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

184

тепловыделяющие элементы, расположенные на границе с отражате­ лем (и в некоторых случаях эти твэл могут ограничивать допусти­ мую мощность реактора). Наличие достаточно больших концентраций бора в теплоносителе в начальный период работы между очередны­ ми перегрузками снижает величину всплеска у отражателя. Для того, чтобы полностью исключить этот фактор неравномерности в конструкцию всех реакторов ВВЭР введен нержавеющий "граненый пояс", обеспечивающий достаточное поглощение тепловых нейтронов вблизи границы крайнего ряда рабочих кассет. Рис. 2.2-20 ил­ люстрирует влияние борной кислоты в теплоносителе и граненого пояса толщиной 8 мм на тепловыделение крайних твэл активной зо­ ны реактора ВВЭР-440. Ухудшение отражателя, связанное с установ­ кой граненого пояса, приводит к сокращению кампании реактора

(глубины выгорания топлива) на 2%.

186

2.3. ТТРПИПШ НАЛИЕШТП ТКГЩООТВОДА

Специфичность проблемы отвода тепла в активной зоне ВВЭР определяется в первую очередь использованием низкотеплоцроводннх тепловыделяпцих элементов. Эта важная черта водо-водяных реак­ торов - применение спеченной двуокиси урана в качестве сердеч­ ников твэл - проявляется в проблемах безопасности двумя проти­ воположными сторонами: высокая рабочая температура двуокиси ура­ на, определяемая его низкой теплопроводностью, обуславливает большой отрицательный мощностной коэффициент реактивности, ко­ торый делает реактор безопасным по отношению к возможным повы­ шениям мощности, предотвращает опасные "разгоны"; с другой сто­ роны, высокая температура сердечника, превышающая допустимые рабочие температуры материала оболочки твэл, в случае наруше­ ния отвода тепла от поверхности элемента способствует разогре­ ву оболочки за счет большого количества запасенного тепла и за­ трудняет охлаждение реактора в различных аварийных условиях, свя­ занных либо с потерей теплоносителя, либо с нарушением его цир­ куляции . Проблема надежного теплоотвода в ВВЭРэто проблема двуокисных тепловыделяющих элементов. В настоящем разделе рас­ смотрим одну часть проблемы, связанную с обеспечением надежной циркуляции теплоносителя в реакторной установке.

Выше мы подчеркнули основную особенность теплового режи­ ма активной зоны, определяющую протекание нестационарных процес­ сов в реакторе при нарушениях в системе охлаждения: максималь­ ная рабочая температура сердечника из двуокиси урана находится на уровне 2000°С, температура оболочки - на уровне 350°С; тепло­ емкость сердечника превышает примерно в 4 раза теплоемкость

187

оболочки; если прекратить отвод тепла от оболочки, то даже в отсутствие дополнительного тепловыделения равновесная темпера3

тура установится на уровне 1600-1700°С, что приближается к тем­ пературе плавления циркония (около 1850°С). Предельная темпе­ ратура, при которой циркониевый сплав резко теряет механическую прочность, находится в диапазоне 600-800°С, так что опасными для сохранения оболочки твэл могут быть и более "мягкие" ава­ рийные процессы.

На рис. 2.5-1 показана характерная кривая изменения тем­ пературы оболочки твэл после скачкообразного снижения коэффици­ ента теплоотдачи с 20000 до 1500 ккал/м^,час.°С,

эквивалентного возникновению кризисных условий теплоотвода на поверхности твэл, при уменьшении тепловыделения в сердечнике,

соответствующем срабатыванию быстродействующей аварийной защиты реактора.

Видно, что рост температуры оболочки имеет довольно резкий характер, в то время как снижение ее до исходного значения про­ исходит медленно, с постоянной времени, характерной для двуокис-

ного сердечника (около 5 сек). Таким образом, возникший кризис теплоотвода может сохраниться даже после восстановления циркуля­ ции теплоносителя, затягивая соответственно время существования -

повышенной температуры оболочки.

Первый практический вывод, который следует из изучения этого процесса, можно сформулировать следующим образом: защита активной зоны от повреждений в случае возможного нарушения теп­ лоотвода, направленная по пути прекращения цепной реакции и умень пения тепловыделения - неэффективна. Это средство защиты имеет вспомогательный характер и служит для уменьшения масштаба возмож­ ного повреждения.

Ш

Тепловой потов (относит, единицы)

Начальное значение теплового потока 1,2 . 10^ %^ад м^час

2. - температура оболочки

Рис.2.3-1. Изменение теплового потока и температуры оболочки твэлВВЭР-1 После возникновения кризиса теплоотдачи.

189

Второй вывод: основным средством защиты активной зоны должно быть создание надежной схемы циркуляции теплоносителя.

Возможность отказа системы циркуляции теплоносителя должна соот­ ветствовать допустимой вероятности повреждения тепловыделяющих элементов. Хотя количественная характеристика этих двух сторон оезопасной эксплуатации реактора в настоящее время отсутствует,

опыт разработки ВВЭР позволил выбрать эффективные и целесооб­ разные пути решения возникшей проолемы.

В первых двух поколениях ВВЭР циркуляция теплоносителя в первом контуре ооеспечивается бессальниковыми циркуляционными насосами, которые с точки зрения рассматриваемых процессов обла­ дают наименее блыгоприятными характеристиками: герметичное ис­ полнение ротора электродвигателя обусловило малые габариты вра­ щающихся частей агрегата и соответственно малые маховые массы и малый момент инерции, поэтому циркуляция, обеспечиваемая бес­ сальниковыми насосами, крайне чувствительна ко всем нарушениям электропитания собственных нужд электростанции. На рис. 2.3-2

приведена кривая торможения ротора электронасоса 1-го блока НВ А Х - ПИ-138, кривая уменнпения расхода теплоносителя при полном отключении всех насосов и кривая изменения расхода при

нарушении электропитания, характерном для случая короткого замы­ кания в системе, отключенного резервными защитами (время переры­ ва электропитания 0,4 сек). Эти кривые могут быть сопоставлены с кривой уменшения теплового потока от твэл к теплоносителю пос­ ле срабатывания аварийной защиты реактора^ приведенной там же.

Проектное решение по обеспечению надежной циркуляции тепло­ носителя в реакторной установке, принятое для 1-го и 2-го блоков НВ А Х , базировалось на следующем подходе к проблеме. В номи­ нальном значении расхода.(в. количестве нормально работающих на- .

191

сосов) устанавливается запас, соответствупций возможной потере насосов от единичного нарушения в электрических цепях станции.

Главные насосы питаются попарно от шин 6 кв, и рассматриваемым нарушением является короткое замыкание на одной шине, приводящее к торможению двух насосов. При таком нарушении допускается оста­ новка реактора аварийной защитой; допустимая начальная мощность реактора определяется отсутствием кризиса теплообмена в этом пе­ реходном процессе в любом месте активной зоны. Потеря одного на­ соса в этих условиях должна быть достаточно безопасной и без аварийной остановки реактора. Чтобы снизить величину запаса в расходе (в количестве насосов), источники электропитания насо­ сов расчленяются. Таким расчленением является упомянутое под­ ключение насосов попарно к различным шинам. Кроме того, для уменьшения взаимного влияния различных питающих шин они подклю­ чаются к различным источникам напряжения, отсекаемым аварийны­ ми разъединителями от мест возможных коротких замыканий в общей электросхеме станции. Такими источниками напряжения являются собственные генераторы АЭС: питающие шины ГЦН подключены к от­ пайкам генераторов, в случае падения напряжения в системе генера­ торы отключаются от системы и обеспечивают питание ЩН . Харак­ тер выбранных источников напряжения в максимальной степени дол­ жен обеспечить при дальнейшем развитии аварийного процесса не­ прерывность электроснабжения насосов в самый критический период,

когда тепловой поток из твэл после срабатывания защиты реактора еще не снизился до безопасного уровня. Это требование выполняет­ ся путем использования электромеханического выоега турбогенера­ тора; аварийная остановка реактора требует (во избежание резко­ го расхолаживания реакторной установки) остановки турбин и отклю-

1 9 2

чения генераторов от системы, но инерция вращения ротора турбо­ генератора позволяет обеспечить питание насосов в течение всего опасного периода. Для смягчения протекания процесса аварийной остановки станции предусмотрено еще две меры: при сохранении напряжения в системе и срабатывании стопорного клапана турбины генератор может до двух минут работать в электромоторном режиме,

потребляя энергию из сети; при исчезновении напряжения в систе­ ме и отключении генераторов от сети (режим полного обесточения электростанции) турбина на сниженном уровне мощности (до уров­ ня собственных нужд) может еще некоторое время работать за счет остаточного тепловыделения и расхолаживания (в допустимых пре­ делах) первого контура и парогенераторов - паровой выбег турбо­ генератора, после исчерпания которого и закрытия стопорных кла­ панов турбины следует электромеханический выбег. Помимо пере­ численного в электрической схеме I и 2-го блоков НВ А Х пред­ усмотрены генераторы напряжения 12,5 гц , которые служат для питания Щ Н в процессе охлаждения остановленного реактора при полном обесточении А Х после исчерпания выбега турбогенерато­ ров (снижения частоты напряжения до 35 гц ). Принципиальная схема электроснабжения 1ЦН 1-го блока НВ А Х приведена на рис. 2.3-3 . Основной принцип, положенный в основу формиро­ вания схемы: обеспечение сохранности активной гоны при любом

единичном коротком замыкании или повреждении и поеледупцем от­ казе одного любого элемента схемы, неисправность которого могла остаться незамеченной (например, неотключение генератора от системы, приводящее к потере двух насосов). Исходя из этого принципа самым жестким нарушением, определяющим выбор предельг-

ной тепловой мощности реактора ВВЭР-I (в условиях срабатывания аварийной защиты), является посадка напряжения в системе, при-