Материал: Белозеров В.И., Жук М.М., Кузина Ю.А., Терновых М.Ю. Физика и эксплуатационные режимы реактора ВВЭР-1000

ты в теплоносителе увеличивает по абсолютному значению отрицательный коэффициент реактивности по температуре топлива, поскольку сечение поглощения изотопа 10В подчиняется закону 1/v, и, кроме того, преимущественное поглощение тепловых нейтронов малой энергии приводит к ужесточению спектра нейтронов.

Однако влияние борной кислоты на коэффициент реактивности по температуре топлива значительно меньше, чем на коэффициент реактивности по температуре воды. В табл. 8.7 приведены ориентировочные эффекты реактивности для ВВЭР-1000.

Таблица 8.7

Ориентировочные величины эффектов реактивности для ВВЭР-1000 (на примере энергоблока № 1 Балаковской АЭС,

7-я топливная загрузка)

При больших концентрациях борной кислоты температурный коэффициент реактивности может стать положительным, что противоречит требованиям ПБЯ РУ АС. Поэтому при расчётах ВВЭР выбирают топливные загрузки со значениями борной кислоты, обеспечивающими устойчивый отрицательный температурный ко-

241

эффициент во всем диапазоне положений рабочей группы ОР СУЗ

[12].

8.9. Расчёт максимально допустимой мощности твэла

Необходимо рассмотреть тепловые нагрузки, коэффициенты неравномерности энерговыделения в ТВС и в твэле.

Условия непревышения установленных пределов повреждений твэлов во всех режимах эксплуатации связаны с предельными тепловыми нагрузками твэлов и формами распределения мощности. Так, для ВВЭР-1000 было установлено, что при работе реактора на номинальном уровне мощности не должны превышаться следующие максимальные значения тепловых нагрузок в твэлах активной зоны:

qlмакс – 448 Вт/см – максимальный линейный тепловой поток на твэле;

qlмакс – 360 Вт/см – максимальный линейный тепловой поток на

твэге [для твэга это связано с более низкой теплопроводностью гадолиния, и, как следствие этого, более высокой температурой в центре твэга (уран-гадолиниевой таблетки)].

Указанные максимальные значения получаются следующим образом:

где qlмакс – максимальное значение линейного энерговыделения; qlсред = Nакэ /163 ТВС312 твэл ·356 см – среднее значение линейно-

го энерговыделения; kq – максимальный коэффициент неравномерности распределения мощности по ТВС для номинальной мощности; kk – коэффициент неравномерности по твэлам внутри ТВС, для твэл kk = 1,1, причём ((kq kk)макс = 1,5); для твэга kk = 0,89; kzмакс – ко-

эффициент неравномерности энерговыделения по высоте ТВС; kэн = = 1,02 – коэффициент, учитывающий точность определения мощности реактора; kпод = 1,02 – коэффициент, учитывающий точность поддержания мощности реактора системой регулирования; 356 см

– длина топливного столба на номинальной мощности; kинж – инже-

242

нерный коэффициент запаса, учитывающий влияние технологических допусков и неточностей расчётных программ и методик.

Если учесть, что kqkz = kV, а kзнkпод = kn, то формулу (8.9.1) можно записать в виде:

где kkмакс – максимальный коэффициент неравномерности распреде-

ления энерговыделения по твэлам внутри ТВС; kVмакс – максималь-

ный коэффициент неравномерности энерговыделения по объёму активной зоны для номинальной мощности; kп – коэффициент отклонения мощности реактора, включающий точность поддержания и измерения тепловой мощности реактора.

Кроме вышеуказанных условий непревышения максимальных значений необходимо отметить, что при эксплуатации реактора максимальная тепловая нагрузка на твэл не должна превышать критическую тепловую нагрузку. В табл. 8.8 приведены составлящие инженерного коэффициента.

Под критической понимается такая тепловая нагрузка, при которой пузырьковое кипение воды на поверхности твэла переходит в пленочное. Переход к пленочному кипению сопровождается резким ухудшением теплоотдачи, вызывающим перегрев и разрушение твэла.

Выражение для критической тепловой нагрузки сборки твэл в сечении канала с координатой (z) качественно можно представить в виде:

где A – константа; ts – температура насыщения; tтепл(z) – температура теплоносителя по высоте активной зоны.

Зависимости допустимого, критического и реального линейных тепловых потоков на твэлах и твэгах по высоте активной зоны качественно представлены на рис. 8.7. На нижней половине активной

зоны (0–50 % На.з) максимальное линейное энерговыделение qlì àêñ

установлено в 448 Вт/см для твэлов и 360 Вт/см для твэгов. Выше – снижается, как это видно на рис. 8.8. При таком линейном тепловом потоке запас до кризиса теплоотдачи

должен составлять не менее 1.19 при нормальной эксплуатации и отклонениях от нормальной эксплуатации.

Рис. 8.7. Зависимость линейного теплового потока от высоты активной зоны

244

8.10. Кризис теплообмена и условия его возникновения

Фактором, ограничивающим мощность ТВС водоохлаждаемых реакторов, во многих случаях является кризис теплообмена. Если создать условия, препятствующие наступлению кризиса, то тепловая мощность реакторов может быть повышена, что даст большой экономический эффект [2].

Термин «кризис» имеет ряд синонимов: ухудшение теплоотдачи, пережог, отклонение от пузырькового кипения, осушение поверхности и т.д. Хотя в целях безопасности рабочие тепловые потоки в ядерных реакторах установлены ниже критических, могут возникнуть аварийные случаи, когда кризис будет достигнут.

Причиной ухудшения теплообмена является нарушение контакта между стенкой и жидкой фазой.

При кипении в большом объеме наступление кризиса теплообмена на плоской поверхности зависит лишь от плотности теплового потока и физических свойств жидкости и пара. При вынужденном движении кроме этих параметров большую роль играет распределение температур, скоростей и фаз в потоке, т.е. механизм кризиса теплообмена зависит от свойств жидкости, пара (давления), массовой скорости, паросодержания. В зависимости от конкретных условий повышение температуры теплоотдающей стенки может составить и единицы, и сотни градусов, а темп роста температуры от долей до сотен градусов в секунду.

Итак, термин «кризис теплообмена» применительно к двухфазным потокам объединяет ряд процессов, которые приводят к тому, что теплообмен ухудшается, а при постоянной плотности теплового потока приводят к повышению температуры поверхности.

Если в парогенерирующем канале не все поверхности обогреваются (или обогреваются неодинаково), то часто жидкость, текущая по необогреваемой поверхности, практически не участвует в теплообмене и тем самым понижает интенсивность теплообмена на остальных поверхностях (эффект холодной стенки).

8.11. Кризис в большом объеме

Если увеличивать плотность теплового потока (температурный напор) при кипении жидкости в большом объеме, то число центров

245