Шелегов Физические особенности и конструкция Реактора РБМК-1000 2007

зоны. Таким образом, газ движется по схеме «графит – разрез кольца – стенка канала – разрез кольца – графит».

Рис. 2.15. Фрагмент вертикального сечения активной зоны

В РБМК-1000 в качестве отражателя используется дополнительный слой графита вокруг активной зо

ны – по 0,5 м сверху и снизу и 1 м по цилиндрической поверхности. Он набирается из таких же блоков, но часть отверстий боковых колонн заглушена графитовыми же втулками.

Всего в графитовой кладке 14 слоев и 2488 вертикальных колонн.

2.6. Тепловыделяющий элемент

Твэл реактора РБМК (рис. 2.16) состоит из оболочки 1, топливного столба 2, заглушки 3, наконечника 4 и пружинного фиксатора 5.

Рис. 2.16. Твэл реактора РБМК

31

В качестве топлива используются таблетки из спеченной двуокиси урана. Диаметр таблетки 11,48±0,07 мм, высота – 15 мм. Для уменьшения величины термического расширения топливного столба таблетки на торцах имеют лунки. Радиальный зазор между топливом и оболочкой в холодном состоянии: минимальный – 0,11 мм, максимальный – 0,195 мм.

Таблетки топлива с обогащением 2,6 %, входящие в состав твэлов, имеют центральное осевое отверстие диаметром 2 мм. Экранные таблетки не имеют осевого отверстия и располагаются рядом с заглушкой (т.е. в центре активной зоны).

Оболочка твэла представляет собой трубу длиной 3611 мм, изготовленную из циркониевого сплава Э110 (цирконий + 1 % ниобия):

наружный диаметр − 13,58+−0,050,07 мм;

внутренний диаметр − 11,7+0,1 мм; Заглушка и наконечник также изготовлены из сплава Э-110.

Длина заглушки − 9,5 мм.

Между топливным столбом и наконечником располагается фиксатор, представляющий собой пружину переменного диаметра длиной 128 мм, изготовленную из проволоки диаметром 1,5 мм (материал – циркониевый сплав Ц2М). Масса проволоки − 0,006 кг, длина в распрямленном состоянии − 535 мм.

Начальная среда под оболочкой твэла – газ с объемной долей гелия не менее 99,0 % и давлением не менее (5,0÷7,0)×105 Па

(5,0÷7,0 кгс/см2).

32

Глава 3. Система управления и защиты как средство обеспечения ядерной безопасности реактора РБМК

3.1. Система управления и защиты в реакторе РБМК-1000

Для непрерывной работы реактора активная зона должна находиться в критическом состоянии. Следовательно, для работы реактора необходимо, чтобы активная зона имела избыточную реактивность для компенсации постепенного уменьшения количества делящегося материала в процессе выгорания, а также для компенсации изменения реактивности в связи с накоплением продуктов деления. Эту избыточную реактивность необходимо компенсировать все время, чтобы реактор находился в критическом состоянии при работе на стационарном уровне мощности. Такая задача решается с помощью органов регулирования, в которых применяются материалы, являющиеся сильными поглотителями нейтронов. Органы регулирования при этом выполняют следующие задачи:

•регулируют энерговыделение в активной зоне;

•осуществляют быструю остановку реактора;

•компенсируют быстрое и медленное изменение реактивности, обусловленное температурными колебаниями, накоплением продуктов деления и истощением делящегося материала.

Вреакторостроении для изменения нейтронного потока наиболее широкое распространение получил способ, при котором регулируется количество веществ, поглощающих нейтроны. Следует отметить, что очень большое сечение поглощения приведет к быстрому истощению поглощающего материала из-за превращения его ядер в другие ядра, которые не являются сильными поглотителями нейтронов. По этой причине сильные поглотители нейтронов используются большей частью в качестве выгорающих поглотителей, количество которых в активной зоне должно постепенно уменьшаться для компенсации уменьшения количества делящегося материала в процессе выгорания.

Для успешной работы в реакторных условиях материалы органов регулирования должны обладать такими свойствами, как механическая прочность, высокая коррозионная стойкость, химическая стабильность при рабочей температуре и облучении, относительно низкая плотность, чтобы орган регулирования мог

33

быстро перемещаться, доступность и относительно низкая цена, хорошая обрабатываемость.

В СУЗ РБМК-1000 управление нейтронным потоком осуществляется введением в активную зону стержней-поглотителей, содержащих бор. Естественный бор состоит из двух изотопов (19 % 10В и 81 % 11В) и имеет более низкую поглощающую способность, чем 10В. Бор редко используется в чистом виде, для изготовления стержней в основном применяется карбид бора (В4С) − тугоплавкий материал, имеющий точку плавления между 2340 и 2480 °С. Для изготовления изделий из карбида бора в основном применяют методы порошковой металлургии. Основная проблема при использовании карбида бора заключается в его распухании в результате образования газообразного гелия по следующим нейтронным реакциям:

10B + n → 3 H + 2 4 He ; 10 B + n → 7 Li + 4 He.

Перемещение стержня-поглотителя осуществляется с помощью исполнительного механизма. Исполнительные механизмы работают в комплекте с указателями положения стержней в активной зоне, снабженными сельсинами-датчиками, и ограничителями хода стержней в крайних положениях. Точность указателей ±50 мм. Информация о положении стержней выдается на сельсины-указатели, работающие в индикаторномрежиме в паре с сельсин-датчиками и размещенные на мнемотабло СУЗ на БЩУ и на плато реактора в центральном зале.

Стержень-поглотитель и исполнительный механизм образуют исполнительный орган. В состав СУЗ входят исполнительные органы, представленные в табл. 3.1.

Исполнительные органы РР предназначены для ручного регулирования поля энерговыделения, УСП – для ручного регулирования поля энерговыделения в нижней половине активной зоны. Их отличительные особенности – ввод снизу активной зоны и половинная длина относительно длины стержней РР.

Исполнительные органы АР, ЛАР входят в состав авторегуляторов мощности реактора, которые представлены следующими автоматическими регуляторами:

АРМ – регулятор малого уровня мощности;

34

1,2АР – два регулятора основного диапазона мощности, в работе может находиться только один регулятор, второй – в режиме готовности;

ЛАР – локальный автоматический регулятор мощности реактора, используется в основном диапазоне мощности; с помощью ЛАР осуществляется регулирование мощности 9−12 зон, на которые условно разбита активная зона реактора.

*Данные приведены для первой очереди Смоленской АЭС.

Исполнительные органы ЛАЗ выполняют функцию предупредительной защиты, вводятся в активную зону до момента снятия аварийного сигнала при аварийном превышении заданного уровня мощности в зонах регулирования ЛАР. Исполнительные органы ЛАЗ могут использоваться для ручного регулирования. Для возможности выполнения исполнительными органами ЛАЗ своих защитных функций логической схемой ЛАЗ накладываются ограничения на их положение в активной зоне. Исполнительные органы ЛАЗ используются также для реализации режима перекомпенсации (ПК-АЗ). Режим ПК предназначен для дополнительного ввода в

автоматическом режиме отрицательной реактивности во время аварийного снижения мощности АЗ-1, АЗ-2, управляемого снижения мощности (УСМ), осуществляемого включенным авторегулятором ЛАР или 1(2)АР. Необходимость дополнительного ввода отрицательной реактивности связана с тем, что исполнительные органы

35

авторегулятора не могут обеспечить требуемую скорость аварийного снижения мощности.

Исполнительные органы БАЗ предназначены только для аварийного останова реактора. Для выполнения своих функций они должны постоянно находиться во взведенном состоянии.

Система управления и защиты в реакторе РБМК − практически единственное средство оперативного управления реактивностью, в том числе заглушения реактора и обеспечения подкритичности. То есть является элементом очень важным с точки зрения обеспечения ядерной безопасности РУ. Рассмотрим более подробно некоторые элементы СУЗ.

3.2.Стержни СУЗ

Внастоящее время на реакторах используются стержни СУЗ четырех типов.

Стержни РР (АР, ЛАЗ, ЛАР)

Их конструкция сложилось в результате усовершенствования конструкции стержней СУЗ реакторов первых очередей при внедрении мероприятий по повышению безопасности. Отличительной особенностью от предыдущих конструкций является то, что длина стержней СУЗ увеличена до 6,55 м (на первых очередях они имеют длину 5,5 м, на вторых − 6,2 м) и при положении стержней на ВК поглощающая часть находится на верхнем срезе активной зоны, а низ вытеснителя − на нижнем срезе активной зоны. Это обеспечивает ввод отрицательной реактивности во всем диапазоне перемещения и исключает ввод положительной реактивности во всех ситуациях, что не исключалось при прежней конструкции. Конструкция и расположение стержня РР канале СУЗ представлены на рис. 3.1.

Недостаток стержней данной конструкции − наличие большого столба воды (~ 2,5 м) между вытеснителем и поглотителем в районе телескопического соединения. Это является причиной большого положительного эффекта обезвоживания КО СУЗ в критическом состоянии.

С целью уменьшения данного недостатка при дальнейшем усовершенствовании этих стержней СУЗ разработана конструкция с утолщенным телескопом и юбочной конструкцией нижних поглотителей. Стержни данной конструкции внедрены на САЭС.

36

После установки 25 стержней эффект обезвоживания КО СУЗ в критическом состоянии, измеренный на холодном реакторе, уменьшился на 0,1 β. После установки 50 стержней на 1, 2 блоках величина эффекта обезвоживания КО СУЗ уменьшается на β. Стержни данной конструкции набираются в режимы РР, ЛАЗ.

Скорость ввода стержней в активную зону по сигналу от ключа управления 17−18 с, по сигналу аварийной защиты – 12 с.

Стержни быстрой аварийной защиты (БАЗ)

Они отличаются от предыдущих тем, что у них отсутствует вытеснитель и диаметр поглощающих элементов больше, чем у стержней РР. Кроме того, каналы для стержней БАЗ имеют пленочное охлаждение. Скорость ввода стержней БАЗ от ключа управления 6−7 с, по сигналу БАЗ – 2,5 с. Эффективность стержней БАЗ составляет 2 β. Имея такие характеристики, стержни БАЗ обеспечивают совместно с другими стержнями достаточную скорость ввода отрицательной реактивности (1 β/с) по сигналу БАЗ и гарантировано глушат реактор.

Укороченные стержни поглотители УСП

Стержни УСП состоят из тех же конструкционных элементов, что и стержни РР: поглотителя из четырех звеньев длиной 4088 мм и вытеснителя из шести звеньев длиной 6700 мм. Ход стержней УСП − 3500 мм. Стержни УСП, в отличие от всех других типов стержней, вводятся в активную зону снизу. Вместо телескопического несущего элемента между поглотителем и вытеснителем установлен неподвижный несущий элемент. На всем пути перемещения стержня УСП сохраняется постоянный зазор между поглотителем и вытеснителем, величина зазора составляет 150 мм.

Наличие УСП а активной зоне реактора обусловлено такими конструктивными особенностями реактора РБМК-1000, как:

•наличие пара в верхней части активной зоны, приводящее к тому, что верхние части ДП полностью погруженных стержней СУЗ эффективнее нижних;

•запас реактивности на частично погруженных стержнях РР, АР реализуется в верхней части активной зоны;

•столбы воды между поглотителями и вытеснителями стержней СУЗ, находящихся на ВК, поглощают нейтроны лучше, чем вытеснители.

38

Все эти особенности приводят к тому, что поле энерговыделения смещается в нижнюю часть активной зоны. Для поддержания его формы, близкой к симметричной, предусмотрены УСП. У них длина поглощающей части 4 м, и они вводятся снизу.

Схема расположения стержней исполнительных механизмов СУЗ по высоте активной зоны реакторов РБМК и их геометрические размеры приведены на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Схема расположения стержней исполнительных механизмов СУЗ по высоте активной зоны реакторов РБМК

39

С физической точки зрения стержни СУЗ характеризуются эффективностью (физическим весом), интегральной и дифференциальной характеристиками (табл. 3.2).

Эффективность стержня СУЗ или физический вес – это реактивность, которую стержень может скомпенсировать при введении в

активную зону и, соответственно, высвободить при извлечении из активной зоны.

Эффективность воздействия стержня на реактивность определяется долей нейтронов, поглощенных им в активной зоне, а также дополнительной утечкой нейтронов из реактора, вызванной деформацией нейтронного поля в зависимости от формы, размеров стержня и места его расположения в активной зоне, эффект утечки может составлять 50 % эффекта поглощения.

Эффективность стержня СУЗ определяется относительным распределением нейтронного потока по радиусу реактора и пропорциональна величине (Φ / Φ)2 , где Φ − плотность потока

нейтронов в канале со стержнем СУЗ, Ф − среднее значение относительного распределения плотности потока нейтронов по радиусу реактора.

Эффективность стержня СУЗ без воды выше, чем эффективность стержня с водой, что объясняется поглощением части нейтронов в воде, омывающей стержень.

40