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

174

ничиваемоя рассмотрением активных зон с "однородным" обогаще­ нием6 не рассматриваем активные зоны с "разнородным" обогаще­ нием) . Зоны с заданными средними свойствами формируются либо из кассет с различным выгоранием при одинаковом ючальном обо­ гащении - в стационарном режиме периодических перегрузок, ли­

бо из кассет с различным обогащением урана - в начальной загруз­ ке. Свежие кассеты или кассеты большего обогащения имеют мощ­ ность, превышающую среднюю в данном районе в первом приближе­ нии пропорционально превышению коэффициента мультипликации топ­ ливной решетт данной кассеты над средним значением, так как размеры кассет достаточно малы по сравнению с характерной дли­ ной, определяющей растечку замедляющихся нейтронов, и достаточ­ но велики по сравнению с .длиной диффузии тепловых нейтронов

(длина .диффузии в горячем состоянии около 2 см, диаметр кассе­ ты около 15 см). Например, для первой загрузки реактора ВВЭР-1

это превышение мощности составляло 13$. При строго зонной за­ грузке топлива обсуждаемый фактор неравномерности исчезает, раз­ личие свойств кассет в зонах формирует "макрополе". В то же вре­ мя в реакторах с уплощенным полем и зонной загрузкой широкое применение получил режим "движения топлива с рассеянием": актив­ ная зона разбивается на две концентрические области, свежее топ­ ливо загружается во внешнюю кольцевую область, а при последую­ щей перегрузке переставляется в отдельные ячейки центральной области ("плато") вперемежку с кассетами, переставленными в эту область в предыдущую перегрузку. Этот режим перегрузок позволя­ ет получить высокие глубины выгорания при низком коэффициенте неравномерности энерговыделения и обеспечивает при одинаковом времени пребывания всех кассет е активной зоне очень небольшой разброс по выгоранию выгружаемых кассет. При таком комплектова­

175

нии области плато его средние свойства формируются набором кас­ сет различных свойств,и максимальное тепловыделение в реакторе может приходиться на кассету этой области, обладащую более вы­ сокими размнокаицими свойствами. Применяемые в настоящее время методики расчета ВВЭР не выделяют этот фактор "микронеравномер­ ности",учитывают реальное размещение всех кассет в активной зо­ не и характеризуют результирующее распределение энерговыделения коэффициентом неравномерности распределения мощности по кассе­ там: численные значения этого коэффициента приводились выше.

Типичной для активных зон ВВЭР неоднородностью топливной решетки является водяной зазор между кассетами. Непосредственно конструктивный зазор мевду стенками кассет равен 3 мм, но нали­ чие циркониевого чехла вызывает дополнительное уплотнение пучка твэл. Это уменьшает реальный шаг решетки тепловыделяющих элемен­ тов по сравнению с эффективным, соответствующим проектному водо­ урановому отношению; в результате слой "избыточной" воды в райо­ не зазора доходит до 7 мм.

Неравномерность распределения мощности кассеты по отдель­ ным твэл из-за наличия водяного зазора определяется избыточным замедлением и относительно малым поглощением нейтронов в зазоре.

Дополнительную неравномерность может вносить отличие поглощающих свойств расположенных рядом кассет. Рис. 2.2-17 иллюстрирует проявление этого фактора на примере кассеты № 82,

одного из вариантов первой загрузки реактора ВВЭР-440. Кассета

82 окружена кассетами с различным обогащением урана, и на распре­ делении мощности кассеты по твэл сказывается также общий ход

"макрополя". Результирующий коэффициент неравномерности распре­ деления мощности по твэл в этой кассете составляет 1,22. Можно заметить, что наибольшая неравномерность возникает в углах нас-

177

сеты, поскольку вблизи углов образуются наиболнпие скопления "из­ быточной" воды. Расчетный анализ позволяет выявить наиболее "горя­ чие" точки реактора в различные моменты эксплуатации.

Размещение кассеты среди кассет того же обогащения в постоян­ ном макрополе дает максимальное значение обсуждаемой неравномерно­ сти 1,13.

Выгорание твэл болнпей мощности происходит быстрей и по мере выгорания кассеты неравномерность тепловыделения в ней должна сни­ жаться. Масштаб этого уменыпения можно видеть на примере указан­ ного выше размещения кассеты в постоянном макрополе: при достиже­ нии проектного выгорания 28-29 Мвт.сут/кг коэффициент неравно­ мерности снижается до 1,05.

Одним из возможных средств в снижении неравномерности тепло­ выделения,вызываемой зазором между кассетами,является профилирова­ ние свойств тепловыделяющих элементов в касоетегуменыпение обога­ щения урана или загрузки двуокиси урана в периферийных (и особен­ но угловых) твэл позволяет снизить максимум тепловыделения.

Применение твэл двух обогащений позволяет снизить коэффициент неравнойерности в кассете ВВЭР-440 для случая размещения ее среди однотипных кассет-на 1% (с 1,13 до 1,05).Однако эта мера усложняет технологию изготовления кассет(и,следовательно.удорожает их).Следу­ ет обратить внимание также на то,что уменьшение количества урана235 в крайних твэл проявляется кроме снижения тепловыделения так­ же в снижении захвата нейтронов и приводит в результате к подъему поля тепловых нейтронов в районе зазора.В этих условиях становят­ ся более опасными некоторые сочетания в размещении кассет по сосед­ ству друг с другом.например,при перестановке их в активной зоне пос­ ле очередного периода выгорания;должны тщательней анализироваться случаи неравномерного выгорания кассет,в результате которого стано-

178

вится небезразличным их последующее размещение в активной зоне.

В условиях ВВЭР-440 возможности достижения проектных показате­ лей активной зоны за счет других средств сделали нецелесообраз­ ным усложнение технологии изготовления и эксплуатации топливных кассет,обеспечивающее указанное выше уменьшение неравномерности,

и в результате эта мера не была реализована в активной зоне ВВЭР-440.

В проекте ВВЭР-1000 предусматривается профилирование овойств твэл по кассете.поскольку увеличение обогащения и размеров кассет ВВЭР-1000 приводит к увеличению неравномерности тепловыделения в ней: в кассете с обогащением 4,4$ при размещении ее в среде таких же коэффициент неравномерности распределения мощности по твэл составляет 1,22, а при соседстве с кассетой обогащения 3$- 1,29. Использование в твэл крайнего ряда и в угловых твэл сле­ дующего ряда урана с обогащением 3,6$ позволяет снизить этот коэффициент до 1,16. Меньшее число кассет в ВВЭР-1000 позволя­ ет предусмотреть более однозначный режим их перемещения в ак­ тивной зоне при перегрузках.

В настоящее время изучается другой освоенный способ вари­ ации количества урана-235 в тепловыделяющем элементе: снижение загрузки двуокиси урана за счет изготовления сердечника с осе­ вым отверстием желаемого диаметра.

При использовании в качестве выгорающих поглотителей стер» невых ПЭЛ может попутно решаться вопрос о некотором выравнивании^

поля тепловыделений в кассете за счет оптимального размещения

/

ПЭЛ в пучке тепловыделяющих? элементов. При этом приходится иметь в виду, что после выгорания бора ячейка с ПЭЛ становится источ­ ником тепловых нейтронов и поднимаетуровень тепловыделения в окружающих ее ячейках, в то время как свежий ПЭЛ снижает вокруг

179

себя тепловыделение. Оптимизация размещения ПЭЛ была, в част­

ности, проведена для опытных кассет повышенного обогащения (3,3%)

использованных в реакторе ВВЭР-I для увеличения длительности рабочего периода между перегрузками. Максимальный коэффициент

неравномерности по кассете удалось снизитьна 3%, при этом оп­ тимальным оказалось расположение ПЭЛ на месте углового твэл.

Такое размещение ПЭЛ для штатной загрузки повышенного обогаще­ ния с выгоранцими поглотителями (в частности, для активных зон

2-го и 3-го блоков НВ АЭС) нецелесообразно, так как неравномер­ ное размещение ПЭЛ в размножащей решетке уменьшает суммарную эффективность и увеличивает необходимое их количество; дополни­ тельное сокращение числа твэл ликвидирует выгоду от уменшения

неравномерности (при помещении ПЭЛ в углы шестигранных кассет и расположении этих кассет рядом в пределах кольцевой зоны по­ вышенного обогащения ПЭЛ оказываются размещенными группами по

3 штуки).

Компенсационная кассета в реакторах ВВЭР не только дефор­

мирует "макрополе" в активной зоне, но является также источни­ ком "микронеравнсмерности". Схематично конструкция компенсацион­

ной кассеты приведена на рис. 2.2-18 . Между топливной частью

кассеты и поглотителем (втулки бористой стали) имеется около

200 мм железоводной смеси с преобладанием воды. В районе концеви­ ков тепловыделявдих элементов область высотой около 50 мм содер­ жит водо-циркониевую смесь также с преобладанием воды. Нике расположена ооласть компенсационного ооъема твэл, высота которого доходит до 80 мм, практически не содержащая поглотителей (воде-

циркониевая смесь с газовыми полостями).Весь этот объем при про­ межуточном положении КК по высоте активней зоны является мощным источником тепловых нейтронов, которые увеличивают тепловыделе-

Рис.2.2-18. Схема конструкции компенсационной кассеты,

181

ние в смежных участках рабочих кассет и в концевых участках тепловыделяющих элементов топливной части КК. Характерный вид нейтронного поля в области переходного участка КК, полученного экспериментально на физическом стевде, показан на рис.2.2 - 19

Максимальная величина всплеска энерговыделения (относительно не­ возмущенного "макрополя") может достигать 1,8 - на границе топли­ ва в твэл топливной части КК и 1,26 - в твэл соседней рабочей кассеты. Наиболее простым и достаточно радикальным средством нейтрализации этого источника неравномерности, примененным во всех реакторах ВВЭР, начиная с 1-го блока, стало размещение в верхней части тепловыделяющих элементов топливной части КК (под герметизующей пробкой) столбиков (пробок) из нержавеющей стали высотой 10 см и диаметром , равным диаметру сердечников твэл.

Сечение захвата тепловых нейтронов в этой части кассеты близко к сечению захвата топливной решетки, но размножение нейтронов отсутствует. Достигаемое этим способом снижение всплесков тепло­ выделения характеризуется цифрами, полученными в эксперименте и приведенными ниже в таблице 2.2-3.

Цифры во второй колонке таблицы характеризуют возможное тепловыделение в случае смещения сердечника твэл в каком-либо элементе в верхнюю часть компенсационного объема.

Следует заметить, что всплеск тепловыделения в соседней кассете не распространяется практически далше крайнего ряда твэл. Анализ зависимости всплеска от температуры замедлителя по­ казывает, что при размерах полостей, характерных для конструк­ ции КК, увеличение температуры приводит к уменьшению всплеска тепловыделения.

Поле тепловых нейтронов (относительные единицы)

Рис.2.2-19. Распределение тепловых нейтронов по высоте в районе переходной части компенсационной кассеты.

183

ниях КК показывает, что местоположение максимального асимптоти­ ческого энерговыделения (по "макрополю") никогда но совпадает с положением "всплеска" в компенсационной кассете, и достигнутые значения "микронеравномерностей" являются вполне приемлемыми.

В первоначальной конструкции КК ВВЭР-1 для дополнительного снижения всплеска энергощделения в нержавеющие головки топлив­ ных частей КК вставлялись пластины из бористой стали; в дальней­ шем эта страховочная мера была признана излишней.

Весьма сильным источником "микронеравномерности" в ВВЭР является водяной отражатель. Хотя всплеск тепловыделения затра­ гивает только крайние ряды тепловыделяющих элементов, но абсолют­ ное его значение для отдельных твэл последнего ряда может дости­ гать 3,5 (по отношению к асимптотическому) и в реакторах с упло­ щенным полем абсолютный максимум тепловыделения может сместиться на