10.5. Материальные составляющие тэр (ткр) реактора

Энергетический реактор, хотя и может служить объектом для академи­ческих рассуждений по поводу некоторых его нейтронно-физических харак­теристик, создаётся для более утилитарной цели - получения энергии.

Поэтому, хотя людям, эксплуатирующим реактор на АЭС, вообще гово­ря, небезразличны теоретические головоломки, служащие "предметом тре­петных волнений" для теоретиков и проектантов, степень интереса у них к теории совсем не та, что у проектантов. Добровольный интерес эксплу­атационника к теории обусловлен не только естественным желанием глубо­кой эрудиции; он подогревается и стремлением проникнуть в замыслы соз­дателей эксплуатируемого им реактора для того, чтобы найти в них отве­ты на естественные вопросы типа: почему это сделано так, а не иначе ?

И все же эксплуатационник - не теоретик и не проектант, его назна­чение состоит совсем в другом, и в процессе своей работы он обязан ду­мать о других, более практических, вещах, связанных с безопасностью ре­актора, эффективностью режимов его использования, параметрах, характерис­тиках и т.п.; чем меньшим числом устойчивых в процессе кампании рабо­чих характеристик обеспечивается безопасная эксплуатация реактора, тем проще работа оператора РУ, поскольку устойчивые (т.е. неизменяющиеся в процессе эксплуатации) характеристики не требуют постоянного контроля. В соответствии с известным философским принципом Оккама: не изобретай лишних сущностей, если можно обойтись без них.

Но вернемся к температурному эффекту реактивности. Если есть та­кой феномен, если он так важен, и никуда от него не уйти, давайте раз­мышлять: когда он возникает и когда он важен?

Во-первых, ТЭР важен не столько при разогреве реактора (хотя и это нельзя игнорировать), сколько при работе реактора в энергетических ре­жимах (на разных уровнях мощности). Во-вторых, важные для дела темпе­ратурные изменения реактивности в работающем реакторе, по сути дела, и возникают при изменениях уровня мощности реактора. Поэтому для эксплу­атационника было бы вполне достаточным (и намного более простым) иметь только одну характеристику: зависимость реактивности от тепловой мощ­ности r_N = f (N_p).

Аналогично определению температурного эффекта реактивности:

Мощностной эффект реактивности реактора на данном уровне его тепловой мощности N_p - это изменение реактивности реактора при подъёме его тепловой мощности от О (от МКУМ) до данного уровня.

И аналогично определению температурного коэффициента реактивности:

Мощностной коэффициент реактивности реактора на данном уровне тепловой мощности N_p - это изменение реактивности реактора при подъёме его тепловой мощности на 1 МВт сверх данного ее уровня.

Такие характеристики есть, они обозначаются соответственно r_N(N_p) и a_N(N_p), измеряются соответственно в % и в %/^oC, взаимосвязаны между собой зависимостями, аналогичными взаимосвязям ТЭР и ТКР:

N_p

r_N(N_p) = ò a_N(N_p) dN_p (10.5.1)

0

a_N(N_p) = dr_N/dN_p (10.5.2)

Все хорошо (,прекрасная маркиза!): есть возможность просто считать и учитывать изменения реактивности в зависимости от более практичной ве­личины - мощности реактора, - а о чисто температурных изменениях реак­тивности эксплуатационнику можно было бы и забыть, потому что быстрый мощностной эффект (коэффициент) реактивности - более ёмкое понятие, чем ТЭР (ТКР), потому что МЭР (МКР) включает в себя все связанные с изме­нениями мощности эффекты реактивности реактора, в том числе и темпера­турные эффекты: и плотностной ТЭР (ТКР), обусловленный водой в актив­ной зоне, и небольшие составляющие ядерного ТЭР (ТКР), связанные с за­медлителем и теплоносителем, и главную составляющую ядерного ТЭР, свя­занную с топливом. Попутно можно было бы забыть и том, какая темпера­тура активной зоны является определяющим параметром для температурного эффекта реактивности - средняя по объёму или средневзвешенная, и пере­стать ломать голову над тем, как ее корректно измерить.

Все хорошо (под сиянием лунным...), но только при условии: зави­симость среднеэффективной температуры от мощности реактора должна быть однозначной функцией. Чего в действительности, к сожалению, нет:

- во-первых, одна и та же величина тепловой мощности реактора

N_p = G_т с_р (t_т^вых - t_т^вх)

может быть получена при различных комбинациях расходов теплоноси­теля G_т и подогревов теплоносителя в активной зоне Dt_т = t_т^вых - t_т^вх, а, значит, в этих комбинациях (учитывая нелинейный характер увеличения температуры теплоносителя по высоте активной зоны) будет меняться даже величина среднеарифметической температуры теплоносителя в активной зо­не t_т^ср = 0.5(t_т^вх + t_т^вых), не говоря уже о величине среднеэффективной температуры его; но это ещё полбеды: в конце-концов энергетический реактор можно эксплуатировать при постоянной величине расхода теплоно­сителя (оптимальной расчётной величине, гарантирующей теплотехническую надежность активной зоны) - при этом взаимосвязь тепловой мощности со средней температурой теплоносителя однозначна: каждой определенной ве­личине N_p соответствует только одно значение Dt_т и t_т^ср;

- во-вторых, одна и та же величина тепловой мощности реактора

N_p = k_тп S (t_U^ср - t_т^ср)

на одной и той же поверхности теплоотдачи твэлов в реакторе S мо­жет быть получена при различных комбинациях величины коэффициента теп­лопередачи k_тп от топлива к теплоносителю и величины среднего темпера­турного напора между топливом и ядром потока теплоносителя (Dt = t_U^ср- - t_т^ср; но в этом случае при постоянстве расхода теплоносителя в любом конкретном реакторе каждому определенному уровню тепловой мощности ре­актора будет соответствовать только одно значение Dt (или только одна тройка определенных значений k_тп, t_т^ср и t_U^ср), так как здесь человек бессилен: здесь распоряжается Природа с помощью законов теплотехники;

- в-третьих, величины средних температур топлива и теплоносителя зависят от характера распределения тепловыделения по высоте реактора, а, значит, от характера вертикальной составляющей нейтронного поля активной зоны (а это - очень изменчивая в процессе эксплуатации активной зоны составляющая).

Именно из-за неоднозначности зависимости r_N = f(N_p), из-за её из­менчивости в различных условиях эксплуатации энергетических реакторов, операторы РУ вынуждены пользоваться в своих физических расчетах и раз­личными составляющими ТЭР (или ТКР). Потребности в выполнении расчётов при различных расходах теплоносителя, при различных средних температу­рах топлива, замедлителя и теплоносителя, в различные моменты кампании активной зоны диктуют потребность точно знать величины всех составляю­щих ТЭР (ТКР), а это, в свою очередь, рождает потребность иметь такие составляющие ТЭР (ТКР), которые можно корректно измерять экспериментально в рабочих условиях при эксплуатации реактора, поскольку они изме­няются в процессе кампании.

А поскольку общий температурный эффект реактивности реактора, как ни поверни, складывается из составляющих, определяемых каждым материа­лом активной зоны реактора, а каждый материал в различных условиях эк­сплуатации может изменять свою температуру в достаточно широких преде­лах, и изменять её как совместно с температурными изменениями иных ма­териалов, в закономерной связи температурных изменений всех материалов активной зоны (в силу действия законов теплотехники), так и независимо от температурных изменений в других материалах (из-за того, что на ес­тественный процесс работы реактора оказывает различные управленческие воздействия человек), - в силу всего этого в услових множественной неоднозначности характеристик температурных эффектов эксплуатационнику оказывается проще иметь дело с составляющими ТЭР по матери­алам активной зоны.

Эти материальные составляющие ТЭР (ТКР) у разных типов реакторов разные, поскольку тип теплового энергетического реактора как раз и оп­ределяется совокупностью используемых в нём основных материалов - топ­лива, замедлителя и теплоносителя.

10.5.1. Материальные составляющие ТЭР реакторов типа ВВЭР. Набор материальных составляющих ТЭР для реакторов типа ВВЭР выглядит так:

- температурный эффект (коэффициент) реактивности по теплоносите­лю (по воде) - r_t(tт) (a_t(t_т));

- температурный эффект (коэффициент) реактивности по топливу.

а) ТЭР (ТКР) по теплоносителю. Прежде всего отметим, что правильное название этой составляющей - "по теплоносителю", а не "теплоноси­теля", как это часто можно слышать на станции. Этим сразу подчеркива­ется, что ТЭР (ТКР) по теплоносителю - не есть температурное изменение реактивности реактора вследствие только и исключительно изменения тем­пературы одного теплоносителя. (Это даже трудно представить: избирате­льно растёт температура воды в реакторе, а температура твэлов при этом остается неизменной). Нет, ТЭР (ТКР) по теплоносителю - вполне реаль­ные величины, они достаточно легко измеряется опытным путем; метод их измерения основан на том, что реактор медленно разогревается от посто­роннего источника тепла (вспомогательной котельной), при этом средняя температура воды в нём поднимается на несколько градусов в час, отчего вместе с температурой воды идёт почти с той же скоростью разогрев и топлива твэлов, омываемых водой. Изменение реактивности вначале критичного на МКУМ реактора после повышения средней температуры теплоносителя на не­сколько градусов фиксируется с помощью реактиметра, частное от деления Dr на Dt_т и даёт величину ТКР реактора по теплоносителю при средней в интервале Dt_т температуре теплоносителя. Важно, что в указанных усло­виях вместе с температурой теплоносителя одновременно (или практически одновременно) повышается и температура твэлов, следовательно, величина ТКР по теплоносителю при любой температуре t_т есть алгебраическая сум­ма следующих температурных изменений реактивности:

- плотностной и ядерной составляющей ТКР, обусловленной разогревом на 1^оС теплоносителя в реакторе;

- ядерной составляющей ТКР, обусловленной разогревом на 1^оС топли­ва и оболочек твэлов в реакторе.

Именно эта сумма изменений реактивности реактора измеряется опыт­ным путём при медленном разогреве критичного на МКУМ реактора от внеш­него источника тепла и называется температурным коэффициентом реактивности реактора по теплоносителю.

Типичный вид такой кривой a_t(t_т), полученной опытным путём на реак­торе ВВЭР-1000 (1-й блок ХАЭС, 5-я топливная загрузка) представлен на рис.10.5.

Рис.10.5. Зависимость температурного коэффициента реактивности по теплоносителю от температуры теплоносителя ВВЭР-1000.