книги из ГПНТБ / Сидоренко, В. А. Вопросы безопасной работы ВВЭР к 10-й годовщине пуска первого блока Нововоронежской атомной электростанции

кк

Рис.2.1-1. Схема размещения органов регулирования

в активной зоне ВВЭР-I (первоначальный вариант).'

115

В приведенной ниже таблице 2.1-4 указаны значения коэффи­ циентов размножения однородной размножающей рапетки, обеспе­ чивающие критичность реактора:

Разница двух значений необходимого коэффициента размноже­ ния характеризует эффективность производимой замены.

Первичная замена 6 КК на 6 АЗ дает эффект около 0,005, т.е.

суммарная компенсирующая способность системы уменьшается на

0,005. Последующая за этим замена 3 КК на 3 АР уменьшает ком­ пенсирующую способность еще на 0,034 при суммарном уменьшении около 0,04. При обратной последовательности замены органов (сна­ чала 3 КК - на 3 АР, а затем дополнительно 6 КК - на 6 АЗ) при той же суммарной потери компенсирующей способности она несколь­ ко иначе распределяется по первопричинам ! от замены КК на АР

-0,0276 и дополнительно от замены КК на АЗ - 0,0114.

Таким образом, действительно, наличие в узлах решетки СУЗ таких слабых поглотителей как стержни АР снижает общую компен­ сирующую способность системы примерно на 0,034, что означает

116

соответствующее сокращение запаса кошенсирущей способности механических органов СУЗ на выгорание и эквивалентно сокращению возможной длительности периода между перегрузками в 2-3 раза

(в зависимости от использования выгорающих поглотителей).

Рассмотренное сокращение компенсирующей способности СУЗ мо­ жет быть уменьшено, если искусственно ухудшить размножающие свой­ ства в ячейке активной зоны вокруг АР до такого значения, кото­ рое эквивалентно снижению размножающих свойств этой ячейки из-за присутствия поглотителя КК. Это, например, можно сделать за счет установки в ячейках АР какого-то числа кассет с естественным ура­ ном, размножающие свойства которых значительно ниже средних по активной зоне. Такое действие, к сожалению, должно снизить сум­ марную компенсирующую способность СУЗ по сравнению с максималь­ но возможной (31 КК + 6 АЗ) из-за того; что 3 органа КК из 31

фактически выводятся из работы (их поглотители как бы остаются все время в активной зоне, уменьшая постоянно размножающие свой­ ства своих ячеек). Тем не менее сопоставление двух эффектов по­ казывает, что суммарная компенсирующая способность системы

28 КК + 6 АЗ + 3 АР заметно увеличивается.

В холодном критическом реакторе с "задавленными" ячейками АР

(до свойств, эквивалентных размещению поглотителей КК) при нали­ чии 6 рассеивателей АЗ коэффициент размножения составляет 1,042,

Таким образом эффект взвода 28 КК и 6 АЗ в этом случае составит

1,1832-1,042=0,141; эффект взвода тех же кассет в активной зо­ не с обычньми ячейками АР составляет 1,1493-1,0359=0,1134. Если прибавим к этим значениям эффект взвода стержней АР (в первом случае - около 0,003 и во втором случае - около 0,004),получим,

что суммарная компенсирующая способность СУЗ составит соответ­

ственно около 0,144 и около 0,118, т.е. она возрастает на 0,026.

Проигрыш по отношению к максимальной возможной компенсирующей способности составляет всего 0,034-0,026=0,008.

Для достижения желаемого эффекта необходимо разместить в рай­ оне каждого АР по 3 "естественных" кассеты. Однако такое решение нельзя было признать оптимальным, т.к. постоянное присутствие в активной зоне девяти кассет с естественным ураном снижает возмож­ ную глубину выгорания остальных кассет (либо повышает необходи­ мое их обогащение). Необходимый коэффициент размножения горячей активной зоны в присутствии этих естественных кассет составляет около 0,05, а в их отсутствие (при наличии только 6 рассеивате­ лей АЗ) - около 0,04, т.е. общее ухудшение размножающих свойств активной зоны составляет около 0,01, что эквивалентно снижению глубины выгорания используемого в стационарном режиме ВВЭР-1

топлива обогащением 2# на 10-125?.

Оптимальное решение состояло в том, чтобы максимально прибли­ зить решетку поглотителей СУЗ к равномерной - заменить малоэф­ фективные стержни АР на компенсирующие кассеты. Это и было реали­ зовано на завещающей стадии проекта BB3P-I.

Проводимая замена становилась возможной только в том случае,

если удалось бы решить проблему использования эффективных и тя­ желых компенсационных кассет в качестве исполнительных органов автоматических регуляторов. Автоматический регулятор работал в режиме пропорционального регулирования и обладал переменной ско­ ростью (от 0 до максимальной ; максимальная скорость при малой суммарной эффективности стержня регулятора (0,001-0,002) состав­ ляла 18 сщ/сек.

118

Основой произведенной замены стала обсуждавшаяся в части I

настоящей работы оптимизация принципа работы автоматического ре­ гулятора реактора. В связи с хорошим саморегулированием реактора оптимальным оыл признан релейный принцип регулирования с постоян­ ной скоростью движения органа регулирования. В этих условиях за­ мена стержней АР на КК позволяла использовать для автоматическо­ го регулирования реактора компенсационные кассеты, имевшие по­ стоянную скорость перемещения 2,5 см/сек и обеспечивавшие при этой скорости скоростную эффективность, близкую к максимальному значению скоростной эффективности стержня АР из-за увеличения на порядок линейной эффективности (полная эффективность группы компенсационных кассет 0,01-0,02).

Не был ясным в то время вопрос обеспечения ядерной безопас­

ности реактора при работе в составе автоматического регулятора столь эффективных исполнительных органов. Специально проведен­ ные расчетные исследования показали, что саморегулирующие и са-

моограничиващие свойства активной зоны (отрицательный мощност-

ной и температурный коэффициенты реактивности) делают не чрез­ мерно опасными даже такие нарушения в схеме автоматического ре­ гулятора, которые приводят к непрерывному извлечению группы ком­ пенсационных кассет из активной гоны.

На рис.2.1-2 представлен процесс повышения мощности реакто­

ра от номинальной при непрерывном извлечении группы эффективно­ стью 0,024 со скоростью 2,5 см/сек. По достижении мощности 120$

на 12-ой секунде происходит срабатывание аварийной защиты реак­ тора.

Там же показано изменение нейтронной мощности реактора в случае неуправляемого движения группы со средней скоростной эффен-

-нейтронный поток

-тепловой поток от твэл к воде

Мощность (относительно номинальной)

Рис.2Л-2. Изменение мощности реактора при непрерывном извлечении регулирующей группы кассет

(пунктир - без срабатывания аварийной защиты).

120

л

тивностью 6.101/сек из критического состояния (мощность 10 вт).

Через 9,5 секунд в систему аварийной защиты поступит сигнал по периоду и по мощности; еще до срабатывания стержней аварийной защиты мощность реактора будет уменьшена за счет мощностного эф­ фекта реактивности. Средний тепловой поток на поверхности твэл в этом процессе к ю - й секунде достигнет 10# номинального зна­ чения и затем будет убывать.

Тем не менее отсутствие опыта работы со столь эффективными автоматическими регуляторами сделало необходимым введение допол­ нительных мер ядерной безопасности: максимальная скорость движе­ ния автоматического регулятора была уменьшена до 0,93 см/сек,

непрерывное движение вверх в автоматическом режиме было ограни­ чено интервалом 10 см, при выходе за пределы которого автомати­ ческий реьулятор выключался, и его последухщее включение в рабо­ ту требовало вмешательства оператора, который должен был убедить­ ся, что процесс регулирования не вышел за допустимые пределы.

Накопленный в последующем опыт эксплуатации ВВЭР подтвердил устойчивость работы реактора во всех режимах и дал возможность отказаться от этой страховочной меры.В последующих проектах ВВЭР ш вводятся ограничения на время работы регулятора "вверх"; сохра­ нение процесса в безопасных пределах обеспечивается ограничива­ ющими устройствами, контролирующими значения рабочих параметров реакторной установки (аварийная зашита 4-го рода - запрещение движения компенсационных кассет вверх).

Самостоятельными проблемами при использовании компенсационных кассет в режиме автоматического регулирования оказались вопросы обеспечения стабильной эффективности автоматических регуляторов и деформации нейтронного поля. Подробнее это будет обсуждено не­ сколько ниже.

121

Следупцим шагом в создании однородной решетки поглотителей СУЗ явилась замена, начиная с реактора второго блока НВ А Х ,

кассет АЗ на КК , сопровождающаяся полной универсализацией всех исполнительных органов СУЗ. Одной из важных причин для такого шага, помимо оорьбы с проявлениями "локальной критичности , яви­ лось стремление максимально сократить бесполезное поглощение нейтронов в активной зоне, улучшив тем самым топливный цикл, и

ликвидировать для этого циркониевые рассеиватели кассет АЗ.

Универсализация всех кассет регулирования прежде всего требо­ вала ооеспечения режима быстрого заглушения реактора, т.е. режима АЗ. Опасения повреждения тепловыделяюцих элементов при быстром выведении кассет аварийной защиты из активной зоны (свободное падение в потоке воды) привели в ходе проектирования ВВЭР-I к

замене топливных сборок в кассетах АЗ циркониевыми рассеивате­ лями. На новом этапе проектирования решений задачи облегчалось тем, что в режиме АЗ должны были работать все компенсационные кассеты, и необходимую скоростную эффективность нужно было обес­ печить при существенно болнией (на порядок величины) суммарной эффективности органов защиты. Это делало возможным сократить ско­ рость выведения кассет из зоны (увеличить время полного введения органов АЗ) на порядок, и таким путем обеспечить безусловную ра­ ботоспособность тепловыделяющих элементов в режимах аварийной за­ щиты.

Критерии ядерной безопасности рекомендуют, чтобы срабатыва­ ние аварийной защиты реакторов не было связано с внешними источ­ никами энергии и происходило под действием постоянно действующих сил, как,например, оила тяжести. Поэтому в качестве режима аварий­ ной защиты для универсальных КК был также выбран режим свободного

122

падения, но в конструкции механизмов управления и внутриреак-

торннх устройств были предусмотрены узлы ограничения ско -

роста и демпфирования в конце пути. Специально проведенные рас­ четные исследования аварийных процессов позволили установить же­ лательную скорость аварийного опускания кассет. Цри гарантиро­ ванном значении суммарной эффективности органов аварийной за­ щиты около 0,1 наиболее вероятные нарушения, требующие аварий­ ной остановки реактора, успешно нейтрализуются при скорости па­ дения КК 10 см/сек.

Средняя скоростная эффективность аварийной защиты, эквива­

лентная скоростной эффективности быстродействующих органов АЗ

ве проектной скорости аварийного опускания в новых приводах уни­ фицированных органов регулирования и защиты. В период отраоотки

конструкции приводов различные варианты конструкции обеспечивали разное“время разгона", т.е. время достижения установившейся ско­ рости опускания (от 0,5 до 10 секунд). Штатные приводы реакторов ВВЭР-440 обеспечивают выход на максимальную скорость за 0,5-0,7 се­ кунды.

Дальнейшее увеличение скоростной эффективности защиты полез­ но применительно в некоторым крупным нарушениям типа отключения оолнпого числа главных циркуляционных насосов (четырех или более из шеста работающих), так как при этом обеспечивается уменнпение общего количества остаточного тепла, выделяемого активной зоной в аварийном процессе. Масштаб этого уменьшения иллюстрируется данными, приведенными на рис2.1-3 . Такое повышение скоростной