактивности соответственно от температуры графита, от температуры теплоносителя и температуры топлива. Другими словами – это нормированные изменения реактивности при вариации температуры, например, графита (или теплоносителя, или топлива) при условии постоянства любых других характеристик (параметров) реактора. Это значит, что наблюдаемые (рассчитываемые) изменения реактивности при вариации, например, температуры замедлителя находят при условии постоянства температур топлива, теплоносителя, постоянства паросодержания в технологических канал и т.п.

Во время физического пуска измеряются эффекты реактивности,

возникающие при обезвоживании системы КМПЦ (ρКМПЦ) и контура охлаждения СУЗ (ρКОСУЗ). Причем значения этих эффектов реактивности существенно зависят от состояния активной зоны. При подкритическом состоянии (2–4 % подкритичности) – эти эффекты реактивности более отрицательные, а когда обезвоживание проводят в критическом состоянии, то получают более положительные эффекты реактивности. Обезвоживание систем КМПЦ и КОСУЗ

204

можно проводить в критическом состоянии лишь при низких уровнях мощности, не превышающих сотые доли процента от номинального уровня. Эти важные для безопасной работы эффекты реактивности нельзя измерить при работе реактора на мощности – без охлаждения ТВС и стержни СУЗ выйдут из строя. Рассчитанные эффекты реактивности приведены в табл. 4.6 для всех действующих в России блоков РБМК для фактических состояний активных зон в 2004 г.

Во время работы реактора на энергетических уровнях мощности оказывается возможным измерить КР по температуре графита, αс, паровой коэффициент реактивности,αφ и быстрый мощностной коэффициент реактивности αw.

КР по температуре графита αс. Этот КР оказывается положительным: при росте температуры средняя энергия термализованных нейтронов растет и поэтому уменьшается сечение поглощения нейтронов ядрами углерода. Сечение радиационного захвата нейтронов ядрами углерода обратно пропорционально скорости нейтрона (корню квадратному из энергии). Значения αс зависит в основном от глубины выгорания топлива и варьируются в интервале от нуля до нескольких единиц 10-5 1/°С. Для реактора с первой загрузкой значение αс близко к нулю, поскольку в этом состоянии устанавливается наиболее жесткий спектр нейтронов и в активной зоне и замедлителе. Поэтому роль поглощения нейтронов ядрами углерода становится менее значительной. Наибольшее значение КР по температуре графита оказывается при установлении среднего по активной зоне равновесного выгорания и достигает значений близких

к 1 % βэфф/ °C.

КР по температуре графита измеряется при пусковых работах и не вызывает каких либо сложностей, поскольку графит, обладая громадной теплоемкостью (вес графитовой кладки 1700–1900 т), нагревается медленно, что позволяет при стабилизации остальных технологических параметров определить связь между реактивностью и температурой графита.

При работе на мощности КР по температуре графита измеряют путем изменения температуры реактора на мощности (40–50 % от номинальной), КР по температуре графита измеряют путем изменения температуры графитовой кладки за счет вариации состава охлаждающего газа.

205

При замене гелия азотом ухудшается съем тепла, и температура начинает расти. С помощью стержней АР (автоматического регулирования) мощность реактора поддерживается постоянной. Регистрируются температура графитовой кладки и другие параметры реактора. После стабилизации температуры изменение реактивности по введенным в реактор поглощающих стержней относят к наблюдаемому изменению температуры. Это дает возможность найти αс. Расчетные значения для всех блоков РБМК приведены в табл. 4.6.

Паровой коэффициент реактивности αφ определяют как от-

ношение приращения реактивности к изменению паросодержания в теплоносителе. Принято нормировать паровой коэффициент реактивности на полное испарение воды в технологических каналах.

Паровой коэффициент имеет большое значение, поскольку при увеличении паросодержания реактивность реактора возрастает, т.е. имеется положительная обратная связь. Ввиду важности этой ней- тронно-физической характеристики, паровой коэффициент реактивности предписано измерять в процессе эксплуатации реактора, поскольку его значение претерпевает значительные изменения. Изменить паросодержание в технологических каналов можно за счет изменения расхода питательной воды. При этом надо позаботиться, чтобы эти изменения произошли одинаковым образом во всех технологических каналах. Поэтому во время эксперимента по измерениям парового коэффициента реактивности (ПКР) предусматривается работа всех шести насосов. До начала эксперимента все параметры реактора поддерживаются неизменными (в том числе, чтобы убедиться, что вклад от переходных, нестационарных процессов пренебрежимо малы). Изменение расхода питательной воды воздействует на паросодержание, что приводит к изменению реактивности.

К сожалению, за изменением расхода питательной воды последует не только изменение паросодержания в технологических каналах, но и других технологических параметров. Поэтому до воздействия на расход питательной воды через клапаны питательных узлов проводят в режиме реального времени запись технологических параметров: мощности реактора; реактивности (на специальных приборах, называемых реактиметрами); расхода питательной воды; давления и уровней воды в барабан-сепараторах; расходов по

207

всем шести главным циркуляционным насосам; положений стержней регулирования. Вся эта информация нужна, чтобы составить уравнения баланса реактивности для выявления эффекта реактивности, обусловленного изменением только паросодержания. Кроме того, для определения ПКР требуется измерить не только реактивность, но и найти насколько изменилось паросодержание. Последнее находят расчетом, принимая во внимание изменение температур и давлений, и неопределенность такого расчета – это основной источник погрешности при измерении ПКР.

Эксперимент проводят следующим образом (здесь рассматривается только принципиальная сторона дела без необходимых технических и организационных мероприятий по безопасности). Сначала за очень короткое время (порядка 10 с) увеличивают расход питательной воды на 200 т/ч (примерно на 2 %). Затем в течение нескольких минут регистрируют все параметры, и происходит компенсация эффектов реактивности в автоматическом режиме отградуированным поглощающим стержнем. После выдержки уменьшают расход питательной воды на 400 т/ч. После выдержки и регистрации всех параметров вновь увеличивают расход питательной воды на 200 т/ч, регистрируют параметры (реактор вновь находится в первоначальном состоянии по расходу питательной воды). В результате после внесения необходимых поправок получают эффект реактивности, обусловленный только изменением паросодержания. В процессе возмущений расхода теплоносителя зарегистрированы давления в барабан-сепараторах, температуры теплоносителя в технологических каналах, определены температуры кипения, что позволяет реализовать теплогидравлический расчет каналов и определить изменения паросодержания в данном эксперименте. Указанная методика измерений и расчета изменения паросодержания в технологических каналах дает возможность определить ПКР с погрешностью около ±0,3 β.

Исследование баланса реактивности в переходных «рабочих» процессах позволяет находить как значения парового коэффициента реактивности, так и другие коэффициенты реактивности. Такой способ не предусматривает специального возмущения расхода теплоносителя или возмущения других параметров реактора, и поэтому называется «пассивным методом определения парового коэффициента реактивности». Расчетныезначения αφприведеныв табл. 4.6.

208

Быстрый мощностной коэффициент реактивности αw. Под быстрым МКР понимают коэффициент реактивности, обусловленный нормированными на изменение мощности, коэффициентами реактивности по температуре топлива αU и паровым αφ:

αw = αU(∂ТU/∂w) + αφ(∂φ/∂w). (4.22)

Быстрый МКР может быть отрицательным, когда при росте мощности быстрый положительный паровой эффект реактивности будет нейтрализоваться столь же быстрым отрицательны доплерэффектом. Естественно, через десятки секунд появятся новые эффекты реактивности (положительный от разогрева замедлителя), но их появление будет медленным во времени, и они будут компенсироваться автоматическим регулятором (АР) мощности посредством стержней СУЗ.

Измерение αw проводят следующим образом. В реактор вводится реактивность при отключенном АР, и затем регистрируют новый стационарный уровень мощности. Анализируются все технологические параметры реактора – средняя температура теплоносителя, средняя температура замедлителя, давление и др. и в случае изменения этих параметров во время измерения в результат вводят соответствующие расчетные или экспериментальные поправки. Быстрые мощностные коэффициенты реактивности приведены в табл. 4.6.

Обращает внимание значительные отличия в ρкмпц, ρкосуз и αφ для разных блоков. Объяснения этим фактам находят в высокой чувствительности этих КР к составу реакторов. В частности, среднее количество 235U в ТВС отличается на 1,5 % в загрузках разных блоков. Различны и плотности графита: во втором блоке ЛАЭС плотность графита 1,67 г/см3, а в первом блоке той же станции плотность графита на 3,5 % выше – 1,73 г/см3. Это не единственная причина. В разные времена в конструкции каналов СУЗ вводились различные технические изменения, что также может влиять на некоторые КР.

4.5.3. Запас реактивности

Как уже упоминалось, потеря реактивности в процессе выгорания топлива в РБМК компенсируется за счет непрерывной загрузки свежих ТВС и выгрузки выгоревших. Поэтому запас реактивности реактора формируется без учета запаса реактивности на потери в

209

связи с выгоранием топлива. Запас реактивности в РБМК компенсируется стержнями ручного регулирования (РР), находящимися в активной зоне реактора при работе на номинальном уровне мощности. Этот запас реактивности называют оперативным запасом реактивности (ОЗР). В РБМК необходимо предусматривать запас реактивности, значение которого должно быть достаточным, чтобы иметь возможность регулировать всевозможные переходные процессы при эксплуатации реактора.

Штатные важнейшие переходные процессы возникают при останове реактора и его выводе на мощность, а также при переходах с одного уровня мощности на другой. Например, при останове реактора исчезает паровая составляющая теплоносителя и появляется отрицательная реактивность (около 0,7βэфф), охлаждение топлива приводит к появлению положительной реактивности (если в среднем температура топлива уменьшается на 1000 оС, то реактивность вырастет примерно на 3βэфф). Охлаждение графитовой кладки даст отрицательную реактивность на уровне 5βэфф. Надо принимать во внимание появление положительной реактивности в результате радиоактивного распада ядер ксенона – около 5βэфф, а также то, что перечисленные эффекты реактивности проявляются в разные интервалы времени. Так, при резком сбросе мощности сразу же появляется положительный эффект реактивности от охлаждения топлива и отрицательный эффект реактивности из-за уменьшения доли пара в теплоносителе. А ксеноновый отрицательный эффект реактивности (иодная яма) имеет наибольшее значение через часы; также медленно во времени сказывается охлаждение графита (отрицательный эффект реактивности).

Регламент предписывает для РБМК-1000 в режиме установившихся перегрузок иметь оперативный запас реактивности (ОЗР) в количестве 43–48 поглощающих стержней, находящихся в активной зоне реактора. Такое количество стержней соответствует примерно реактивности 2 % – это оптимальное значение ОЗР, найденное в результате расчетов и экспериментов.

По каким причинам не рекомендуется уменьшать ОЗР? Во-первых, чем меньше ОЗР, тем меньше среднее обогащение

топлива по реактору и тем больше паровой коэффициент реактивности. Во-вторых, чем меньше ОЗР, тем сложнее «управлять» пространственным распределением плотности потока нейтронов. Для

210