Системы управления и защиты.

Эффективный коэффициент размножения свежей, холодной, разотравленной зоны, с выведенными из зоны поглотителями систем регулирования, т.е. максимально возможный К_эфф. для реакторов ВВЭР обоих типов в зависимости от загрузки колеблется в пределах 1,20 ÷ 1,25. Чтобы скомпенсировать указанную положительную реактивность на остановленном реакторе, обеспечить безопасный вывод реактора на мощность и оперативное регулирование мощностью, осуществить в необходимых случаях аварийный останов с переводом реактора в подкритику на реакторах ВВЭР используются две независимые системы управления и защиты:

• Жидкостное регулирование, которое изменяет концентрацию борной кислоты в теплоносителе, чем воздействует на К_эфф. зоны;

• Механическая система управления и защиты, СУЗ, которая вводит в активную зону или извлекает из нее механические исполнительные органы, воздействующие на реактивность: поглощающие стержни – в реакторе ВВЭР-1000, поглощающие надставки с регулирующими ТВС в реакторе ВВЭР-440. Устройство регулирующей ТВС ВВЭР-440 в активной части полностью идентично устройству рабочей ТВС.

Жидкостное регулирование применяется для компенсации медленно изменяющихся во времени эффектов реактивности, поскольку процесс ввода-вывода борной кислоты достаточно инертен. Подача борной кислоты в активную зону, т.е. увеличение ее концентрации может выполняться как системой нормальной эксплуатации - системой подпитки - вывода теплоносителя, так и аварийной системой – системой аварийной подпитки. Уменьшение концентрации борной кислоты возможно только системой нормальной эксплуатации – системой подпитки-вывода.

Следует отметить, что в нейтронной физике реакторов ВВЭР существует эффект, не позволяющий безопасно поднимать концентрацию борной кислоты выше определенного значения на выведенном в критическое состояние реакторе. Физическая суть этого эффекта будет рассмотрена ниже.

Предельное значение концентрации борной кислоты для критичного реактора колеблется в незначительных пределах около 7,5 Н₃ВО₃/кг Н₂О в зависимости от компоновки загрузки. Такой концентрации недостаточно для ВВЭР-1000, чтобы скомпенсировать запас реактивности на выгорание, поэтому в свежие ТВС-1000 вставляют пучки стержней выгорающих поглотителей, которые снижают размножающие свойства зоны на начало кампании, или используют ТВС, у которых выгорающий поглотитель, гадолиний, добавлен непосредственно в топливо. ТВЭЛ с добавкой гадолиния носит название ТВЭГ. ТВС с ТВЭГ применяется и на ВВЭР-440.

Основное назначение механической СУЗ – обеспечение оперативного регулирования мощности реактора и выполнение функции предупредительной и аварийной защиты. Реактор ВВЭР-1000 оборудован 61 механическим, снабженным индивидуальным приводом, органом регулирования ОР СУЗ; реактор ВВЭР-440 – 73 или 37 органами. Для удобства управления они собраны в группы: ОР СУЗ реактора ВВЭР-1000 разбиты на 10 групп, реактора ВВЭР-440 – на 12 или 6. Последняя по нумерации группа ОР является регулирующей. Штатное управление органами СУЗ – групповое: подъем производится в прямой последовательности нумерации групп, ввод в активную зону – в обратной, но схемы управления позволяют, при необходимости, оперировать с любым отдельно выбранным органом СУЗ или выбранной группой органов.

Устройство ОР СУЗ ВВЭР- 440 и ВВЭР-1000 в значительной степени различно:

• первое – привод ОР СУЗ ВВЭР- 440 приводится в действие электродвигателем, вращение которого преобразуется в поступательное движение зубчатой парой «шестерня - зубчатая рейка»; привод ОР СУЗ ВВЭР-1000 – электромагнитами, система электромагнитов обеспечивает поступательное движение исполнительного органа, отсутствие вращающихся частей и зубчатой передачи делает его более надежным;

• второе – поглотитель ОР СУЗ ВВЭР - 1000, пучок поглощающих стержней ПС СУЗ, вводится непосредственно в ТВС, в то время как исполнительный орган СУЗ ВВЭР-440 представляет связку «поглощающий надставок – регулирующая ТВС», соединенных штангой привода в единое целое.

В режиме срабатывания аварийной защиты привода ОР как ВВЭР-1000, так и ВВЭР-440 обесточиваются и ОР падают в зону под собственным весом.

Основные механические характеристики СУЗ

Табл.3

№ п/п	Параметр	Значение ВВЭР-1000	Значение ВВЭР-440
1.	Количество ОР СУЗ	61	73/37
2.	Количество групп ОРСУЗ	10	12/6
3.	Скорость движения ОР в рабочем режиме, мм/сек	20	20
4.	Время падения ОР в режиме АЗ, не более, (сек)	4	12
5.	Вес ОР, (кг)	17,4	330 ТВС-220 надставка -110

На рис.5,6 изображены поглотители СУЗ реакторов ВВЭР: ПС СУЗ ВВЭР-1000 и поглощающая надставка ВВЭР-440.

Поглотитель СУЗ ВВЭР-1000, ПС СУЗ, – это пучок из 18 поглощающих элементов ПЭЛ, соединенных с помощью пружин индивидуальной подвески с общей захватной головкой. ПЭЛ представляет из себя стержень, выполненный из трубки, наружным диаметром 8,2 мм и толщиной стенки 0,5 мм, наполненной поглотителем нейтронов - карбидом бора с плотностью 1,7 т/м³ и титанатом диспрозия.

Титанат диспрозия применен на нижних 30 см, которые при работе ПС СУЗ в составе рабочей группы находятся в зоне, т.е. подвержены выгоранию. Нейтронно-физические свойства титаната диспрозия таковы, что он выгорает в меньшей степени, чем карбид бора, увеличивая таким образом срок службы ПС СУЗ с сохранением достаточной их эффективности. Кроме того, титанат диспрозия увеличивает физический вес ПС СУЗ, что важно для обеспечения скорости падения ПС СУЗ при срабатывании АЗ.

Во время перегрузки ПС СУЗ загружается в ТВС, установленные в так называемые ячейки СУЗ, ячейки, чье расположение в активной зоне соответствует расположению приводов СУЗ, при этом ПЭЛы на всю длину погружаются в направляющие каналы ТВС. После установки блока защитных труб и верхнего блока выполняется сцепление привода и ПС с помощью штанги привода, которая входит в зацепление с головкой ПС.

При подъеме ПС СУЗ извлекается из ТВС, т.е. из активной зоны и втягивается в защитную трубу блока защитных труб.

Гибкое соединение ПЭЛ с головкой обеспечивает относительно свободное движение их в направляющих трубах, при имеющих место эксплуатационных деформациях кассет.

Пучок выгорающих поглотителей СВП конструктивно почти идентичен ПС СУЗ, поскольку его положение в ТВС аналогично положению ПС СУЗ при обесточенном приводе. СВП устанавливаются в те свежие кассеты, чье расположение на картограмме активной зоны не совпадает с расположением приводов. Следует обратить внимание на различие в некоторых конструкционных материалах между СВП и ПС СУЗ: первое - плотность бора в поглощающем материале - дибориде хрома - в СВП значительно меньше, чем в карбиде бора в ПС СУЗ (используются три типа СВП с плотностями бора 0,02; 0,036; 0,05 т/м³); второе – оболочка СВП в отличае от оболочки ПЭЛ изготовлена из сплава Zr + 1% Ni. Эти отличия объясняются тем, что СВП должен на конец компании иметь минимально - возможное сечение поглощения нейтронов. Только в этом случае его отрицательное влияние на экономику топливного цикла минимально. Соответственно срок службы СВП – 1 кампания. Нужно отметить, что применение СВП не является оптимальной технологической схемой применения выгорающего поглотителя, поэтому в настоящее время внедряются в эксплуатацию ТВС, у которых выгорающий поглотитель – гадолиний – введен непосредственно в топливо.

ОР СУЗ ВВЭР-440 конструктивно образует цепь элементов, соединенную штангой привода (сверху - вниз): привод, поглощающая надставка, регулирующая ТВС. Конструкция регулирующей ТВС в своей активной части идентична с конструкцией рабочей ТВС. Различаются только головки и хвостовики. Поглощающая надставка по форме повторяет чехол ТВС. Во время перегрузки регулирующая ТВС устанавливается на жесткий упор, ниже активной зоны, затем, непосредственно в активную зону устанавливается поглощающая надставка. После монтажа ВКУ и установки верхнего блока штанга привода опускает через надставку и сцепляется с головкой регулирующей ТВС. При подъеме ОР поглощающие надставки втягиваются в защитные трубы блока защитных труб, а регулирующие ТВС занимают их место в активной зоне. Такое устройство СУЗ объясняет большое расстояние между низом активной зоны и днищем шахты на реакторе ВВЭР-440 и, соответственно, требует значительного удлинения корпуса реактора.