Наладка и эксплуатация оборудования АЭС

2.12 Остановка реактора

Мощность ЯР обусловлена торможением осколков деления и излучения в материалах активной зоны. Большая ее часть (~ 90 %) выделяется в момент деления при торможении осколков (Nоск), замедлении и поглощение

Рисунок 2.20 - Изменение мощности после остановки ЯР

мгновенных нейтронов (Nn) и поглощении мгновенного γ-излучения (Nγ). Поскольку она пропорциональна плотности потока нейтронов, ее называют нейтронной мощностью (Nнейтр=Nоскл,n,γ). Уровень ее регулируют реактивностью, а измеряют с помощью ИК или камер деления, расположенных вблизи активной зоны и юстированных в соответствии с мощностью ЯР, рассчитанной по тепловым параметрам: расходу, температуре и теплоемкости теплоносителя. Около 7 % тепловой мощности обеспечивается торможением β,γ- излучения продуктов распада осколков (Nβ,γ). Уровень ее зависит только от количества этих продуктов и интенсивности их распада.

Остановить ЯР - это значит привести его в подкритическое состояние с целью снижения тепловой мощности до уровня Nβ,γ, мощности спонтанного деления (Ncп) и деления ядер фотонейтронами (Nф): Nост=Nβ,γ+(Nсп + Nф)/ρпод.

Скорость снижения мощности после введения отрицательной реактивности зависит в первый момент от введенной реактивности, а потом от особенностей, присущих каждой из составляющих, рассмотренных выше

(рисунок 2.20).

При скачкообразном введении ρ мощность от деления ядер мгновенными нейтронами уменьшится за доли секунды на величину N. Дальнейший спад в течение нескольких минут определяется делением топлива запаздывающими нейтронами, рождающимися из накопившихся осколковисточников этих нейтронов. Значительно дольше продолжается процесс деления фотонейтронами (если они есть). Для ЯР, имеющих в активной зоне D2O или Be, на которых с большой вероятностью протекает реакция (γ, n), вклад фотонейтронов составляет ~15 % доли запаздывающих нейтронов. Основной составляющей тепловой мощности в любом ЯР, целиком определяющей тепловой режим активной зоны через несколько минут после остановки, в течение продолжительного времени будет тепловыделение Nβ,γ Поскольку приборы измеряют мощность по нейтронному потоку, но отградуированы по тепловой мощности, снимаемой теплоносителем в активной зоне, после остановки ЯР они покажут более быстрое снижение мощности по сравнению с фактическим. Сразу после остановки в течение нескольких секунд спад будет замедляться инерцией передачи аккумулированного в материалах активной зоны тепла, зависящей от теплофизических свойств этих материалов (теплоемкости, теплопроводности и др.). Последующие несколько минут приборы контролируют мощность от деления топлива запаздывающими нейтронами, а потом в течение нескольких часов - от деления топлива фотонейтронами. Мощность Nβ,γ, которая в это время уже значительно больше нейтронной, контролируется только температурой теплоносителя. Количественно оценить мощность после остановки ЯР можно по соответствующим формулам.

При введении отрицательной реактивности ЯР становится подкритичным на мгновенных нейтронах на величину ρмгн= βэф+|-ρ| и мощность скачком снижается от N0 до подкритического значения N(l), уменьшаясь на N. После первоначального скачка на мгновенных нейтронах уменьшение нейтронной мощности происходит пропорционально скорости распада осколков-источников запаздывающих нейтронов:

В каждый момент мощность определяется подкритичностью и мощностью источника нейтронов, которым в данном случае являются осколки - источники запаздывающих нейтронов. Каждая группа запаздывающих нейтронов (βi) характеризуется эффективностью (ценностью γi и постоянной распада λi с-1). Ценность каждой группы запаздывающих нейтронов примерно одинакова и её можно вынести за знак суммы (γ1~).

На рисунке 2.21 представлены кривые распада для каждой из шести групп предшественников источников запаздывающих нейтронов. Наибольший вклад в количество нейтронов сразу после остановки дает четвертая группа, но она очень короткоживущая, ею можно пренебречь через 8÷10 с. Через 1мин остаются вторая и самая долгоживущая первая группы.

Рисунок 2.21 - Спад интенсивности рождения отдельных групп запаздывающих нейтронов

На рисунке 2.21 представлена суммарная кривая распада шести групп ядерпредшественников запаздывающих нейтронов

= ( )зап эф + | |,0

по которой можно в каждом конкретном случае для различных ρ и γ оценить мощность, обусловленную запаздывающими нейтронами в любой момент после остановки. Спад потока фотонейтронов, создающего нейтронную мощность после остановки ЯР, происходит по закону, близкому к экспоненциальному с постоянной распада продуктов деления, излучающих γ- кванты, с энергией, достаточной для реакции на Be и D.

Остановка ЯР может быть плановой или аварийной. В первом случае в активную зону вводится поглотитель нейтронов со скоростью, которая обеспечивает допустимую с точки зрения термических напряжений скорость снижения мощности и температуры. Чтобы обеспечить постоянную скорость снижения мощности, введение отрицательной реактивности необходимо

увеличивать пропорционально уменьшению мощности: dN/dt = N/T≈|-р|↑∙N↓ = const. Во втором случае мощность снижается со скоростью, необходимой для сохранения активной зоны в сложившейся аварийной ситуации. Как правило, отрицательная реактивность вводится с максимальной скоростью, например сбросом стержней АЗ. В обоих случаях глубина погружения поглотителей нейтронов должна обеспечить подкритичность, которая не допустит самопроизвольного выхода ЯР в надкритическое состояние при высвобождении р вследствие снижения мощности, температуры и разотравления.

Рисунок 2.22 - Снижение мощности, обусловленной запаздывающими нейтронами, после остановки ЯР

Рисунок 2.23 - Остановка ЯР

На рисунке 2.23 а÷в показаны три случая остановки ЯР. В первом из них (а) после введения отрицательной реактивности -ρi мощность уменьшится, но в связи со снижением температуры при отрицательном ТКР (каким он должен

быть!) произойдет самопроизвольный пуск ЯР. Во втором случае (б) |− 2| > |− | и ЯР будет оставаться подкритичным при полном расхолаживании и в течение продолжительности йодной ямы, но при уменьшении стационарного отравления Хе, он выйдет в надкритическое состояние. В обоих случаях ЯР перейдёт в режим саморегулирования на уровне мощности, зависящим от скорости высвобождения ρ. И только в третьем случае (в) при |− 2| > |− | + |− | ЯР будет надежно заглушен на всё время стоянки. Поэтому каждый раз при остановке ЯР все компенсирующие органы должны быть опущены в положение их максимального физического веса. Если по каким-либо причинам это сделать невозможно, то необходимо исключить возможность высвобождения положительной реактивности, для чего можно снова пустить ЯР, или не расхолаживать, или увеличить концентрацию жидкого поглотителя

вконтуре.

2.13Остаточное тепловыделение. Расхолаживание реактора

Тепловыделение после остановки ЯР, обусловленное торможением и поглощением β,γ-излучения продуктов деления в материалах активной зоны, называют остаточным тепловыделением Nβ,γ. В первые минуты после остановки к остаточному тепловыделению можно отнести также энергию деления ядер запаздывающими нейтронами, а также теплоотдачу нагретых материалов ЯР. Но уже через 2÷3 мин практически Nост ≈ Nβ,γ .

Энергия, выделяющаяся в результате полного распада продуктов деления одного ядра 235U за время t→∞, равна ~25 МэВ, из которых ~10МэВ уносит нейтрино, ~8МэВ энергии β-излучения и часть из ~7МэВ энергии γ- излучения выделяется в виде тепла в активной зоне. Уменьшение суммарной активности излучения осколков деления и продуктов их распада, имеющих различные периоды полураспада, происходит по закону, близкому к степенной функции, которая, как и экспонента, очень быстро убывает. За первую минуту после остановки выделяется ~30 % энергии распада, за 1ч ~60 %, а за первые сутки ~75 %. Для энергетического ЯР это очень большое количество энергии. Так, например, в ВВР мощностью ~500МВт в течение суток стоянки после длительной работы выделяется ~3 • 107кДж. Этой энергии достаточно для расплавления 38т стали. Остальные ~25 % энергии выделяются в течение продолжительного времени (период полураспада некоторых образовавшихся нуклидов достигает 1015 лет).

Абсолютное значение остаточного тепловыделения зависит от количества накопившихся продуктов деления и интенсивности их распада, т.е. от мощности N0, на которой работал ЯР, времени работы Т до остановки и

времени стоянки τст ЯР. Примерно через 10 мин после остановки ЯР Nβ,γ составляет 2÷3 %N0. Для расчета используются формулы, предложенные разными авторами. Большое распространение получила формула Вигнера и Вей:

, = 6,6 ∙ 10−2[ −0,2 − ( ст + )−0,2];

0 ст

, = 6,6 ∙ 10−3[ −0,2 − ( ст + )−0,2];

0 ст

где , - мощность остаточного тепловыделения ЯР через время τст после остановки; N0 - мощность ЯР до остановки, на которой он работал в течение времени Т. (В первой формуле время стоянки и время работы выражено в секундах, во второй — в сутках, a , и N0 — в одинаковых единицах мощности.) Чем больше время работы Т, тем меньше оно влияет на, , так как давно появившиеся осколки к рассматриваемому моменту времени практически полностью распадутся. При Т˃˃τст формулы принимают вид:

, ≈ 6,6 ∙ 10−2 0 ст−0,2, ст (с);, ≈ 6,6 ∙ 10−3 0 ст−0,2, ст (сут);

На рисунке 2.24 эта зависимость представлена в виде графика, с помощью которого можно решать эксплуатационные задачи, связанные с, . Несколько большую точность по сравнению с предыдущей дает формула Унтермейера и Вейлса для природного урана с учетом тепловыделения, обусловленного радиоактивным распадом 239U и 239Np, образующихся при поглощении нейтронов в 238U (рисунок 2.25):

, = 0,1{[( ст + 10)−0,2 − ( ст + + 10)−0,2] − 0,870

∙ [( ст + 2 ∙ 107)−0,2 − ( ст + + 2 ∙ 107)−0,2]}.

Эта формула не позволяет получить удовлетворительных результатов при τст<20c и дает некоторое завышение энерговыделения для ст > (1 ÷ 2) ∙ 107с ≈> (1 ÷ 2) ∙ 102сут.

Так как при работе на стационарном уровне , составляет ~7 % от установившейся полной мощности, то для приближенных оценок можно считать, что после остановки ЯР в пределах первой секунды , ≈0,066 N0.

При 1с≤ τст≤100с некоторые авторы предлагают такую зависимость:

, = 0[( ст + 10)−0,2 − 0,030].

В первые минуты после остановки ЯР Nост, обусловленное запаздывающими нейтронами и β,γ-излучением продуктов деления, можно оценить по общей формуле:

На рисунке 2.26 показано изменение суммарного Noct, после остановки ВВЭР-440.

Географическая зависимость ,= f(N0, Т, τст) дает возможность оператору решать следующие практические задачи:

- определять ,в любой момент τст после остановки ЯР, если он работал в течение времени Т на мощности N0 (см. задачу 3.12.2 и др.);

- оценивать τст по истечении которого после остановки ЯР , снизится до уровня, чтобы перейти на автономную систему расхолаживания.

Рисунок 2.24 - График для приближенной оценки ,после остановки ЯР при

T˃˃τст

Рисунок 2.25 - График для определения , после остановки ЯР

Рисунок 2.26 - Остаточное тепловыделение в активной зоне ВВЭР-440

В период пусконаладочных работ может появиться необходимость определять максимальный уровень мощности N0, на котором можно работать в течение отведенного времени Т, или допустимое время работы Т на необходимом уровне N0, чтобы в том и другом случае по истечении времени стоянки остаточное тепловыделение было не больше ,. Если ЯР до остановки работал на различных уровнях, расчет можно вести исходя из средней мощности ̅ = ∑ / ∑ , которой соответствует количество

накопившихся осколков деления, но при этом следует учитывать возможную погрешность в расчете, обусловленную отклонением ̅ от мощности N, на которой ЯР работал непосредственно перед остановкой. Дело в том, что основной вклад в , дают осколки и продукты их распада, имеющие наибольшую интенсивность излучения, т. е. накопившиеся в последнее время работы ЯР. Поэтому, если средняя мощность окажется больше мощности перед остановкой, то значение рассчитанного , по средней мощности будет завышенным, если меньше - заниженным. Для более точного определения, или τст можно определять тепловыделение для каждого уровня мощности Ni отдельно.

Расход теплоносителя (кг/ч), необходимый для съема NOCT(КВТ) при температуре на входе и выходе ЯР tвх и tвых (°С) и соответствующих энтальпиях iвх и iвых (ккал/кг), определяется по формуле:

= 860ост/(вых − вх).

При отсутствии теплосъема и наличии NОСТ(KBT) скорость разогрева компонентов активной зоны (°С/ч), имеющих массу m1(кг)=G(кг/ч)∙τ(ч) и

t1)/2.

Количество тепла (энергии), необходимого для испарения массы m(кг) вещества, имеющего теплоту парообразования ϒ(ккал/кг),

= 860 = ϒ.

Скорость испарения (кг/ч) соответственно равна

⁄ = 860 ⁄ϒ.

Если параметры выражать в единицах СИ: N(KBT), ( ), m(кг), G(KT/C), t(K), i и ϒ(кДж/кг), ср[кДж/(кг∙К)], то формулы будут иметь такой вид:

= ⁄∆ ; ⁄ = ост⁄∑ ;

= = ̅ ∆ ; = = ϒ; ⁄ = ⁄ϒ.

ост

Остаточное тепловыделение в ЯР обусловливает необходимость организации теплосъема после остановки - расхолаживания (охлаждения) ЯР. В первое время после остановки это осуществляется, как правило, принудительной циркуляцией теплоносителя насосами первого контура или специальными насосами автономной системы расхолаживания. Скорость

расхолаживания, а точнее, скорость снижения температуры, выбирается из тех же соображений, что и скорость разогрева - допустимые термические напряжения в материалах активной зоны. Кроме того, ограничения могут накладываться допустимой скоростью снятия нагрузки на турбогенераторы. Так, ВВЭР-440 после плановой остановки расхолаживают со скоростью 20÷30°С/ч, а РБМК - 10°С/ч. Через некоторое время в зависимости от типа ЯР, взаимного расположения ЯР и ПГ ЦНПК могут быть остановлены, а теплосъем осуществляется естественной циркуляцией под действием движущего напора, создаваемого разностью температур (плотностей) теплоносителя на горячем и холодном участках контура ЯР-ПГ. Например, после плановой остановки РБМК-1000 циркуляция теплоносителя осуществляется специальными насосами расхолаживания до температуры 100°С, а потом естественной циркуляцией. Контролируемым параметром при расхолаживании является температура теплоносителя на выходе из активной зоны. Так, при расхолаживании ВВЭР-440 она не должна превышать 80°С. При этой температуре необходимо пустить насосы, а при снижении ее до 60÷50°С - остановить (рисунок 2.27).

Рисунок 2.27 - Расхолаживание ЯР

Как видно из рисунка, после пуска насоса, как только теплоноситель из активной зоны переместится в контур, температура резко снижается, а потом спад ее происходит медленно. Циркуляция совершенно не влияет на интенсивность тепловыделения. После спада температуры насос можно остановить до очередного предельного повышения температуры. Полное время расхолаживания равно времени, по истечении которого при отсутствии принудительной циркуляции теплоносителя температура не повышается выше предельно допустимого значения для всех компонентов активной зоны. Время расхолаживания обычно больше времени работы ЯР (τрасх˃Т). Но в конце концов при увеличении Т время работы перестает практически влиять на время расхолаживания, так как чем больше Т, тем меньший вклад в остаточное