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

Я^ И 8 к а-0,20; V= 2QcMfceK;

----- 2Z8k ~-0,2Q;V- iOсм/сек.

Рис.2.1-3. Уменьшение количестве тепла,выделяющегося в активной зоне после аварийной остановки реактора, при увеличении скоростной эффективности аварийной

защиты.

124

эффективности АЗ было реализовано лишь а реакторах с повышенной до 0,2 оощей компенсирующей способностью органов защиты (реак­ торы с 73 органами СУЗ, т.е. реакторы 2-го, 3-го и 4-го блоков НВ АЭС). Аналогичное повышение скоростной эффективности за счет увеличения скорости опускания компенсационных кассет не оправда­ но, поскольку при больших нарушениях эксплуатационного режима происходит вскипание теплоносителя в активной зоне, и вступает в действие отрицательный паровой эффект реактивности.

Следует обратить внимание на то, что внедрение полностью

однородной решетки универсальных органов СУЗ сопровождалось уве­ личением требуемой суммарной эффективности (увеличение выгорания

топлива между перегрузками) и изменением компоновки активной зо­

ны. Равномерное расположение топлива на первом реакторе ВВЭР бы­ ло заменено зонным уже на 2-м блоке НВ АЭС, в результате чего кассеты с высокими размножающими свойствами группировались вместе,

Это повышало опасность проявления локальной критичности и дела­ ло необходимым более тесное расположение поглотителей в актив­ ной зоне. В результате шаг решетки поглотителей в реакторе ВВЭР-3

был уменнпен с 389 мм до 294 мм, и количество КК увеличено с 37

до 73.

Даже при равномерном размещении органов компенсации реактивности в активной зоне иногда возникают области с пониженной компенса­ цией. Так, в реакторе ВВЭР-I в связи с конструктивными сложно­

стями расположения органов регулирования на краю активной зоны

количество топливных кассет, примыкающих к крайним КК, оказа­ лось больше, чем в центральной части активной зоны, в районе ре­ гулярной решетки КК, что можно видеть на рис. 2,1-1.

125

Характер нейтронного поля в такой активной зоне показан на рис,2.1-4,откуда видно,что нейтронное поле приподнято на краю,

и нейтронно-статистический вес этой части зоны повышен. Это при­ водит к тому, что снижается эффективность первых выводимых из активной зоны поглотителей, которыми должны быть по регламенту безопаоной эксплуатации реактора стержни АЗ; т.е. снижается на­ чальная эффективность АЗ. Второе следствие (как и при любом про­ явлении “локальной критичности") - снижение суммарной эффектив­ ности СУЗ. Создавшаяся проблема была специально исследована, а

возможным средством ее решения могло быть удаление 18 периферий­ ных рабочих кассет (замена их на поглощающие вставки), что допу­ скалось тепловыми условиями работы активной зоны. Одним из перво­ начальных решений было размещение на краю активной зоны "слоя"

кассет с естественным ураном.

Результаты расчета критического коэффициента размножения для двух вариантов реактора приведены ниже в таблице 2.1-5. Эф­ фективный радиус нормальной активной зоны составляет 150 см, а

уменьшенной на 18 кассет - 143 см.

Эффективность^ единицах реактивности )трех периферийных кассет АЗ в уменьшенной активной зоне будет 0,0096 вместо 0,0075

в активной гоне номинальных размеров, т.е. увеличится на 0,0021.

Правила ддерной безопасности требовали, чтобы минимальная эффек­ тивность аварийной защиты превышала долю запаздывающих нейтронов.

При несрабатывании одной из взведенных кассет (самой эффек­ тивной) эффективность не должна уменьшаться нике половины доли запаздывающих нейтронов. Следует обратить внимание на некоторую условность этих правил в реакторе, склонном к проявлению "локальт-

ной критичности": эффективность АЗ при последующих действиях с

127

органами регулирования, которые и могут явиться причиной сраба­ тывания аварийной защиты, сильно зависит от того, насколько уда­ лены в активной зоне эти органы от места расположения органов АЗ.

В уменыпенной активной зоне взвод периферийных кассет АЗ более надежно обеспечивает начальную аварийную защиту (пока без учета несрабатывания одной кассеты); остальные органы регу­ лирования могут быть использованы для компенсации рабочего за­ паса реактивности. Аналогичные цифры для центральных кассет АЗ

0,0126 вместо 0,0089 (Ъ.е. увеличение на 0,003”$. Начальная эффек тивность всех шести кассет АЗ при пуске возрастает на 0,058.

В холодном реакторе с полностью извлеченными поглотителя­ ми значение критического коэффициента размножения увеличится при уменыпении размеров активной зоны на 1,0339-1,0317=0,0022;

в то же время критический коэффициент размножения холодной ак­ тивной зоны с извлеченными только тремя периферийными поглоти­

128

телями АЗ увеличится на 1,1809-1,1743=0,0066, т.е. располагаемая компенсирупцая способность органов СУЗ, которая может быть исполь­ зована для компенсации всех рабочих эффектов реактивности возра­ стает на 0,0066-0,0022=0,0044, что обеспечивает увеличение дли­ тельности периода между перегрузками (при использовании выгораю­ щих поглотителей) около 10/5. Если же посчитать, что в нормальной активной зоне эффективность первых трех касоет АЗ 0,0075 недоста­ точна для обеспечения начальной защиты реактора, и для этого необ­ ходим взвод оледувдих трех кассет АЗ,(а значение аналогичной эф­ фективности в уменьшенной активной зоне 0,0096 - достаточно), то результирующее увеличение располагаемой компенсирующей способно­ сти из-за уменьшения размеров активной зоны возрастет еще больше

(еще на 1,1743-1,1639=0,0114).

В то же время увеличение критического коэффициента размноже­ ния в горячем реакторе с 1,014 до 1,0441 (на 0,0027) означает сокращение примерно на 3$ глубины выгорания топлива принятого обогащения.

Характерно, что увеличение суммарной компенсирующей способ­ ности системы полностью реализуется в увеличении компенсирующей способности шести кассет АЗ, первыми извлекаемыми из активной зо­ ны. Действительно, компенсирующая способность всей системы в нор­ мальной активной зоне составляет 1,1832-1,0317=0,1515, в уменьшен­ ной зоне 1,1921-1,0339=0,1582, т.е. увеличение составляет 0,0067.

Соответствующие значения компенсирующей способности шести кассет АЗ : 1,1832-1,1639=0,0193 и 1,1921-1,1661=0,026; увеличение сос­ тавляет также 0,0067. Таким образом, если для обеспечения безопас­ ности пуска необходим предварительный взвод всех шести кассет АЗ,

никакого полезного повышения располагаемой компенсирующей способ­

129

ности для компенсации рабочих эффектов реактивности не произой­ дет. Этот факт оказался решающим в окончательной оценке полезно­ сти сокращения размеров активной зоны. Необходимость же предпус­ кового взвода всех шести кассет АЗ (точнее, необходимость перво­ начального взвода трех центральных кассет АЗ, что приводит ка­

чественно к тому же результату) выявилась при дальнейшем изуче­

нии вопроса.

Эксперименты, выполненные со штатной загрузкой реактора на физическом стенде и при физическом пуске реактора 1-го блока НВАЭС, позволили уточнить уменьшение эффективности аварийной

защиты при застревании в верхнем положении одной из взведенных кассет АЗ. Выяснилось, что при первичном взведении трех перифе­ рийных кассет АЗ застревание одной из них недопустимо снижает реализуемую эффективность аварийной защиты. Цри взведении цент­ ральной тройки аналогичное снижение эффективности оказывается в допустимых пределах.

Этот результат представляет собой еще одно проявление"локаль­ ной критичности": малое взаимодействие ячеек с повышенными раз­ множающими свойствами, расположенных далеко друг от друга в ак­ тивной зоне, в результате чего каждая из симметрично расположен­ ных однотипных ячеек практически полностью определеяет изменение реактивности реактора, и суммарное изменение реактивности реак­ тора из-за изменения сврйств всех ячеек мало отличается от эффек­ та одной ячейки. К этому проявлению мы еще вернемся несколько ни­ же.

По результатам экспериментального изучения характеристик активной зоны ее проектные размеры оыли оставлены оез изменения.

Важным и весьма опасным проявлением локальной критичности является высокая эффективность первой взводимой компенсационной

130

кассеты. Физически эквивалентной является противоположная экс­ плуатационная ситуация: опускание последней КК ; застревание в верхнем положении одной КК в меру ее высокой эффективности уменьшает компенсирующую способность всей системы и может за­ труднить заглушение реактора.

Эффективность взвода центральной КК в холодном реакторе ВВЭР-I составляет (в единицах реактивности) 0,039 при суммар­ ной эффективности всей системы 0,141, В реакторе с неоднородны­ ми свойствами эффективность первой взводимой кассеты определя­ ется не ее геометрическим расположением в активной зоне, а свой­ ствами расположенных рядом кассет. На рис.2.1-5 прнведепа кар­ тограмма загрузки реактора ВВЭР-440 с 37 органами CJ3, Наиболь­ шую эффективность имеют компенсирующие кассеты, расположенные в ячейках 71 и 100 ; в холодном реакторе она составляет 0,064 (практически эта эффективность проявляется в глубоко подкрити­ ческом состоянии). В то же время эффективность центральной кас­ сеты, расположенной в зоне плато, составляет 0,011.

При использовании универсальных органов управления естест­ венным и обязательным требованием к конструкции их приводов яв­ ляется требование возможности аварийного сброса из любого проме­ жуточного положения по высоте. Переход в критическое состояние при извлечении КК может произойти при движении любой из кассет

(или группы кассет), в том числе и первой (при столь высокой эффективности первого извлечения), а аварийная защита должна быть обеспечена в любых условиях. В то же время при нарушении регламента пуска наиболее эффективным средством прекращения не­ нормального процзсса является сброс органа управления, вызвав­ шего это нарушение; в этих условиях исключены любые возможные

ячейка 100

132

несоответствия в эффективностях различных органов.

Применительно к ВВЭР такое требование к приводам аварий­ ной защиты является желательным и в случае СУЗ с разделенными функциями, поскольку существует много реальных возможностей вы­ хода в критическое состояние при подъеме кассет.АЗ. Отсутствие этой возможности в конструкции привода АЗ делает необходимыми специальные меры обеспечения подкритичности, достаточной для предпускового взвода аварийной защиты.

Как уже упоминалось в первой части, в ходе эксплуатации 1-го бло­ ка НВ АЭС увеличивалась продолжительность периода между пере­ грузками за счет уменьшения подкритичности перегруженной актив­ ной зоны. Возможность безопасного проведения пусковых операций обеспечивалась введением в первый контур раствора борной кисло­ ты. Начиная с первого реактора ВВЭР недостаточность компенсиру-

щ е й способности системы в холодном состоянии в случае застре­ вания КК в верхнем положении также компенсируется введением бср-

ной кислоты.

Дальнейшее проявление рассматриваемого свойства активных зон ВВЭРсильная зависимость эффективности отдельных органов СУЗ от взаимного расположения в активной зоне других органов.

Качественно это определяется тем, что поглотитель нейтронов,

перемещагацийся в зоне "критичности', т.е. в районе активной зо­ ны с максимальным нейтронно-статистическим весом, имеет сущест­ венно большую эффективность, чем поглотитель вдали от этой зоны.

Особенность водо-водяных реакторов состоит в том, что район по­ вышенной эффективности" может быть очень мал, может формировать­ ся самим рассматриваемым органом регулирования и может очень оыстро изменить свое положение в результате малых изменений в расположении других органов регулирования. Нейтронное поле в