Материал: Лескин С.Т., Шелегов А.С., Слободчук В.И. Физические особенности и конструкция реактора ВВЭР-1000

При эксплуатации максимальная критическая концентрация борной кислоты в начале кампании реактора после перегрузки. Выбор топливной загрузки осуществляется с непременным условием отрицательности температурного эффекта реактивности. Расчетное значение αT и его знак проверяются экспериментально

на минимально контролируемом уровне мощности.

Стационарное и нестационарное отравление Хе и Sm

Изменение нейтронно-физических характеристик реакторов ВВЭР в результате стационарного и нестационарного отравления ксеноном и самарием полностью соответствует приведенному выше описанию. Глубина максимальной «иодной ямы» для ВВЭР1000 составляет ~ 3,7 %, для ВВЭР-440 ~ 4,5 %. Нестационарное отравление самарием значительно меньше, порядка 0,5−0,7 % для всех ВВЭР.

Ксеноновые колебания

В активных зонах реакторов ВВЭР, размеры которых много больше площади миграции нейтронов М2, могут возникать пространственно временные перераспределения энерговыделения, которые называют ксеноновыми колебаниями.

Ксеноновые колебания появляются при процессах, в результате которых нарушается пространственное равновесие потока нейтронов и концентрация иода и ксенона.

Причина возникновения колебаний заключается в существовании положительной обратной связи между потоком нейтронов и ксеноновой составляющей реактивности, которая проявляется тогда, когда отдельные части зоны слабо связаны взаимной диффузией нейтронов.

Физику процесса рассмотрим на примере появления колебаний в результате резкого снижения мощности ВВЭР-1000 (например в результате работы ускоренной разгрузки). В результате снижения мощности до ~ 30 % Nном среднее энерговыделение и средний нейтронный поток по зоне уменьшатся примерно в 3 раза, но при этом, поскольку регулирующая группа войдет в зону на 50−70 %, относительное снижение потока в верхней и нижней части зоны будет

11

разное: в верхней части примерно в 4 раза; в нижней – в два. И в верхней и в нижней части начнет увеличиваться концентрация ксенона. Поскольку величина нейтронного потока уменьшилась по сравнению с равновесной, то накопление ксенона в верхней части будет происходить гораздо интенсивнее, что в свою очередь приведет к дальнейшему снижению нейтронного потока в верхней части. При этом в верхней части снижается и энерговыделение и, соответственно, падает скорость генерации ядер предшественника ксенона – иода, т.е. закладывается основа для обратного процесса.

Параллельно в нижней части активной зоны развивается противоположный процесс. Поскольку органами регулирования мощность и, соответственно, средний по зоне нейтронный поток поддерживается на одном уровне, его величина в нижней части зоны увеличивается. Увеличение нейтронного потока вызывает ускорение в выгорании ксенона, обеспечивая быстрый переход концентрации ксенона в нижней части зоны из области нестационарного отравления в область нестационарного разотравления. При этом, как и в верхней части, закладывается основа для обратного процесса: увеличивается энерговыделение и, соответственно, выход иода.

Обратный процесс начинается в результате снижения концентрации Хе в верхней части из-за уменьшения концентрации иода и роста концентрации ксенона в нижней части по причине увеличения концентрации иода.

Как уже упоминалось, возможность возникновения ксеноновых колебаний связана с размерами активной зоны. В реакторах ВВЭР440 они не проявляются. В реакторах ВВЭР-1000 возможны аксиальные ксеноновые колебания. Период колебаний определяется периодом полураспада I135 и Хе135 и составляет ~ 30 ч, амплитуда зависит от начального возмущения.

Контроль за наличием и величиной амплитуды колебаний осуществляется с помощью СВРК, по величине оффсета.

7.Для оценки необходимой эффективности системы управления

изащиты необходимо знать интегральные эффекты реактивности. Абсолютные изменения реактивности представлены в табл. 1.2.

12

С учетом точности расчета эффективности органов регулирования (~20 %) необходимая эффективность механической системы управления и защиты должна быть не менее 0,079. Для достижения проектного выгорания 40 МВт сут/кг U при длительности между перегрузками 7000 ч необходим запас реактивности ~0,13.

В итоге система регулирования становится достаточно «тяжелой» (~0,2), что с учетом высказанных физических особенностей обязательно предусматривается в конструкции. Размещение поглощающих элементов в виде тонких стержней в кассетах и равномерно по активной зоне.

8. Для создания большого начального запаса реактивности необходимо загружать топливо в реактор в количестве, значительно (в 30−40 раз) превышающем критическую массу, что создает возможность образования локальных критических масс (табл. 1.3). Все это необходимо учитывать в проведении физического расчета и размещении органов СУЗ.

Таблица 1.3 Критическая масса при полном заливе ТВС чистой водой

при t = 20 °C и полностью извлеченных ПС СУЗ

1.2. Обеспечение безопасности при отводе тепла от активной зоны реактора

Безопасность теплосъема заключается в обеспечении надежного охлаждения твэлов во всех режимах, включая аварийные, не допуская превышения предельных потоков и кризиса кипения на самых энергонагруженных участках. В противном случае, неминуемо, как минимум значительное повреждение оболочки твэла, что квалифицируется как авария.

Задача решается поэтапно:

•на стадии разработки конструкции ТВС полуэмпирическими расчетами и экспериментальным путем определяются предельные интегральные мощности отдельных ТВС и предельная величина линейного (на единицу длины) энерговыделения твэлов. Эти величины определяются для номинального расхода теплоносителя и возможного его снижения в наиболее неблагоприятном технологическом режиме;

•на основании полученных предельно допустимых мощностей ТВС и предельных значений локальных энерговыделений рассчитываются допустимые значения коэффициентов неравномерности энерговыделния. Полученные значения являются проектными пределами при выборе очередных загрузок;

•при проведении расчетов по выбору загрузок непревышение проектных пределов неравномерности энерговыделения − обязательное условие возможности эксплуатации на номинальной мощности. Если эти пределы нарушаются, мощность от номинального значения снижается на величину, пропорциональную отклонению от предела;

•уровень мощности при эксплуатации поддерживается в соответствии с таблицей режимов, в которых допустимое значение мощности увязывается с коэффициентами неравномерности и расходом через активную зону – числом работающих главных циркуляционных насосов;

•оперативный контроль в период эксплуатации за уровнем мощности, максимальными значениями коэффициентов неравномерности, а также за запасом до кризиса теплообмена в самых энергонапряженных участках ведется по СВРК. Периодически по данным СВРК анализируется и соответствие распределения энер-

14

говыделения расчету в целом по зоне. В табл. 1.4 даны предельные коэффициенты неравномерности для номинальной мощности реактора ВВЭР.

Таблица 1.4 Предельные коэффициенты неравномерности для номинальной

мощности реактора ВВЭР

Необходимо отметить, что методы расчета предельных значений коэффициентов совершенствуются, поэтому с расчетных обоснованиях могут применяться значения, отличные от приведенных.

1.3. Оптимизация неравномерности энерговыделения топливных загрузок

Для примера рассмотрим распределение энерговыделения однородной цилиндрической активной зоны эквивалентных размеров. Распределение нейтронного потока Φ по радиусу в такой зоне имеет вид функции Бесселя, по высоте поток распределен по косинусу. Распределение энерговыделения Ψ на начало кампании тождественно распределению Φ поскольку Ψ ~ Σf Φ, где Σf – сечение деления, а Σf = const на начало кампании.

Отсюда следует, что максимум энерговыделения однородной зоны находится в ее центре, причем Kr = 2,31; Kz = 1,57; Kо =3,62, что значительно выше предельных значений в табл. 2.4.

Уменьшение неравномерности энерговыделения до приемлемых значений коэффициентов в активных зонах реакторов ВВЭР достигается применением топливного цикла с так называемой частичной выгрузкой. Он заключается в следующем:

15