Шелегов Физические особенности и конструкция Реактора РБМК-1000 2007

При сливе воды из КО СУЗ стержни лишаются «водного экрана», поток тепловых нейтронов, падающих на них, увеличивается, что приводит к увеличению эффективности стержня.

Увеличение эффективности стержней СУЗ при сливе воды из КМПЦ происходит за счет увеличения длины миграции нейтронов

вреакторе (уменьшается поглощение в воде).

Вцелом величина абсолютной эффективности стержня СУЗ зависит от размеров реактора (радиус), физических свойств активной зоны (длина миграции), размеров стержня СУЗ (радиус, длина), его поглощающих свойств и места расположения в активной зоне (относительное распределение нейтронного потока в канале со стержнем СУЗ).

3.3. Снижение положительного эффекта реактивности при обезвоживании КО СУЗ

Кардинальное решение проблемы в части существенного снижения положительного эффекта реактивности при обезвоживании КОСУЗ до безопасной (менее 1 βэф) величины − внедрение кла-

стерных регулирующих органов (КРО).

При использовании КРО взамен штатных стержней:

•не требуется разделение КО СУЗ на два независимых контура, так как при этом снижение положительного эффекта реактивности обезвоживания КО СУЗ достигается путем существенного

уменьшения количества воды в каналах СУЗ за счет конструктивного исполнения КРО;

•не требуется дополнительного останова и переформирования загрузки энергоблока, так как установка КРО осуществляется поэтапно в процессе плановой замены стержней СУЗ, выработавших назначенный срок службы.

Внедрение КРО позволит улучшить показатели ИМ СУЗ по эффективности, надежности и ресурсу, а также технико-экономи- ческие показатели реактора за счет:

•увеличения быстродействия в аварийных режимах (более чем

вдва раза);

•перекрытия поглотителем всей высоты активной зоны;

•исключения гидродинамических нагрузок на подвижные элементы ИМ и ударных нагрузок, характерных для стержней с подвижным механическим вытеснителем.

41

Кроме того, значительное снижение количества воды (как «паразитного» поглотителя) в каналах СУЗ c КРО приведет к улучшению баланса нейтронов, повышению выгорания топлива в активной зоне и, следовательно, более рациональному использованию и экономии топлива.

Принципиальным отличием КРО от штатных стержней СУЗ, включая стержни БАЗ, является то, что его рабочий орган перемещается не в канале СУЗ, а в собственном дополнительном каналегильзе, которая неподвижно устанавливается в канал. При этом внутренняя полость гильзы герметична по отношению к внешней охлаждающей воде, которая циркулирует в кольцевом зазоре, ограниченном внутренней поверхностью канала диаметром 82 мм и наружной поверхностью гильзы диаметром 79 мм.

В данном случае гильза выполняет функции как неподвижного механического вытеснителя «лишней» воды из канала СУЗ, так и направляющей для рабочего органа.

При использовании КРО количество воды в канале на участке активной зоны снижается до 3 л на один канал, а положительный эффект реактивности при обезвоживании КО СУЗ в критических состояниях снижается до величины менее 1 βэф. Дополнительно снижение количества воды в активной зоне позволяет повысить и технико-экономические показатели реактора за счет увеличения глубины выгорания топлива.

При любых высотных распределениях плотности потока нейтронов конструкция КРО исключает возможность появления таких нежелательных эффектов, как «обратный ход реактивности» или «положительный выбег реактивности», поскольку однородный поглотитель рабочего органа КРО перекрывает всю высоту активной зоны, а количество охлаждающей воды на любом уровне по высоте активной зоны сохраняется постоянным, независимо от положения рабочего органа.

Поскольку рабочий орган КРО перемещается в собственной направляющей − «сухой» полости гильзы, это позволяет улучшить показатели ИМ СУЗ по эффективности, надежности и ресурсу, по сравнению со штатными стержнями, за счет:

•увеличения скоростной эффективности в аварийных режимах (более чем в два раза);

•перекрытия поглотителем всей высоты активной зоны;

42

•исключения гидродинамических нагрузок на подвижные элементы ИМ и ударных нагрузок, характерных для стержней с подвижным механическим вытеснителем.

Для сравнения КРО со штатными стержнями СУЗ в табл. 3.3 представлены их основные параметры и характеристики.

Кластерный регулирующий орган включает в себя (рис. 3.3):

•гильзу;

•рабочий орган (ПЭЛ – поглощающий элемент);

•защитную пробку;

•аварийный демпфер;

•опору.

Гильза КРО выполнена на основе круглой фасонной 12-ка- нальной трубы из высокопрочного алюминиевого сплава САВ1.

Таблица 3.3 Характеристики и параметры штатных рабочих

органов СУЗ и КРО

Гильза представляет собой полый цилиндр длиной ~16,5 м и наружным диаметром 79 мм, внутри которого имеется 12 продольных

43

каналов (диаметром 10 мм каждый), равномерно расположенных по периметру и предназначенных для размещения и перемещения поглощающих элементов рабочего органа КРО. Нижняя часть гильзы имеет геометрическую заглушку – донышко, а верхняя часть гильзы заканчивается фланцем, которым она опирается на головку канала СУЗ.

В центральной полости гильзы (диаметром 52 мм) в нижней ее части на участке высоты активной зоны (~7 м) установлена опора (труба диаметром 50 мм и толщиной стенки 2 мм из алюминиевого сплава САВ1), ограничивающая выход поглотителя из зоны при обрыве ленты СП.

Рис. 3.3. Схема расположения КРО:

1 – канал СУЗ; 2 – гильза; 3 – защитная пробка; 4 – ПЭЛ; 5 – подвеска; 6 – сервопривод; 7 – аварийный демпфер; 8 – опорная труба; 9 – клапан; 10 – закладка; 11 – защита; 12 – подвод воды КО СУЗ

Гильза КРО выполняет функцию неподвижного вытеснителя «лишней» воды из канала СУЗ на участке активной зоны и одно-

44

временно является направляющей для перемещения в ней рабочего органа (аналогично тому, как канал СУЗ выполняет роль направляющей для штатного стержня СУЗ).

Герметизация канала СУЗ с установленной в нем гильзой осуществляется прокладкой, расположенной между фланцем гильзы и посадочной поверхностью головки канала. Обжатие прокладки осуществляется через нажимной фланец двумя болтами.

Рабочий орган КРО представляет собой сборку 12-ти поглощающих элементов (пэлов), шарнирно закрепленных в верхней части на серьгах подвески. Подвеска в верхней части имеет захват для соединения с лентой сервопривода посредством невыпадающего шпоночного валика (аналогично принятому соединению штатных стержней СУЗ с лентой СП).

Каждый пэл длиной 7600 мм состоит из двух шарнирно соединенных между собой звеньев. Каждое звено пэла представляет собой оболочку (диаметром 8,2 мм и толщиной стенки 0,6 мм) − трубу из нержавеющей стали, заполненную порошковым поглотителем титаном диспрозия с плотностью засыпки не менее 4,9 г/см3 и герметично заглушенную с торцов концевыми деталями.

Каждый пэл размещается в соответствующем канале диаметром 10 мм гильзы КРО.

Подвеска представляет собой стальной цилиндр диаметром 50 мм и состоит из двух частей, соединенных посредством байонетного захвата, который фиксируется от самопроизвольного разворота специальным кольцом. В нижней части подвески расположен аварийный демпфер и двенадцать серег, на которых шарнирно крепятся поглощающие элементы рабочего органа КРО.

В верхней части подвески расположен захват, посредством которого обеспечивается соединение подвески с лентой СП, обеспечивающего перемещение рабочего органа КРО в гильзе. Захват установлен с возможностью вращения относительно подвески, что необходимо для исключения закручивания ленты СП при проведении монтажных работ.

Подвеска выполняет также роль дополнительной биологической защиты от прострельного радиационного излучения.

Аварийный демпфер предназначен для снижения динамических нагрузок на гильзу и рабочий орган КРО в случае свободного паде-

45

ния рабочего органа по причине обрыва ленты СП с целью сохранения целостности КРО в подобной ситуации.

Демпфер скомпонован с подвеской, что обеспечивает возможность его демонтажа и замены после срабатывания без извлечения рабочего органа из гильзы КРО. Демпфер состоит из стального конусного наконечника и специальной шайбы из алюминиевого сплава САВ1, на которой закреплена верхняя часть конусного наконечника.

Вслучае обрыва ленты СП рабочего органа КРО падает в зону наконечником на опору. При ударе наконечника об упор опоры он вводится в шайбу, пластически ее деформируя, что обеспечивает эффективное гашение энергии свободно падающего рабочего органа с сохранением целостности КРО.

Вверхней части гильзы (в районе головки канала СУЗ) установлена стальная биологическая защитная пробка (длиной 650 мм) с П-образным пазом шириной 2 мм для прохода ленты СП, в который вставляется стальная закладка для уменьшения прострельного радиационного излучения из активной зоны.

Дополнительно для защиты от радиационного излучения на корпусе СП установлена накладка (см. рис. 3.3), а также дополнительно приняты меры по исключению совпадения паза пробки с пазами гильзы КРО.

Вкачестве альтернативного варианта средства защиты от прострельного радиационного излучения наиболее целесообразно использовать стальную защитную пробку с криволинейным П-образным пазом шириной 2 мм. При этом нет необходимости применения закладки и накладки.

Проведенные полномасштабные стендовые ресурсные испытания КРО в режимах РР АЗ и АР в составе с имитатором пробки, полностью имитирующего геометрию криволинейного паза, подтвердили сохранение работоспособности как КРО, так и ленты СП.

3.4.Дифференциальная и интегральная характеристики

стержня СУЗ

Важными характеристиками стержней СУЗ являются их интегральная и дифференциальная характеристики.

46

Дифференциальная эффективность стержня СУЗ – это отношение изменения реактивности (подкритичности) при пошаговом вводе в активную зону реактора отдельного стержня СУЗ к величине шага перемещения этого стержня. Полученная величина приписывается середине перемещаемого участка стержня. Характеризуя эффективность участка стержня СУЗ на различных высотных участках активной зоны в сформировавшемся нейтронном поле, дифференциальная эффективность используется для оценки формы высотного энергораспределения и коэффициента неравномерности энергораспределения по высоте активной зоны

dρdz = F (z),

т.е. изменение реактивности при перемещении стержня на единицу длины в различных по высоте положениях.

Интегральная эффективность стержня СУЗ (вес) – это изменение реактивности (подкритичности) при вводе в активную зону реактора отдельного стержня СУЗ от ВК до НК. Интегральная эффективность стержня СУЗ используется для экспериментальной оценки формы радиально-азимутального знергораспределения и коэффициента неравномерности энергораспределения по радиусу активной зоны.

Среднее распределение нейтронного потока по высоте реактора, интегральные и дифференциальные характеристики стержней СУЗ в рабочем и холодном состояниях представлены на рис. 3.4, 3.5 и 3.6.

Рабочее состояние Холодное состояние

Рис. 3.4. Среднее распределение нейтронного потока по высоте АЗ реактора

47

•на расхоложенном разотравленном реакторе вся эффективность стержня СУЗ реализуется в верхней части активной зоны (от 0 до 3 м по УП). Поэтому при компенсации избыточной положительной реактивности после погружения стержня СУЗ более 3 м по УП он уже не вносит отрицательной реактивности и для дальнейшей компенсации оставшейся положительной реактивности необходимо набрать следующий стержень СУЗ, находящийся на ВК;

•автоматический регулятор на малой мощности (МКУ) необходимо устанавливать в положение 1 ± 0,5 м по УП, так как в этом положении он имеет максимальную эффективность. При погружении более чем до 3 м по УП его необходимо установить в положение 1 м по УП за счет погружения других стержней СУЗ.

Минимальная эффективность системы управления и защиты должна быть такой, чтобы при переходе из рабочего состояния на номинальной мощности с максимально допустимым запасом реактивности в состояние с максимальным эффективным коэффициентом размножения (разотравленное, расхоложенное), реактор оставался заглушенным и имел подкритичность не менее 1 %.

Для реактора РБМК эта величина определяется суммой следующих эффектов реактивности:

разотравление реактора Xe135;

расхолаживание графита от рабочих температур до 280 °С; расхолаживание всего реактора от 280 до 20 °С; мощностной эффект.

В связи с тем, что эффекты реактивности сильно изменяются от начальной загрузки до стационарного состояния, выбирают максимальную сумму этих эффектов.

Она имеет место на начальной загрузке, когда эффект расхолаживания большой положительный, мощностной коэффициент максимальный, а эффект расхолаживания графита − нулевой.

Эту величину можно оценить следующим образом:

ρXе ≈ 2,98 % ,

ρt =10 ×10−5 (284 −20) = 2,64 % , ρw = 2,2×10−6 ×3200 =0,7 % .

49

3.5. Структурная схема управления реактором РБМК

Регулирование реактивности, мощности реактора осуществляется с помощью системы управления и защиты (СУЗ). Система управления и защиты реактора предназначена для оперативного контроля за ходом цепной реакции деления в активной зоне реактора и управления этим процессом в следующих режимах работы реактора:

•первоначальная загрузка;

•пуск реактора из подкритического состояния;

•вывод реактора на мощность;

•работа в энергетическом диапазоне (изменение и (или) поддержание заданного уровня мощности);

•регламентный или аварийный останов реактора;

•остановленный реактор.

СУЗ должна исключать возможность неконтролируемого развития цепной реакции в активной зоне или распространения за установленные проектом границы радиоактивности во всех эксплуатационных режимах и аварийных ситуациях, которые определены в ОПБ-88/97, ПБЯ РУ АС-89, «Технологическом регламенте».

Назначение любой системы регулирования − автоматическое поддержание регулируемого параметра в заданных пределах. В данном случае объект регулирования − ядерный реактор, регулируемый параметр – нейтронный поток, пропорциональный мощности реактора. Регулирующий орган − стержень, содержащий поглощающие нейтроны материалы и воздействующий на нейтронный поток реактора.

СУЗ реактора РБМК-1000 является следящей, замкнутой. Упрощенная структурная схема СУЗ представлена на рис. 3.7.

В качестве датчиков регулируемого параметра (мощности реактора) используются нейтронные датчики, вырабатывающие сигнал, пропорциональный нейтронному потоку. Этот сигнал сравнивается с сигналом заданного уровня мощности реактора в сравнивающем устройстве измерительной части СУЗ, в котором вырабатывается сигнал ошибки между реальной и заданной мощностью. Сигнал ошибки поступает в схему управления исполнительной частью,

50