9. Особенности переходных процессов при сообщении реактору малых и больших реактивностей

Малые реактивности. В соответствии с произведенной переоценкой малыми считаем реактивности, удовлетворяющие неравенству r << b_э.

Из взаимосвязи величин реактивности и периода реактора Т, выражаемой уравнением обратных часов ₆

r = l / T + å [ b_эi / (1 + l_iT) ]

ⁱ⁼¹

следует, что при малых реактивностях величина периода реактора большая, а это значит, что величина произведения l_iT >> 1, то есть единицей в знаменателе под знаком суммы можно попросту пренебречь. Кроме того, во много раз большая по сравнению с временем жизни мгновенных нейтронов l величина периода Т позволяет пренебречь и первым слагаемым правой части уравнения обратных часов (l / T » 0). Поэтому уравнение обратных часов при малых реактивностях приобретает вырожденный вид:

₆

r » (1 / T) å b_эi / l_i . (12.33)

^{i = 1}

Но так как под знаком суммы остались одни физические константы, то сумма их - тоже физическая константа и

r » const / T

Иначе говоря, при малых реактивностях величина периода реактора

Т » const / r (12.34)

практически постоянная величина, обратно пропорциональная величине сообщённой реактору реактивности. То есть переходный процесс n(t) при малых реактивностях представляет собой одну экспоненту с практически постоянной величиной периода. А это значит, что переходные процессы при малых реактивностях протекают практически без стадии начального скачка. И это понятно: при малых реактивностях определяющую роль в характере переходных процессов n(t) играют запаздывающие нейтроны ( в выражении (12.33) все постоянные величины являются характеристиками запаздывающих нейтронов). Иными словами, формально уравнение обратных часов в случае малых реактивностей вырождается в изначальную формулу для периода реактора, которая была введена при анализе элементарного уравнения кинетики реактора. Роль константы в формуле (12.34) играет величина среднего времени жизни только запаздывающих нейтронов.

Подставив в (12.34) значения физических констант и значения величин эффективных долей выхода запаздывающих нейтронов всех групп (применительно к реакторам больших размеров, к которым относятся практически все реакторы АЭС, b_эi = b_i), можно получить:

r » 0.08335 / T,

а для маломощных реакторов с более умеренными размерами активных зон:

r » (0.08335 / T) c, (12.35)

где c - величина ценности запаздывающих нейтронов в реакторе.

Большие реактивности. При больших реактивностях (то есть имеющих порядок величины эффективной доли выхода запаздывающих нейтронов в реакторе -b_э) период реактора Т, как мы уже убедились, мал, причём уже при r = 0.7 bэ он настолько мал, что величина произведения l_iТ оказывается меньшей единицы более чем на два порядка, то есть этой величиной в уравнении обратных часов можно пренебречь:

₆

r » (l / T) + å b_эi = (l / T) + b_э (12.36)

ⁱ⁼¹

Величина суммарной эффективной доли запаздывающих нейтронов bэ = 0.0064 при малых величинах реактивности оказывается очень малой сравнительно с величиной l / T, поэтому ею также можно пренебречь, то есть

r » l / T (12.37)

Мы пришли к приближённому выражению взаимосвязи реактивности и периода реактора, в котором характеристики запаздывающих нейтронов (l_i и b_эi) вследствие их малости отсутствуют. Единственная характеристика, которая связывает в этом случае величины реактивности и периода реактора, - время жизни мгновенных нейтронов ( l ). А это значит, что при сообщении реактору большой положительной реактивности переходный процесс n(t) обусловлен, главным образом, размножением на мгновенных нейтронах; запаздывающие нейтроны при r ³ b_э перестают играть свою сдерживающую роль в интенсивном развитии переходных процессов.

Экспоненциальный рост плотности нейтронов с очень малым периодом разгона внешне ничем не отличается от резкого (гигантского) скачка. Вот почему весь переходный процесс n(t) в реакторе при сообщении ему большой положительной реактивности представляет собой один большой скачок, совершающийся в течение очень малого промежутка времени, и обусловленный быстрым размножением на мгновенных нейтронах.

10. Как управляют реактором на малых уровнях мощности?

Итак, рассмотрены два случая развития кинетических процессов n(t) в “холодном” реакторе при сообщении ему положительной или отрицательной реактивности. Для чего был затеян весь этот (в общем-то, теоретический) разговор? Зачем он нужен оператору-эксплуатационнику?

Это совершенно необходимо для того, чтобы понять, как оператору следует поступать практически при управлении реактором и уметь предвидеть, как “отзовётся” реактор на то или иное воздействие со стороны оператора.

Конечно, этими двумя случаями вся кинетика реактора далеко не исчерпывается, но их в принципе уже достаточно, чтобы понять, как следует действовать оператору реакторной установки для увеличения или снижения мощности реактора.

Несмотря на то, что рассматривалась кинетика идеализированного, “холодного” реактора, выявленные закономерности вполне применимы к управлению реальным реактором на малых уровнях мощности, лежащих в пределах между МКУМ (минимально контролируемым уровнем мощности) и значениями (4 ¸ 5)% от номинального уровня мощности реактора.

12.5.1. Если требуется увеличить уровень мощности реактора, первоначально работавшего в критическом режиме на малом уровне мощности N_р1, оператор должен сообщить реактору некоторую величину положительной реактивности, для чего достаточно переместить из критического положения на некоторое расстояние вверх любой стержень-поглотитель (или группу поглотителей). Процедуры перемещения стержня-поглотителя и характер изменений мощности реактора после выполнения этих перемещений в диаграммном виде показаны на рис.12.5.

Рис. 12.5. Основные операции, выполняемые с помощью подвижных стержней-поглотителей при подъёме мощности реактора, и переходные процессы N_р(t), которые следуют в реакторе в ответ на перемещения поглотителей. (Ради схематической простоты группа управляющих стержней-поглотителей показана как один стержень).

Сообщение реактору положительной величины реактивности на малом уровне мощности вызывает в реакторе вначале небольшой скачок мощности (реактор управляется введением небольших реактивностей), который затем плавно переходит в экспоненциальное нарастание мощности с установившимся периодом (участок (а) переходного процесса).

Если нам кажется, что процесс увеличения мощности реактора идёт недостаточно быстро, и желательно увеличить темп роста мощности, интуиция подсказывает, что для этого нужно увеличить значение реактивности реактора. Это достигается путём дополнительного перемещения поглотителей вверх из последнего их положения. В ответ на это возмущение реактивности реактор опять отзывается начальным скачком мощности вверх, переходящим в экспоненциальное нарастание мощности с новым (меньшим по величине) установившимся периодом, благодаря чему рост мощности реактора будет происходить по более крутой экспоненте (участок б).

Ну-ну, не так быстро! - решаете вы и опускаете поглотители в предыдущее (надкритическое) положение. Реактор на это снижение реактивности отзовётся начальным скачком мощности вниз, но так как поглотители вернулись в старое надкритическое положение, реактор после этого скачка вниз будет продолжать более медленный разгон мощности по той же старой экспоненте (участок в), по которой шло увеличение мощности на участке (а).

Но скорость увеличения мощности по сравнению с участком (а) на участке (в) стала большей (не забывайте, что экспоненциальный темп - это всё более и более нарастающий со временем темп), и (чтобы оградить себя от неприятностей) вы решаете ещё больше снизить темп нарастания мощности. Вы опускаете ещё ниже стержни-поглотители в активной зоне, оставляя их всё же выше критического положения: реактор немедленно отреагирует на это ваше действие скачком мощности вниз, завершающимся переходом на более пологую возрастающую экспоненту, соответствующую более малой величине введенной положительной реактивности. У вас появилось время понаблюдать, как медленно растёт мощность реактора, приближаясь к нужному вам уровню (участок (г)).

Наконец, мощность реактора достигает требуемого уровня. Хватит, стоп! - решаете вы и уверенным нажатием на ключ перемещения рабочей группы поглотителей возвращаете группу в исходное критическое положение. При этом величина мощности реактора небольшим скачком “дёргается” вниз и “замирает” на достигнутом к этому моменту уровне, или, выражаясь на операторском языке, стабилизируется на этом уровне: реактор вновь стал критичным на новом, более высоком, уровне мощности, его реактивность вновь стала равной нулю (участок (д)).

Так управляют подъёмом мощности реактора на небольших уровнях мощности, на которых любой реальный энергетический реактор ведёт себя в точности как идеальный “холодный” реактор.

Существенным моментом техники управления реактором при любом сообщении ему положительной реактивности является осторожность введения реактивности, являющаяся основной мерой обеспечения ядерной безопасности реакторной установки. Смысл её заключается в непрерывном слежении за нарастанием мощности реактора по приборам-измерителям нейтронной мощности и по приборам-периодомерам. Технологический регламент для любой ЯЭУ устанавливает ограничения по величине периода удвоения мощности. Например, для реакторов атомного ледокола “Арктика” минимальная допустимая величина периода удвоения мощности, разрешённая Технологической Инструкцией по управлению, составляет 30 с. Оператор может допустить введение положительной реактивности и большее величины, соответствующей периоду удвоения в 30 с: в этом случае при снижении величины текущего значения периода удвоения менее 20 с на табло предупредительной сигнализации зажигается мигающий сигнал “Т<20с”, сопровождающийся прерывистым звуковым сигналом и предупреждающий оператора о необходимости быть осторожным и побуждающий уменьшить величину введенной положительной реактивности. Если и это предупреждение останется без внимания и величина периода удвоения мощности снизится ниже 15 с, - по сигналу недопустимо малого периода срабатывает автоматическая аварийная защита реактора, и в активную зону реактора с максимальной скоростью вводятся все штатные поглотители СУЗ.

Аналогичные по сути и содержанию технические меры обеспечения ядерной безопасности принимаются на любой реакторной установке; цифры конкретных ограничений по предупредительной сигнализации и аварийной защите у разных реакторов, естественно, разные, но объективная суть их одна и та же: побуждение оператора к уменьшению реактивности реактора, а в случае непринятия мер или ошибочных действий оператора - автоматическое введение в действие аварийной защиты, приводящее к останову реактора.

В реакторах типа ВВЭР-1000 Технологический Регламент устанавливает допустимую величину периода удвоения мощности реактора при положительных реактивностях, равную 100 с.

11. Если требуется уменьшить уровень мощности реактора, действия оператора имеют ту же теоретическую подоплеку. Вначале стержень-поглотитель (или группа поглотителей) опускается ниже критического положения, сообщая тем самым реактору некоторую величину отрицательной реактивности. Реактор на это возмущение по реактивности отзывается переходным процессом снижения мощности N_p(t) с характерными для него стадиями - начального скачка и последующего экспоненциального спада мощности с установившимся периодом, величины которых определяются значением сообщённой реактору отрицательной реактивности (стадия (а) на рис.12.6).

Рис. 12.6. Основные операции со стержнями-поглотителями регулирующей группы при снижении мощности реактора и изменения мощности реактора, вызываемые этими перемещениями стержней-поглотителей.

При необходимости увеличить скорость снижения мощности реактора оператор имеет возможность увеличить абсолютную величину отрицательной реактивности реактора, опустив группу регулирующих поглотителей ещё ниже: будет наблюдаться ещё один скачок мощности реактора вниз, переходящий затем в спад мощности по более крутой экспоненте(стадия б ).

При снижении мощности реактора до намеченного уровня оператор поднимает регулирующую группу поглотителей до исходного (критического) их положения, снижая абсолютную величину реактивности реактора до нуля, то есть делая реактор критическим на достигнутом к этому моменту более низком уровне мощности.

12. Автоматическая стабилизация мощности реактора. Ещё раз напомним, что всё сказанное о технике управления реактором строго справедливо только для “холодного” реактора. С некоторыми оговорками закономерности переходных процессов в их “чистом” виде можно наблюдать и в реальных реакторах АЭС на относительно малых уровнях мощности (в совсем нехарактерных для энергетических реакторов режимах).

В реальных энергетических реакторах, отличающихся от “холодного” реактора наличием температурных эффектов реактивности, переходные процессы изменения мощности реактора при сообщении реактивности той или иной величины и знака имеют более сложный характер.

Анализу переходных процессов изменения тепловой мощности реактора в энергетических режимах работы реактора будет далее посвящена отдельная тема.

Сейчас же хотелось бы сосредоточить внимание на том, что “холодный” реактор как объект регулирования является объектом неустойчивым: любое, даже самое малозаметное, возмущение по реактивности положительного или отрицательного знака заставляет такой реактор либо непрерывно увеличивать его мощность, либо неуклонно снижать её до полной остановки реактора. И если бы реальный энергетический реактор был лишён уже известного нам отрицательного температурного коэффициента реактивности, он был бы именно таким неустойчивым реактором. Вы сразу можете взять на заметку после сказанного, что реальный энергетический реактор на номинальной (100%-ной) мощности всегда более устойчив, чем на меньших уровнях мощности. Это - однозначно и должно быть понятно: чем меньше уровень тепловой мощности реактора, тем ближе по свойствам этот реактор к “холодному” (а, значит, неустойчивому) реактору. И работа оператора реакторной установки в таком случае была бы нудной пыткой, приковывающей к себе всё его внимание и заставляющей постоянно балансировать органами управления и думать только о том, как бы не заглушить реактор или, того хуже, пустить его (sorry !) “вразнос” .

В связи с этим для конструкторов реактора есть, по крайней мере, две проблемы:

13. во-первых, необходимость спроектировать реактор устойчивым в любых проектных режимах его эксплуатации в любой момент кампании, причём, устойчивым на базе внутренних свойств самого реактора, опираясь на присущие самому реактору внутренние отрицательные обратные связи, обеспечивающие процесс самоподдержания мощности реактора или, что то же, - нулевой реактивности реактора в условиях реального возникновения возмущений по реактивности;

14. во-вторых, необходимость предусмотреть систему автоматического регулирования мощности реактора, освобождающую оператора от тягостных и многократно повторяющихся действий по поддержанию мощности реактора на требуемом уровне на тот случай, если в какой-то момент кампании эффективности внутренних отрицательных обратных связей окажется недостаточно для стабилизации мощности реактора.

Система автоматического регулирования (АР) обычно предусматривает одну или две группы специально выделенных для этой цели подвижных стержней-поглотителей, попеременно работающих в активной зоне. Каждый канал АР строится по принципу измерения величины разбаланса между фактическим и заданным уровнями мощности реактора, усиления сигнала этого разбаланса и направления его для воздействия на сервопривод группы АР таким образом, чтобы перемещением группы по высоте активной зоны свести разбаланс к нулю.

Принципиальная блок-схема канала АР приведена на рис.12.7.

Рис. 12.7. Принципиальная схема построения канала автоматического поддержания мощности реактора.

Электрический сигнал в виде тока от детектора-измерителя нейтронной мощности реактора (группы ионизационных камер) поступает на вход усилителя канала АР (на схеме - УАР), где усиливается до нужных для операционного воздействия величин. В задающем устройстве (ЗУ) формируется токовый сигнал, пропорциональный задаваемой мощности реактора. С выходов УАР и ЗУ токовые сигналы подаются на вход суммирующего устройства (СУ), с выхода которого сигнал, пропорциональный разбалансу фактической и заданной мощностей реактора, подаётся на управляющую обмотку синхронного реверсивного электродвигателя, вращение которого с помощью механической передачи (редуктора и реечного механизма) преобразуется в поступательное перемещение группы управляющих стержней АР.

Направление движения стержней АР определяется полярностью сигнала разбаланса: если разница фактической и заданной мощности реактора DN_р = N_рфакт - N_рзад положительна (то есть фактическая мощность превышает заданное её значение), то электродвигатель перемещает стержни вниз, сообщая реактору, тем самым, отрицательную реактивность, заставляющую реактор снижать уровень мощности до тех пор, пока он не уменьшится до заданной величины, результируя нулевую величину разбаланса DN_р, при которой перемещение стержней прекратится. Если первоначальный разбаланс DN_р оказывается величиной отрицательной, то есть фактическая мощность реактора ниже заданного уровня, привод перемещает стержни вверх, сообщая реактору положительную реактивность, приводящую к подъёму мощности реактора до заданной, после чего движение стержней останавливается.

По такому принципу строятся все токовые автоматические регуляторы мощности реакторов.